填充墻布置方式對(duì)彈塑性鋼筋混凝土框架隔震結(jié)構(gòu)性能及隔震設(shè)計(jì)方法的影響

趙桂峰， 馬玉宏， 崔秀麗， 吳小平

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院, 廣州 510006; 2.廣州大學(xué)工程抗震研究中心減震控制與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510405)

框架隔震結(jié)構(gòu)受力路徑清晰,是目前隔震領(lǐng)域比較常用的形式,尤其是學(xué)校、醫(yī)院等中低層結(jié)構(gòu)采用的比較普遍。但是,在隔震設(shè)計(jì)過(guò)程中,國(guó)內(nèi)外大都采用純框架的設(shè)計(jì)方法,只考慮填充墻的自重作為線荷載,對(duì)于填充墻的剛度作用則采用周期折減的簡(jiǎn)化方法[1]。事實(shí)上,填充墻與框架之間的相互協(xié)同工作機(jī)制十分復(fù)雜,忽略填充墻的存在或采用簡(jiǎn)化方法無(wú)法真實(shí)反映填充墻對(duì)隔震結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響,無(wú)法適應(yīng)層高、跨度不同的各類框架結(jié)構(gòu)的差異,尤其在超強(qiáng)地震作用下,填充墻對(duì)隔震結(jié)構(gòu)性能及破壞機(jī)理到底起到了何種影響,影響的程度如何等是目前仍然無(wú)法回答的問(wèn)題。汶川地震中填充墻鋼筋混凝土(reinforced concrete, RC)框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強(qiáng)梁弱柱、薄弱層、扭轉(zhuǎn)失效、短柱失效等破壞現(xiàn)象,這些現(xiàn)象是否也在隔震結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生需要進(jìn)一步分析研究。震害實(shí)例表明,填充墻的破壞及其所造成的損失已不是次要因素,在框架結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)中,充分考慮填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響十分必要。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究者從填充墻RC框架結(jié)構(gòu)的分析模型、填充墻RC框架之間協(xié)同工作機(jī)制等方面開(kāi)展了大量研究,內(nèi)容包含結(jié)構(gòu)的整體剛度[2]和承載力[3]、填充墻平面外性能及破壞機(jī)理[4-5]、填充墻本構(gòu)模型[6-7]、填充墻對(duì)RC框架抗震性能有利不利影響[8-9]、性能評(píng)估[10-11]、動(dòng)力性能變化及成因[12-13]、非線性性能[14-15]；結(jié)構(gòu)形式包含單層單跨、多層多跨結(jié)構(gòu)等；分析方法包括靜、動(dòng)力試驗(yàn)法[16]、有限元模擬結(jié)合數(shù)學(xué)分析方法[17-18]等。由于填充墻與框架之間協(xié)同工作機(jī)制的復(fù)雜性,目前的研究還不能取得一致認(rèn)可的結(jié)果。但普遍認(rèn)為填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力、剛度及變形能力均有明顯提高,增大了結(jié)構(gòu)的耗散地震作用的能力。

目前關(guān)于填充墻對(duì)隔震結(jié)構(gòu)影響的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道,于泳波等[19]分析了不考慮填充墻作用對(duì)非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的影響。韓富平[20]初步分析了填充墻對(duì)隔震結(jié)構(gòu)體系的影響規(guī)律,但不夠細(xì)致深入。填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)的影響因素眾多[8],主要包括墻體布置及開(kāi)洞方式、填充墻與框架柱剛度比、強(qiáng)度比等。框架結(jié)構(gòu)功能要求的多樣化通常會(huì)導(dǎo)致填充墻水平或豎直方向的分布不均勻,進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛心質(zhì)心偏移而產(chǎn)生水平扭轉(zhuǎn)或豎向產(chǎn)生薄弱層,同時(shí),填充墻的不當(dāng)布置易造成結(jié)構(gòu)形成短柱破壞導(dǎo)致樓層垮塌。與不考慮填充墻的純框架分析模型相比,考慮填充墻的不均勻分布后結(jié)構(gòu)要承受更大的水平地震力,而薄弱層及短柱的出現(xiàn)則使整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了剛度突變現(xiàn)象,對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震十分不利。

此外,在現(xiàn)有隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,一般均將上部結(jié)構(gòu)假設(shè)為彈性,而不考慮上部結(jié)構(gòu)的非線性特性。但地震模擬實(shí)驗(yàn)和震害經(jīng)驗(yàn)表明,隔震結(jié)構(gòu)在遭遇強(qiáng)震作用時(shí)上部結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件也會(huì)發(fā)生破壞,在超強(qiáng)震作用下甚至發(fā)生整體破壞。因此考慮上部結(jié)構(gòu)的非線性特性,研究隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)也是非常必要的。在考慮上部結(jié)構(gòu)非線性的基礎(chǔ)上,分析填充墻的平面、立面布置方式對(duì)RC框架隔震體系動(dòng)力特性、地震反應(yīng)性能及隔震效果的影響,希望為隔震設(shè)計(jì)提供參考和建議,對(duì)于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震安全性也具有重要意義。

1 RC框架填充墻隔震結(jié)構(gòu)分析模型

Perform-3D是一款可進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)非線性分析的專用軟件,能夠模擬填充墻RC框架結(jié)構(gòu)。主體框架采用桿系模型,框架梁、柱選用梁、柱單元,樓板選用彈性板單元。梁、柱的非線性采用了彎矩-曲率非線性鉸模型,分別采用M塑性鉸和P-M-M塑性鉸模型,并利用P-M截面破壞準(zhǔn)則來(lái)判斷。隔震橡膠支座采用雙線性分析模型。混凝土及鋼筋材料本構(gòu)關(guān)系分別采用混凝土規(guī)范規(guī)定的Mander及彈性-理想塑性-硬化塑性分析模型。采用Perform-3D軟件中對(duì)填充墻定義的等效斜撐墻元模型來(lái)建立填充墻單元,并采用三折線本構(gòu)關(guān)系,鉛芯隔震橡膠支座則采用雙線性恢復(fù)力模型。

以一個(gè)典型8層鋼筋混凝土框架填充墻隔震結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,隔震層和底層層高分別為2.5、3.0 m,其余各層層高均為2.9 m。X向跨間距為6.0 m,Y向中間跨、邊跨間距則分別取7.2、2.5 m。填充墻為厚240 mm的燒結(jié)普通磚,磚及砂漿強(qiáng)度分別為MU20及M10。梁柱混凝土和鋼筋分別為C30、HRB335。隔震層周邊采用18個(gè)直徑為500 mm的LRB鉛芯橡膠支座(屈服后剛度Kd=0.772 kN/mm,屈服力Qd=50.7 kN),中間設(shè)置10個(gè)直徑500 mm的LNR天然橡膠支座(剛度K為0.757 kN/mm),如圖1所示。

圖1 隔震層支座布置Fig.1 Arrangement of the rubber bearing

采用ETABS軟件進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)計(jì)算,進(jìn)而建立Perform-3D三維有限元分析模型,通過(guò)非隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期的對(duì)比驗(yàn)證所建立模型的正確性,通過(guò)減震系數(shù)、隔震周期、大震位移的分析等方面驗(yàn)證隔震設(shè)計(jì)的合理性。該結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為8度,二類場(chǎng)地,設(shè)計(jì)地震分組為第三組。選取2條天然波EL-Centro、TAFT和一條人造地震波WAVE來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的地震反應(yīng)分析。

圖2 RC框架結(jié)構(gòu)填充墻豎向不均勻布置模型Fig.2 The RC frame structures with non-uniform infilled wall along vertical direction

圖3 RC框架結(jié)構(gòu)填充墻水平不均勻布置模型Fig.3 The RC frame structures with non-uniform infilled wall along the horizontal direction

為分析填充墻不同布置方式對(duì)RC框架隔震結(jié)構(gòu)的影響,建立了均勻滿布、水平不均勻、豎向不均勻布置填充墻的10種結(jié)構(gòu)模型,分別如圖2、圖3所示。模型1(M1)為無(wú)填充墻的純框架結(jié)構(gòu),是為了模擬現(xiàn)有隔震設(shè)計(jì)做法的一種理想形式,上部結(jié)構(gòu)按照線性計(jì)算；模型2(M2)為兩個(gè)水平方向及豎向各層均滿布填充墻的理想形式；模型3(M3)為1～2層無(wú)填充墻,其余各層雙向滿布填充墻的情況,模擬了在房屋的底部設(shè)置商場(chǎng)或車庫(kù)、上部用于住宅或辦公的房屋；模型4(M4)為7～8層無(wú)填充墻,其余各層雙向滿布填充墻,模擬了房屋頂部用于大型會(huì)議室,下部各層均為辦公室等情況；模型5(M5)為4～5層無(wú)填充墻,其余各層雙向滿布填充墻的情況,模擬由于裝修等原因中間層住戶取消填充墻的情況；模型6(M6)為1層和5層無(wú)填充墻,其余各層雙向滿布填充墻的情況,模擬底層用于大空間,中間層由于裝修等原因取消填充墻的情況；模型7(M7)為水平Y(jié)向無(wú)填充墻,豎向各層滿布X向填充墻；模型8(M8)為水平X向無(wú)填充墻,豎向各層滿布Y向填充墻；模型9(M9)為右三跨無(wú)填充墻,左三跨豎向滿布雙向填充墻；模型10(M10)為上邊跨無(wú)填充墻,下邊跨豎向滿布雙向填充墻。M2～M10上部結(jié)構(gòu)均考慮非線性計(jì)算。

2 填充墻不均勻布置對(duì)動(dòng)力特性影響

對(duì)以上10個(gè)模型分別計(jì)算隔震結(jié)構(gòu)及相應(yīng)非隔震結(jié)構(gòu)模型的周期,結(jié)果如圖4所示。其中,縱軸為具有不同布置方式的填充墻框架隔震結(jié)構(gòu)(或非隔震結(jié)構(gòu))周期T與相應(yīng)純框架結(jié)構(gòu)周期T0的比值,即M2～M10隔震(或非隔震)模型周期與M1隔震(或非隔震)模型周期的比值。可得以下結(jié)果。

(1)無(wú)論是隔震還是非隔震結(jié)構(gòu),與M1模型相比,考慮填充墻影響后周期比均小于1,即周期均變小了,說(shuō)明填充墻的剛度增大效應(yīng)比較明顯，M3～M6模型與M7～M10模型的周期影響差別不十分明顯。

(2)對(duì)于隔震結(jié)構(gòu),填充墻不同布置方式對(duì)前2階平動(dòng)周期的影響不明顯,但對(duì)第3階扭轉(zhuǎn)周期有影響,對(duì)4階以上高階振型的周期影響更為明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是:前2階反映的是隔震結(jié)構(gòu)體系整體平動(dòng)特性,主要取決于隔震層橡膠支座的特性,而從第3階開(kāi)始后的各階振動(dòng)主要反映了上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,此時(shí)填充墻的作用就突顯出來(lái)。

(3)對(duì)于非隔震結(jié)構(gòu),考慮填充墻的不同布置方式對(duì)第1階平動(dòng)周期的影響不明顯,從第2周期開(kāi)始,填充墻不同布置方式的影響作用逐漸顯著,尤其是對(duì)高階振型影響更為顯著。

圖4 RC框架結(jié)構(gòu)不同布置方式結(jié)構(gòu)模型周期Fig.4 The period of the RC frame structures with adifferent arrangement of infilled wall

3 純框架和滿布填充墻隔震與非隔震對(duì)比

為研究考慮填充墻與否對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響,首先對(duì)不考慮填充墻的純框架結(jié)構(gòu)M1、滿布填充墻隔震模型M2及相應(yīng)非隔震結(jié)構(gòu)的層間位移角、層剪力等進(jìn)行對(duì)比分析,輸入地震波為EL-Centro、TAFT和WAVE,加速度峰值為0.2g。

3.1 滿布填充墻和純框架結(jié)構(gòu)層間位移角

在3種地震波作用下,M1和M2非隔震結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角如圖5所示。可見(jiàn),對(duì)于非隔震結(jié)構(gòu),隨著樓層的升高,考慮和不考慮填充墻時(shí)層間位移角均逐漸減小,且二者計(jì)算結(jié)果大多近似,但在TAFT和WAVE波Y向作用下,M1模型層間位移角明顯大于M2,說(shuō)明填充墻分擔(dān)了地震作用,均勻布置填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利。此時(shí)對(duì)于傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì),采用目前的純框架計(jì)算方法得到的層間位移角偏大,設(shè)計(jì)偏于保守。

在3種地震波X向作用下,M1和M2隔震結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角如圖6所示,Y向類似,不再贅述。可見(jiàn),對(duì)于隔震結(jié)構(gòu),M1層間位移角總體上大于M2模型,說(shuō)明填充墻導(dǎo)致剛度增大,分擔(dān)了地震剪力,現(xiàn)有采用純框架進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的方法得到的層間位移角偏大。

在3種地震波X向作用下,M2和相應(yīng)非隔震結(jié)構(gòu)各層的最大層間位移角如圖7所示,Y向類似,不再贅述。可見(jiàn),樓層升高,隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層間位移角均逐漸減小,大體呈線性變化,說(shuō)明均勻滿布填充墻時(shí),結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯薄弱層,樓層剛度分布均勻,無(wú)剛度突變。結(jié)構(gòu)最大層間位移角均發(fā)生在底層,但隔震結(jié)構(gòu)層間位移角遠(yuǎn)小于非隔震結(jié)構(gòu),說(shuō)明隔震起到了明顯的降低地震響應(yīng)的作用。

圖5 滿布填充墻和純框架非隔震結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.5 Story drift ratios of non-isolated structures with and without infilled wall

圖6 不考慮填充墻和滿布填充墻隔震結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.6 Story drift ratios of isolated structures with or without infilled wall

圖7 滿布填充墻隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.7 Story drift ratios for isolated structures with full infilled wall and corresponding non-isolated structures

3.2 滿布填充墻和純框架結(jié)構(gòu)減震系數(shù)

為了弄清填充墻均勻滿布M2和不考慮填充墻純框架結(jié)構(gòu)M1隔震效果的差異,分別計(jì)算兩種模型在3條地震波設(shè)防烈度下的最大層剪力及層彎矩,進(jìn)而得到各層隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層剪力比和層彎矩比最大值(圖8)。

圖8 均勻滿布和不考慮填充墻結(jié)構(gòu)剪力比和彎矩比Fig.8 Shear force ratios and bending moment ratios for isolated structures with or without full infilled wall

由圖8及計(jì)算結(jié)果可知，M1模型層剪力比和層彎矩比小于M2模型；M1模型X、Y方向?qū)蛹袅Ρ茸畲笾捣謩e是0.38、0.34,彎矩比最大值分別為0.32、0.34；M2模型X、Y方向?qū)蛹袅Ρ茸畲笾稻?.45,彎矩比最大值分別為0.37、0.35。根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,M1模型減震系數(shù)為0.38,上部結(jié)構(gòu)可降低一度進(jìn)行設(shè)計(jì)；M2模型減震系數(shù)為0.45,上部結(jié)構(gòu)可降低半度；換言之,按目前純框架模型計(jì)算得到的減震系數(shù)小于滿布填充墻的結(jié)果,說(shuō)明現(xiàn)有隔震設(shè)計(jì)方法中不考慮填充墻的影響,對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是偏于不安全的。

3.3 滿布填充墻和純框架結(jié)構(gòu)頂層加速度

在EL-Centro地震波作用下,M1和M2隔震與非隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度時(shí)程響應(yīng)如圖9所示,其他地震波作用下響應(yīng)與此類似,不再贅述。

圖9 滿布和純框架非隔震與隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度Fig.9 The top acceleration of non-isolated and isolated structures with or without infilled wall

由圖9可知,非隔震結(jié)構(gòu)M2模型頂層加速度明顯小于M1,說(shuō)明布置填充墻后頂層加速度減小,帶有填充墻的真實(shí)結(jié)構(gòu)若不考慮填充墻的影響會(huì)夸大其實(shí)際加速度反應(yīng),結(jié)構(gòu)偏于保守；但隔震結(jié)構(gòu)是否考慮填充墻對(duì)頂層加速度的影響不明顯,大體趨勢(shì)是不考慮填充墻影響的頂層加速度略微大于滿布填充墻隔震結(jié)構(gòu),說(shuō)明是否考慮填充墻對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響不顯著。

3.4 滿布填充墻和純框架隔震層位移

在EL-Centro地震波作用下,M1和M2隔震結(jié)構(gòu)隔震層位移時(shí)程對(duì)比如圖10所示。

圖10 滿布填充墻和不考慮填充墻隔震結(jié)構(gòu)隔震層位移Fig.10 The displacement of the isolated layer for isolated structures with or without infilled wall

可見(jiàn),在3條地震波作用下,M1與M2隔震結(jié)構(gòu)在X、Y兩個(gè)方向隔震層位移相差不明顯,說(shuō)明考慮填充墻對(duì)隔震結(jié)構(gòu)下部隔震層地震影響并不顯著,填充墻的存在主要影響隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。

4 填充墻豎向不均勻?qū)Ω粽鸾Y(jié)構(gòu)影響

考慮6種填充墻豎向布置不均勻方式對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響,輸入地震加速度峰值為0.4g。

4.1 層間位移角

在3條地震波作用下分別計(jì)算M1～M6六種隔震模型的最大層間位移角,如圖11所示。

圖11 豎向布置不均勻隔震結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.11 Story drift ratios of isolated structures with non-uniform infilled wall along vertical direction

可見(jiàn),隨著樓層的遞增,層間位移角逐漸變小；M1比其他模型層間位移角都大,說(shuō)明填充墻的布置加大了隔震體系上部結(jié)構(gòu)的剛度,減小了層間位移角；M3～M6模型在未布置填充墻的樓層處層間位移角明顯變大,尤其是M3模型下部?jī)蓪記](méi)有布置填充墻而導(dǎo)致層間位移角急劇加大,甚至引起相鄰樓層層間位移角變大,具有底部和中部薄弱層的M6模型也類似。而對(duì)具有頂部薄弱層的M4、中間薄弱層的M5模型均有不同程度的影響,變化趨勢(shì)與M2模型類似,但沒(méi)有M3、M6模型突變劇烈。說(shuō)明對(duì)于隔震結(jié)構(gòu),靠近隔震層的上部樓層是否布置填充墻對(duì)層間位移角的影響巨大,而對(duì)其他各層影響較小。

4.2 層剪力和層彎矩

在3條地震波作用下M1～M6六種模型的最大層剪力和層彎矩分別如圖12、圖13所示。

由圖12可知,M1模型層剪力均小于其他模型,說(shuō)明填充墻的加入使得隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下分擔(dān)的層剪力變大,考慮填充墻的布置很有必要；填充墻均勻滿布(M2)時(shí),樓層層間剪力隨樓層升高逐漸變小,但填充墻豎向不均勻的其他模型層剪力會(huì)在未布置填充墻的樓層處產(chǎn)生較大突變,甚至還會(huì)引起相鄰樓層層剪力變大,說(shuō)明填充墻加大了結(jié)構(gòu)的剛度,未布置填充墻的樓層變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)薄弱層；M3、M5、M6模型在下部層剪力突變均較為顯著,說(shuō)明未布填充墻的樓層越靠近隔震層,對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響越大,剛度突變也更為明顯；M4模型層剪力隨樓層幾乎呈線性變化,說(shuō)明未布填充墻的樓層越靠上對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響越小,即上部結(jié)構(gòu)剛度突變對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能影響不大；總體來(lái)看,不同填充墻布置方式對(duì)X向剪力的影響大于Y向。

圖12 豎向不均勻隔震結(jié)構(gòu)層剪力Fig.12 Story shear force of isolated structures with non-uniform infilled wall along vertical direction

圖13 豎向布置不均勻隔震結(jié)構(gòu)層彎矩包絡(luò)Fig.13 Story bending moment of isolated structures with non-uniform infilled wall along vertical direction

由圖13可知,填充墻豎向不同布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)各樓層彎矩總體上影響不大；M1模型層彎矩均小于其他模型,說(shuō)明填充墻增大了結(jié)構(gòu)在地震作用下的層彎矩,考慮填充墻的影響很有必要；M3模型層彎矩最大,即下部樓層未布?jí)?duì)結(jié)構(gòu)層彎矩影響最大；M4模型層彎矩隨樓層幾乎呈線性變化,說(shuō)明未布置填充墻的樓層越靠上對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響越小。

4.3 頂層加速度和隔震層位移

在3條地震波作用下M1～M6模型在X、Y兩個(gè)方向上產(chǎn)生的頂層加速度最大值和隔震層位移最大值如表1、表2所示。

表1 填充墻豎向不均勻隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度最大值Table 1 Maximum acceleration of top layer for isolated structures with non-uniform infilled wall along vertical direction

可見(jiàn),與均布填充墻的M2模型相比,M3～M6模型在兩個(gè)方向上產(chǎn)生的頂層加速度、隔震層位移變化不大,呈總體上略有放大的趨勢(shì),說(shuō)明M3～M6模型的反應(yīng)較大,對(duì)于結(jié)構(gòu)整體抗震較為不利,但影響相對(duì)較小。

表2 填充墻豎向不均勻隔震結(jié)構(gòu)隔震層位移最大值Table 2 Maximum displacement of isolated layer for isolated structures with non-uniform infilled wall along vertical direction

5 填充墻水平向不均勻?qū)Ω粽鸾Y(jié)構(gòu)的影響

考慮填充墻水平向布置不均勻?qū)Ω粽鸾Y(jié)構(gòu)的影響,重點(diǎn)對(duì)比M1、M2、M7～M10六種布置方式,加速度峰值為0.4g。

5.1 層間位移角

在3條地震波作用下6種隔震模型的最大層間位移角如圖14所示。

圖14 水平向布置不均勻隔震結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.14 Story drift ratios of isolated structures with non-uniform infilled wall along horizontal direction

可見(jiàn),不同填充墻布置方式層間位移角不同,但M1模型層間位移角最大,說(shuō)明填充墻的影響比較大,純框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法夸大了真實(shí)的層間位移角；結(jié)構(gòu)在X方向(M8)或Y方向(M7)水平向未布置填充墻時(shí),層間位移角差別較大,而單邊不均勻布置方式(M9及M10)差別相對(duì)較小,說(shuō)明僅改變一個(gè)方向填充墻布置對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗震性能影響最大。

5.2 層剪力和層彎矩

在3條地震波作用下六種隔震模型的最大層剪力和層彎矩分別如圖15、圖16所示。

圖15 水平向布置不均勻隔震結(jié)構(gòu)層間剪力Fig.15 Story shear force of isolated structures with non-uniform infilled wall along horizontal direction

圖16 水平向布置不均勻隔震結(jié)構(gòu)層間彎矩Fig.16 Story bending moment of isolated structures with non-uniform infilled wall along horizontal direction

由圖15可知,M1模型層剪力均小于水平向布置了填充墻的模型,說(shuō)明不考慮水平向填充墻的影響會(huì)使隔震結(jié)構(gòu)層剪力計(jì)算結(jié)果偏小；在未布置填充墻的水平X或Y向,層剪力發(fā)生較大突變,但總體變化不大。

由圖16可知,水平向填充墻布置方式變化,層彎矩總體變化不大；M1模型層彎矩大多小于布置了填充墻的其他模型；M7模型由于Y向未布置填充墻,造成隔震結(jié)構(gòu)層彎矩突變較大,未布填充墻的框架部分成為隔震結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

5.3 頂層加速度和隔震層位移

在3條地震波作用下6種結(jié)構(gòu)模型頂層加速度最大值和隔震層位移最大值如表3、表4所示。

表3 填充墻水平向不均勻隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度最大值Table 3 Maximum acceleration of top layer for isolated structures with non-uniform infilled wall along horizontal direction

可見(jiàn),與M2模型相比,平面不均勻布置填充墻的M7～M10模型在兩個(gè)方向上的頂層加速度、隔震層位移大體呈放大的趨勢(shì),說(shuō)明剛度分布不均勻?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)整體抗震較為不利；總體看,填充墻水平布置方式對(duì)隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度的影響相對(duì)較大,而對(duì)隔震層位移影響相對(duì)較小。

表4 填充墻水平向不均勻結(jié)構(gòu)隔震層位移最大值Table 4 Maximum displacement of isolated layer for isolated structures with non-uniform infilled wall along horizontal direction

6 填充墻不同布置方式對(duì)隔震效果的影響

在現(xiàn)行規(guī)范中,采用分部設(shè)計(jì)法利用水平向減震系數(shù)來(lái)計(jì)算隔震層上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用,進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算及配筋。而減震系數(shù)通常可通過(guò)計(jì)算上部結(jié)構(gòu)各層隔震后與隔震前的層間剪力和層間彎矩最大值的比值,取二者最大值來(lái)綜合確定。填充墻平、立面不均勻布置的10個(gè)模型對(duì)應(yīng)的層間剪力及層間彎矩最大值的比值結(jié)果見(jiàn)圖17。

圖17 不同填充墻布置方式層剪力及層彎矩比Fig.17 Shear force ratios and bending moment ratios for isolated structures with different infilled wall

由圖17及計(jì)算結(jié)果可知,M1～M6模型減震系數(shù)依次為0.39、0.45、0.61、0.64、0.69、0.68,即填充墻豎向布置越不均勻,減震系數(shù)越大,說(shuō)明填充墻豎向布置越不均勻,減震效果越差；M5模型減震系數(shù)最大,即結(jié)構(gòu)中間層未布置填充墻使結(jié)構(gòu)在中間層形成薄弱層,不利于隔震效果的發(fā)揮。M7～M10模型減震系數(shù)依次為0.63、0.60、0.61、0.60,即填充墻水平向布置不均勻也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)減震系數(shù)增大,但減震系數(shù)基本保持在0.6左右。其中,M7模型減震系數(shù)值最大,即只在X向布置填充墻的結(jié)構(gòu)減震效果最差。但總體來(lái)看,填充墻水平向布置不均勻比豎向不均勻結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)小。

在所有模型中,M1減震系數(shù)最小,減震效果最好,上部結(jié)構(gòu)地震作用折減得最多,說(shuō)明按現(xiàn)有忽略填充墻的隔震設(shè)計(jì)方法,實(shí)際上夸大了減震效果,若按照偏小的減震系數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算地震作用,可能會(huì)使上部結(jié)構(gòu)地震作用偏小、配筋偏小,偏于不安全。此外,M2模型減震系數(shù)也小于填充墻水平及豎向布置不均勻的結(jié)構(gòu),說(shuō)明填充墻布置不均勻非常不利于結(jié)構(gòu)的抗震。

7 結(jié)論

基于Perform-3D程序分析了填充墻平、立面不同布置方式對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響,分析了10個(gè)模型的地震反應(yīng),得到了填充墻不同布置方式對(duì)RC框架隔震體系的影響規(guī)律,主要結(jié)論如下。

(1)無(wú)論是隔震結(jié)構(gòu)還是非隔震結(jié)構(gòu),考慮填充墻的不同布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)前3階周期影響都不明顯,但對(duì)高階振型的周期影響更為明顯。

(2)隔震和非隔震結(jié)構(gòu)考慮均勻滿布填充墻后,其層間位移角、頂層加速度都比不考慮填充墻的純框架結(jié)構(gòu)要小,而層剪力和層彎矩則稍大,隔震層最大位移變化不明顯。從純框架到滿布填充墻,隔震結(jié)構(gòu)減震系數(shù)由0.39變成0.45,說(shuō)明根據(jù)現(xiàn)有純框架隔震設(shè)計(jì)方法得到的減震系數(shù)進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的地震作用計(jì)算時(shí),會(huì)使結(jié)果偏小,結(jié)構(gòu)偏于不安全,隔震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮填充墻的影響。

(3)填充墻豎向不均勻的隔震結(jié)構(gòu),容易在未布置填充墻的樓層發(fā)生剛度突變,靠近隔震層的下部樓層變形尤為明顯,在強(qiáng)地震作用下,容易發(fā)生破壞,因此建議在隔震層以上1～3層結(jié)構(gòu)均要布置填充墻。

從減震系數(shù)角度看,填充墻豎向布置越不均勻,減震系數(shù)越大,減震效果越差,說(shuō)明填充墻布置越不均勻,上部結(jié)構(gòu)的抗震性能越差,而按照現(xiàn)有方法得到的減震系數(shù)夸大了上部結(jié)構(gòu)的減震效果,按照此減震系數(shù)設(shè)計(jì)的上部結(jié)構(gòu)會(huì)偏于不安全。

(4)填充墻水平不均勻的隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的變化規(guī)律與均勻滿布填充墻類似,層間位移角、頂層加速度比純框架小,而層剪力和層彎矩稍大,隔震層最大位移變化不明顯,X或Y向未布置填充墻時(shí)變形突變較明顯。

從減震系數(shù)角度看,填充墻平面布置不均勻,減震系數(shù)大體在0.6左右,說(shuō)明減震效果不理想。

綜上所述,無(wú)論哪種填充墻布置方式,都會(huì)影響到隔震結(jié)構(gòu)的整體剛度和強(qiáng)度,進(jìn)而影響其抗震性能,考慮填充墻的布置是很有必要的,而現(xiàn)有的簡(jiǎn)化處理填充墻計(jì)算得到減震系數(shù)的方法會(huì)使上部結(jié)構(gòu)偏于不安全。