砌體填充墻對RC 框架結構影響的研究

金煥，于松

（廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000）

1 引言

砌體填充墻是RC 框架結構中不可缺少的結構構件，具有使框架結構滿足絕熱、隔聲、圍護及分隔等建筑功能要求。在結構設計過程中，RC 框架結構通常按純框架進行設計，填充墻作為非結構構件，其自重通過梁間荷載的方式施加到梁板上，其對結構剛度的影響引入周期折減系數，整個設計過程不考慮填充墻與RC 框架梁柱的相互作用。通過實際震害及大量研究表明【1，2】，填充墻與 RC 框架間存在復雜的相互作用，容易引起框架結構超出預期的破壞機制，甚至倒塌，故僅考慮周期折減系數遠遠不夠。

2 國外研究現狀

自20 世紀50 年代，國內外學者針對填充墻對 RC 框架結構的影響開展了一系列的研究工作，歷經從單層到多層、從單跨到多跨、從平面到空間、從縮尺到足尺、從靜力到動力、從試驗到數值模擬等。

國外的研究開展較早，進行了大量的填充墻RC 框架結構的靜力及動力試驗研究，分析了砌體填充墻對RC 框架結構的強度、剛度、耗能及破壞機制等抗震性能的影響。通過研究表明，填充墻與框架間存在復雜的相互作用，填充墻的存在可以改變結構的受力機制，平面內水平承載力并非填充墻與純框架 2 部分的簡單疊加。其中，Mehrabi【3】等進行了 14 個 1/2 縮尺的單層單跨RC 框架單元的水平加載試驗，考慮了空心砌塊和實心磚2 種砌筑材料，研究各種參數對結構抗震性能的影響，得出填充墻顯著提高RC 框架結構的強度、剛度的結論，并總結出填充墻框架結構的3 種破壞機制。Stavridis【4】進行了大比例模型的低周反復和振動臺試驗，考慮填充墻材料及開洞的影響，提出了非線性有限元分析方法和簡化評估工具。

3 國內研究現狀

我國對填充墻RC 框架結構的研究，始于20 世紀80 年代，從黏土磚填充墻對框架結構的影響研究，到砌塊填充墻RC 框架結構的研究，主要側重于填充墻的材料、布置及開洞對框架結構的強度、剛度、耗能等抗震性能指標的影響。其中，李建輝、薛彥濤等【5】等進行了10 個足尺蒸壓加氣混凝土砌塊填充墻RC 框架模型在低周反復荷載下的抗震性能試驗，探討墻體與框架連接構造、墻體本身構造措施等因素對框架整體抗震特性的影響。黃思凝和郭迅【6】進行了輕質填充墻框架結構抗震性能的振動臺試驗研究，研究了填充墻對結構頻率衰減、剛度退化情況及層間位移角、各層放大倍數變化規律，并分析了填充墻和框架協同工作的過程。林超、郭子雄【7】進行了足尺砌體填充墻框架結構的抗震性能試驗研究，對比了不同砌筑材料的影響，并提出了砌體填充墻框架結構不同抗震性能水平的層間位移角限值。

在試驗研究的基礎上，學者們對評估填充墻RC 框架結構抗震性能的方法進行了諸多研究，Polyakov（1956）首先提出了等效斜壓桿模型簡化分析方法，并進一步提出經典等效對角斜撐模型，該模型能較好地反映填充墻與框架之間的相互作用，在以后的研究過程中，大量學者開展了對此模型的研究，并為填充墻RC 框架結構的研究奠定了基礎。斜壓桿模型被廣泛地應用，然而，該模型不能準確評估填充墻框架結構的破壞機制。目前，能體現結構破壞機制的最強大的分析方法是非線性有限元方法，包括宏觀和微觀有限元模型，Lourenco【8】、Al-Chaar 和Mehrabi【9】等采用連續化的宏觀模型，用界面單元模擬磚和砂漿的接觸面的開裂和破壞，成功地實現了填充墻框架結構的非線性性能的評估。

基于國外的填充墻簡化計算模型和有限元分析方法，我國也開展了較多研究和應用，孔 璟常等【10】建立一種能夠較好地模擬其平面內抗震性能的分離式有限元模型，有效地模擬出砌體填充墻的開裂模式和框架結構的失效模式。金煥【11】進行了典型雙跨填充墻RC 框架單元擬靜力試驗，并提出了砌體填充墻微觀有限元模型，定量研究了填充墻對RC 框架結構破壞機制的影響規律。孟慶利【12】提出考慮平面內和平面外相互作用的改進填充墻模型，并基于OpenSees 有限元軟件，進行罕遇地震作用下純框架和填充墻框架三維非線性數值模擬，深入研究了填充墻在框架填充墻結構中的作用及原因分析。賈明明、呂大剛【13】結合彌散裂縫和離散裂縫模型，建立了砌體填充墻RC 框架的精細化微觀有限元模型，研究了填充墻與RC 框架的相互作用機制，以及填充墻RC 框架的失效模式和抗震性能。

4 規范規定

在地震過程中，填充墻的存在對框架結構具有顯著的影響，各國結構設計規范不同程度地考慮填充墻的作用，但普遍將填充墻作為非結構構件進行設計。

4.1 國內規范

JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》規定，計算各振型地震影響系數所采用的結構自振周期應考慮非承重墻體的剛度影響予以折減，當非承重墻體為砌體墻時，框架結構的周期折減系數可取0.6～0.7。

GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》規定，框架結構的圍護墻和隔墻，應估計其設置對結構抗震的不利影響，避免不合理設置而導致主體結構的破壞；砌體填充墻的布置應避免使結構形成強度和剛度分布上的突變，當圍護墻非對稱均勻布置時，應考慮質量和剛度的差異對主體結構抗震不利的影響；填充墻在平面和豎向的布置宜均勻對稱，宜避免形成薄弱層或短柱；填充墻與框架間盡量采用柔性連接或彼此脫離開，盡量采取措施減少對主體結構的不利影響。

綜上，我國規范設計中忽視填充墻的作用，按照純框架結構進行設計計算，抗震驗算時通過引入周期折減系數來考慮填充墻對RC 框架結構整體剛度的影響。

4.2 國外規范

在RC 框架結構動力分析中，砌體填充墻的質量和剛度的影響是不容忽視的，國外一些規范提出了填充墻框架結構的自振周期的經驗公式，來考慮填充墻的剛度影響，如希臘（1988）和法國（1990）的規范。歐洲（2003）、哥斯達黎加（1986）及以色列等規范提出采用更精確的自振周期計算公式，考慮了填充墻的豎向和水平的布置影響，對填充墻的不規則布置引起的薄弱層做了詳細的規定。

砌體填充墻不但影響結構的剛度，同時，對結構的強度也存在不可忽視的作用。研究表明，填充墻與RC 框架的相對強度直接影響結構的破壞模式，填充墻的斜壓桿作用容易造成框架柱的剪切破壞。因此，國外一些規范采用填充墻斜撐桿簡化計算模型，考慮了不同砌體填充墻承擔的地震剪力，如Eurocode8（2003）和FEMA-306 規范，提出應該考慮填充墻與周邊框架相互作用，通過斜壓桿計算填充墻對柱內力的影響，斜壓桿寬度考慮了填充墻的尺寸及開洞等方面的影響。

5 結語

通過上述已有研究和規范分析可見，國內外關于砌體填充墻對框架結構的影響開展了大量的研究工作，取得了許多有價值的成果，填充墻對RC 框架結構的影響不容置疑，也不容忽視，研究尚存在一些問題和不足。

1）目前，填充墻對結構影響的研究側重于相關抗震指標方面，如強度、剛度等，對受力性能和破壞機制的研究已開展但尚不深入，尤其缺少包括不同砌筑材料、開洞情況、跨間尺寸及墻-框連接方法等全面的、系統的定量研究。

2）開展砌體填充墻的定量研究，關鍵是建立有效可行的計算模型，既要實現計算，又要反映受力性能，目前尚未實現砌體填充墻計算模型的突破。

3）我國規范僅從整體上考慮了砌體填充墻對RC 框架結構有利的貢獻，對于如何避免填充墻的不利影響做了定性的規定，但并未給出具體的、可實施的措施。