填充墻對框架結構影響的若干分析

王立波，趙 軍，陳自凱

（安陽工學院，河南 安陽 455000）

1 填充墻在建筑工程中的應用

隨著社會的發展和人類生活需求，對建筑空間的分割的靈活性逐漸增強。具有空間分割靈活特點的框架結構在建筑市場上被廣泛應用，特別是需求大空間的商業樓房以及底部用于商業而上部用于住宅的建筑大都采用了這一結構，在框架結構的基礎上采用填充墻來分割。

2 填充墻與框架協同作用分析

通過對大量框架結構的震害調查以及試驗分析，填充墻與框架之間的協同作用可以分為以下4個階段。①彈性階段，兩者在接觸面之間形成周邊的初始裂縫；②周邊裂縫隨著側力增加而逐漸增大，在兩者對角的接觸部位發生局部碎裂，墻面也開始逐漸出現斜裂縫，但此裂縫還未形成貫通，此時的框架處于彈性階段，而填充墻則成為抗側力構件；③隨著側力的逐漸加大，墻面出現的微小裂縫逐漸開展，形成貫通的斜裂縫，框架柱逐漸開裂并繼續發展。此時的填充墻達到其最大承側力，框架成為其體系的主要抗側力構件，結構處于彈塑性階段；④結構體系達到極限狀態，框架梁與柱之間出明顯的塑性鉸，但墻體與框架之間由于存在拉筋，一般仍不會出現倒塌。

基于填充墻同框架協同作用的機理，可以看出：在地震力作用下，填充墻在前兩個階段可以作為抗側力構件并發揮其作用。在多遇地震情況下填充墻能起到一定的抗側力作用，同時在罕遇地震下，也能夠吸收一定的地震能量。

3 填充墻在框架結構抗震中的優勢

從填充墻對框架結構的影響來看，填充墻同框架的協同作用，在結構體系破壞之前，填充墻可以作為抗側力構件承擔一定份量的水平力，帶有填充墻的框架結構體系與純框架相比，其承載力有明顯的提高。從1996年朱榮華等人所做的1:2.5比例的填充墻框架結構模型的擬動力地震反應試驗可以看出：磚填充墻的框架結構模型在擬動力的試驗中測出無洞口時的水平承載力大小為294kN，而同比例的純框架模型在低周的反復荷載的作用下的水平承載能力卻是191kN，通過計算分析，與純框架相比，帶有填充墻的框架承載能力明顯的提高了54%。

從框架結構在填充墻作用下的變形來看，鑒于填充墻與框架之間的協同作用，使得該結構體系在一定程度上具有較好的變形能力。從體系一開始加載直到破壞的過程來看，受力和變形相對來說都比較平緩，具有一定的延性。從文獻［2］得出，填充墻框架結構在整體屈服時的層間位移角均值為1/275，而框架本身在明顯屈服的時候位移角卻為1/150左右，可見填充墻的存在對體系變形性能有很大的改善。

4 填充墻在框架結構抗震中的劣勢

（1）填充墻存在可能致使結構體系的層間剛度不均勻。結構中由于加入了填充墻導致整體剛度增大，因此結構所受的水平地震力也會增加；同時因不同結構層中分布填充墻的數量及布置方式不同，必然會導致上下樓層的墻體不連續，從而引起相鄰層間的剛度發生突變，這種情況對抗震來說是十分不利的。

（2）填充墻對框架柱產生附加作用。填充墻在同一結構層內，采用不同的布置方式(如填充墻的橫墻、縱墻之分以及框架柱之間是否存在填充墻等)，會使水平地震力在分配上有所不同，這樣會使同一結構層內的框架柱所承受的水平力有所不同。

（3）在填充墻上開洞可能會使框架柱產生“短柱”效應。因填充墻的存在使框架柱的計算高度減少，發生“短柱”效應，在地震力作用下，極其可能發生剪切破壞。

（4）結構中加入填充墻可能會使其體系發生扭轉。結構的剛度中心因填充墻的加入發生偏移，從而在地震力作用下結構體系發生偏移。總之，帶有填充墻的框架結構體系在地震中存在一定程度上不可忽視的震害。

5 填充墻對框架結構自振周期的影響

框架結構因填充墻的加入而致使體系自振周期發生變化，因此規范中提到在計算自振周期，應適當考慮體系中填充墻的影響，對其進行折減。例如，帶有填充墻的框架結構按經驗公式計算其自振周期為：

式中：H、B分別為房屋的總高度、總寬度（Lin J and Mahin SA.1985）。目前的設計往往采用的是一種物理概念比較明確，而又能夠反映其體系的主要參數，并且計算方法相對簡單，比如能量法以及頂點位移法。其中能量法見公式2：

式中，Gi是第i層重力荷載代表值（KN）；Δi是在各水平荷載值為作用下的第i層水平位移（m）。

式中：VFi是所分析第i層的層間總剪力；m是第i層總柱數；Kiw是所分析第i層填充墻剛度；Kiw是所分析第i層、第K根柱的側移剛度。

從式子（2）、（3）的參數中可以看出，填充墻的剛度是否被考慮對該自振周期有一定程度上的影響。這一影響在我國規范中有所體現，結構體系的層剛度被看作是框架與填充墻的側移剛度之和，其中《建筑抗震設計規范（GBJ11-89）》附錄三給出了填充墻的側移剛度計算公式（式4、式5）。

式中：ψik是第i層填充墻開裂程度的剛度折減系數；

Eiw是第i層填充墻砌體彈性模量；

Hiw是第i層填充墻的高度；

ψim、ψiv第i層墻洞口影響系數，無洞時取值為1；

式中：TW為填充墻柜架結構的自振周期；Tf為不考慮填充墻的柜架自振周期；α為墻框架剛度比，α=KW/Kf；KW填充墻的計入剛度，Kf是框架結構的計入剛度。

從上述闡述中可以看出框架中加入填充墻后體系的自振周期有所減小，填充墻與框架之間的剛度比決定了周期變化的大小。例如，2001年韓西對開灤煤礦的唐山礦選廠的主洗車間（結構體系為磚填充墻的多層框架結構）進行了第一振型下的自振周期計算，并與實際測定值進行了比較，如表1所示。

表1 自振周期的對比

結合計算周期公式（2），（3），框架體系考慮填充墻影響下的自振周期為：

6 結語

本文概述了填充墻在建筑工程中的應用，以及在地震作用下填充墻同框架之間如何發揮協同作用；闡述了填充墻在框架結構中的優勢和劣勢所在。在閱讀大量文獻的基礎上，從理論上分析了填充墻對框架結構體系自振周期的影響，總結了框架結構在考慮填充墻影響下的自振周期計算方法，可見填充墻對框架的影響不容忽視，值得進一步研究。

［1］朱榮華，沈聚敏.磚填充墻鋼筋混凝土框架擬動力地震反應試驗及理論分析［J］.建筑結構學報，1996，17（4）:27-34.

［2］曹萬林，龐國新.輕質填充墻異型柱邊框架抗震性能研究陰［J］.地震工程與工程震動，1997，15（2）:106-11.

［3］韓西，鐘厲，李博.有限元分析在結構分析和計算機仿真中的應用［J］.重慶交通學院學報，2001，（11）.

［4］王立波.考慮填充墻對鋼筋混凝土框架結構影響的抗震分析［D］.太原:太原理工大學，2012.