談混凝土結(jié)構(gòu)中填充墻對(duì)主體的影響

王 剛

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

談混凝土結(jié)構(gòu)中填充墻對(duì)主體的影響

王 剛

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

通過對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中填充墻布置、剛度、對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的約束、自身的破壞過程的分析，介紹了填充墻與結(jié)構(gòu)主體相互作用的關(guān)系，并闡述了采用填充墻柔性連接方法的一些優(yōu)缺點(diǎn)，提高對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中填充墻重要性的認(rèn)識(shí)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升設(shè)計(jì)安全和質(zhì)量。

填充墻，混凝土結(jié)構(gòu)，抗側(cè)剛度，連接方式

0 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，國(guó)內(nèi)房地產(chǎn)市場(chǎng)的發(fā)展達(dá)到了空前的繁榮，許多新建筑拔地而起，愈發(fā)體現(xiàn)出高度更高、體量更大、形式更新穎的特點(diǎn)，其中數(shù)量最多的民用建筑仍以混凝土結(jié)構(gòu)體系為主，例如框架、框架—剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)，而在混凝土結(jié)構(gòu)中填充墻起到了分割使用空間、外部圍護(hù)等作用，是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要部分，也是項(xiàng)目施工后期工作量巨大的一個(gè)分項(xiàng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，好多結(jié)構(gòu)次梁都是依據(jù)房間功能的劃分按照填充墻的具體位置來布置定位的，填充墻無論從選材布局還是受力耗能都對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算有很大影響。

本文旨在分析填充墻體對(duì)主體結(jié)構(gòu)的各種聯(lián)系作用，加深我們對(duì)其設(shè)計(jì)概念的理解，并對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算過程中涉及填充墻的內(nèi)容提出一些建議。

1 填充墻概述

框架、框剪和純剪結(jié)構(gòu)中的填充墻，一般是指嵌砌于混凝土主體梁柱內(nèi)，起圍護(hù)和分隔作用的非承重墻，與輕質(zhì)隔墻和幕墻等均視為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。最常用的填充墻材料為加氣混凝土砌塊、混凝土小型空心砌塊等。通常結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，僅考慮填充墻的重力效應(yīng)，將其作為一種設(shè)計(jì)荷載輸入到模型中參與整體計(jì)算，并根據(jù)墻體數(shù)量及布置、連接情況選取周期折減系數(shù)以計(jì)入填充墻對(duì)整體剛度及抗震的作用(參見GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第13.2.1條2款對(duì)嵌入抗側(cè)力構(gòu)件平面內(nèi)的剛性建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)計(jì)入其剛度影響，可采用周期調(diào)整等簡(jiǎn)化方法；一般情況下不應(yīng)計(jì)入其抗震承載力，當(dāng)有專門的構(gòu)造措施時(shí)，尚可按有關(guān)規(guī)定計(jì)入其抗震承載力)。

2 填充墻的破壞分析

拿框架結(jié)構(gòu)來說，用于圍護(hù)和分割空間而嵌砌于主體結(jié)構(gòu)的填充墻，抗剪切能力不強(qiáng)，在地震的初期，結(jié)構(gòu)變形較小，填充墻成為主要抗側(cè)構(gòu)件消耗地震能量，而其脆性材料的特點(diǎn)使其先于混凝土主體構(gòu)件破壞。其破壞過程由與梁柱接觸部分出現(xiàn)周邊裂縫開始，逐漸向?qū)切绷芽p發(fā)展(見圖1)，隨著側(cè)向力的增加，斜裂縫向墻中部發(fā)展，貫通成X形(見圖2)，隨著破壞進(jìn)一步加劇，最后墻體逐漸喪失剛性退出抵抗工作直至完全破壞，而框架則成為了抗側(cè)構(gòu)件主體。通過填充墻在地震作用的破壞過程分析，我們不難看出，純框架和有填充墻的框架在初始階段的受力有很大差異，理論上填充墻可以等效為兩根對(duì)角支撐的拉壓斜杠與框架共同工作。

3 填充墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響

在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用的周期折減(JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第4.3.17條)的方法考慮了填充墻對(duì)主體的影響，是一種粗略估算的簡(jiǎn)化方法，但卻容易使剛參加設(shè)計(jì)工作的新手片面的認(rèn)為對(duì)填充墻的考慮只需粗略填個(gè)系數(shù)就可以計(jì)入整體計(jì)算，這種想法相對(duì)于填充墻實(shí)際的作用及影響就顯得較為簡(jiǎn)單了。填充墻與結(jié)構(gòu)主體并非相對(duì)獨(dú)立，而是相互作用影響的，我們已經(jīng)了解了填充墻的破壞過程，接下來我們從以下幾方面來看看填充墻如何對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響：

1)墻體平面及豎向布置的影響。

在概念設(shè)計(jì)時(shí)，規(guī)范要求建筑平、立面布置宜規(guī)則，質(zhì)量和剛度宜均勻、連續(xù)，質(zhì)心與剛心盡量重合，避免地震作用時(shí)產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)，這一原則同樣適用于填充墻。由于使用功能的需要，不同樓層功能不同，布局也會(huì)不同，即使同一層功能布局往往也難以對(duì)稱，相應(yīng)填充墻的布置也就千差萬別，這就容易造成剛心和質(zhì)心在平面不重合、在豎向不連續(xù)的問題，成為導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞的因素之一。

2)墻體剛度的影響。

填充墻雖然屬于非承重墻，但自身是具有一定剛度的。從結(jié)構(gòu)整體來說，因?yàn)樘畛鋲Φ拇嬖谠黾恿私Y(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)移剛度，使結(jié)構(gòu)自振周期縮短，受到的地震作用增大，從局部結(jié)構(gòu)單元來說，由于樓層總剪力是按照抗側(cè)力構(gòu)件的剛度比例來分配的，如果不考慮填充墻的剛度貢獻(xiàn)就會(huì)形成有墻體填充的結(jié)構(gòu)單元與沒有墻體填充的結(jié)構(gòu)單元分配的地震剪力相同，這顯然與實(shí)際情況不符。實(shí)際情況是，有填充墻的結(jié)構(gòu)單元比無墻的剛度要大，分配而得的地震剪力也要大一些，兩者是有差異的，特別是框架結(jié)構(gòu)這種差異更為明顯，某些實(shí)際有墻體填充的框架單元按無墻體協(xié)同計(jì)算得出的地震力是偏小的。

對(duì)于某些特殊建筑，例如底部為大型商場(chǎng)、停車場(chǎng)上部為寫字樓的建筑，或是頂層作為會(huì)議室，電影院的建筑，為了滿足個(gè)別樓層大空間的使用要求，集中削減分隔墻體的數(shù)量，甚至抽去梁柱，上下墻體數(shù)量的突然增加或減少造成剛度突變，使這些樓層形成薄弱層，對(duì)抗震十分不利。

3)填充墻對(duì)柱、梁的約束影響。

填充墻嵌砌于梁柱內(nèi)，可以使梁柱變形在一定程度上得到限制，但若布置不當(dāng)會(huì)對(duì)原有梁柱產(chǎn)生不利影響。對(duì)柱來說，若墻體開通窗時(shí)，窗裙墻對(duì)柱有約束，但窗高范圍則沒有，造成柱的計(jì)算長(zhǎng)度縮短，易形成“短柱效應(yīng)”，短柱的剛度大但變形能力差，會(huì)造成脆性剪切破壞(見圖3)。而且，因?yàn)榱号c填充墻的協(xié)同作用，在地震時(shí)有可能使梁的塑性鉸形成于柱塑性鉸之后，在一定程度上形成“強(qiáng)柱弱梁”。對(duì)梁來說也是一樣的，在梁上下的填充墻開洞時(shí)，也會(huì)減小梁的跨度形成短梁，造成脆性破壞，但不同于短柱的是，短梁的破壞會(huì)使原本應(yīng)該由延性梁消耗的地震能量減少，更多的能量轉(zhuǎn)移給了柱，增加了地震的危險(xiǎn)性。

以上是填充墻布置不當(dāng)對(duì)主體結(jié)構(gòu)造成的不利影響，當(dāng)然填充墻布置得當(dāng)對(duì)抗震也有有利的方面：

1)填充墻與梁柱協(xié)同工作，承擔(dān)部分側(cè)向力，分擔(dān)了地震作用，提高主體的承載力；

2)填充墻的加入使主體結(jié)構(gòu)由開始加載至破壞的全部受力和變形相對(duì)平緩，一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的延性，改善變形能力；

3)作為抗震的第一道防線通過自身的開裂破壞消耗吸收了地震能量，降低了結(jié)構(gòu)主體遭受的危險(xiǎn)程度等等。

4 設(shè)計(jì)階段填充墻布置的注意事項(xiàng)

通過上述介紹，我們可以了解到砌體填充墻布置得當(dāng)與否對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的整體剛度、變形能力、局部梁柱的破壞都有影響，所以在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該對(duì)填充墻的布置提出要求，非承重墻體的材料、選型和布置，應(yīng)根據(jù)烈度、房屋高度、建筑體型、結(jié)構(gòu)層間變形、墻體自身抗側(cè)力性能的利用等因素，經(jīng)綜合分析后確定(《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第13.3.2條)，需要與建筑專業(yè)協(xié)調(diào)，探討出既能滿足使用功能又受力合理的墻體布置方案。

首先從墻體布置考慮，按照概念設(shè)計(jì)，剛性非承重墻體的布置，應(yīng)避免使結(jié)構(gòu)形成剛度分布上的突變；當(dāng)圍護(hù)墻非對(duì)稱均勻布置時(shí)，應(yīng)考慮質(zhì)量和剛度的差異對(duì)主體結(jié)構(gòu)抗震不利的影響，如將墻體在平面周邊均勻布置可以提高抗扭強(qiáng)度和整體剛度、在豎向墻體布置盡量連續(xù)，減少錯(cuò)位。若在提出建筑方案時(shí)遇到因使用要求將多層墻體偏置的情況，這違背了均勻布置的原則，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。有時(shí)我們還會(huì)遇到在施工后期因甲方重新調(diào)整使用功能而修改填充墻布置的情況，從結(jié)構(gòu)受力方面來說這實(shí)際是改變了填充墻與混凝土構(gòu)件協(xié)同工作的范圍，但因?yàn)槲覀兊哪Ｐ陀?jì)算取用的是周期系數(shù)折減的整體調(diào)整方法，所以這種墻體的位置改變對(duì)計(jì)算影響只是體現(xiàn)在一種荷載位置的重新分布上，只會(huì)影響計(jì)算時(shí)質(zhì)心的位置而對(duì)整體的剛性并沒有反應(yīng)，在構(gòu)件承載力滿足時(shí)我們只需注意避免荷載總值的大幅增加。

其次，對(duì)于墻體開門窗洞口的位置也需注意，填充墻開洞會(huì)削弱其對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)，當(dāng)開洞率相同時(shí)，開洞位置越靠近兩側(cè)框柱對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響就越弱。當(dāng)開通窗時(shí)，對(duì)框架柱還會(huì)形成“短柱”，所以遇到通窗，框架柱應(yīng)該加密箍筋，采用按短柱設(shè)計(jì)以提高抗剪能力。

最后，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法對(duì)填充墻的要求最直接的體現(xiàn)在構(gòu)造措施上，填充墻與主體要有可靠的拉結(jié)，應(yīng)能適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)不同方向的層間位移。非承重墻體宜優(yōu)先采用輕質(zhì)墻體材料；采用砌體墻時(shí)，應(yīng)采取措施減少對(duì)主體結(jié)構(gòu)的不利影響，并應(yīng)設(shè)置拉結(jié)筋、水平系梁、圈梁、構(gòu)造柱等與主體結(jié)構(gòu)可靠拉結(jié)(《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第13.3.2條)。這些并非是結(jié)構(gòu)計(jì)算出來的條款，而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得，在地震中往往這些具體的措施對(duì)安全保障起到了非常重要的作用，需要特別明確提出。

5 填充墻柔性連接對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響

上述填充墻的分析主要是基于與主體結(jié)構(gòu)剛性連接的方式，針對(duì)剛性連接的缺點(diǎn)，抗震規(guī)范相應(yīng)提出非結(jié)構(gòu)構(gòu)件柔性連接的概念，對(duì)柔性連接的建筑構(gòu)件可不計(jì)入剛度，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.17條的條文說明中提出周期折減方法不適用于采用柔性連接的填充墻或剛度很小的輕質(zhì)砌體填充墻。柔性連接的目的主要是克服剛性連接的弊端，盡力避免填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)主體剛度、周期、變形的不利影響，采用柔性連接后，墻體可按重力荷載計(jì)入計(jì)算模型，周期不需折減，雖然損失了填充墻體對(duì)抗側(cè)力剛度的貢獻(xiàn)，但計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。圖集10SG614—2砌體填充墻構(gòu)造詳圖十分全面的給出了柔性連接的做法，為采用推廣這一連接方法做出具體的指導(dǎo)和要求。雖然規(guī)范和圖集對(duì)填充墻柔性連接都有規(guī)定，但就目前設(shè)計(jì)施工的現(xiàn)狀來看，仍然采用較少，原因主要是柔性連接比剛性連接做法更為復(fù)雜，對(duì)施工的要求有所提高，在工期緊、任務(wù)繁重的普遍情況下難以打破現(xiàn)有施工習(xí)慣。而不同的混凝土結(jié)構(gòu)體系也應(yīng)綜合考慮采用哪種墻體連接方式更合適，相對(duì)于框剪和純剪結(jié)構(gòu)有剛度很大的剪力墻而言，框架結(jié)構(gòu)自身剛度要弱一些，填充墻對(duì)其影響更大，因此對(duì)質(zhì)量要求較高的框架結(jié)構(gòu)，優(yōu)先采用填充墻的柔性連接效果會(huì)更好。

6 結(jié)語

通過以上幾方面內(nèi)容的粗淺分析，我們對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)體系中的填充墻這一非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的本質(zhì)屬性有了一定的認(rèn)識(shí)，并對(duì)設(shè)計(jì)過程中接觸到的一些具體問題作出了闡述。在具體設(shè)計(jì)計(jì)算的操作中，我們還是需要綜合考慮、分析，采用合理的填充墻連接方式和布置方案，保證設(shè)計(jì)項(xiàng)目的安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)節(jié)能。雖然填充墻作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性無法與結(jié)構(gòu)主體相提并論，但它卻實(shí)實(shí)在在影響著建筑的各方面，在設(shè)計(jì)施工中對(duì)它每多一份嚴(yán)格，地震來臨時(shí)就少一份危險(xiǎn)。

[1] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50003—2011,砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 李國(guó)勝.多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中疑難問題的處理及算例[M].第2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[5] 苑振芳,王海川.柔性連接的框架填充墻設(shè)計(jì)原則和實(shí)施[J].建筑應(yīng)用,2013(6)：33-34.

Discussion on the influence of infilled wall to main body in concrete structure

Wang Gang

(ShanxiArchitecturalDesignandResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

Through the analysis on infilled wall layout, stiffness, the constraints to surrounding structure, itself failure process in concrete structure, this paper introduced the interaction and relationship between the infilled wall and main body structure, and elaborated some advantages and disadvantages using infilled wall flexible connection method, improve the awareness of the importance of infilled wall in concrete structure, in order to optimize the design, improve the design quality and safety.

infilled wall, concrete structure, lateral stiffness, connection mode

1009-6825(2017)22-0045-03

2017-05-22

王 剛(1983- ),男，工程師

TU375.4

A