浅谈填充墙对框架结构抗震性能的影响_魏文杰

2 填充墙对框架梁柱等结构构件的影响
2. 1 填充墙对框架柱的影响 框架填充墙作为一种组合结构体系，在地震初期，结
构变形较小，框架和填充墙共同承担水平地震剪力。然而 填充墙作为脆性材料，抗拉强度低，在地震作用下首先出 现裂缝，造成刚度退化，而此时框架仍处于弹性阶段。随 着层间变形的增加，填充墙的刚度逐步减小，填充墙和框 架的刚度比值随之不断发生变化，从而使结构承担的地震 剪力在填充墙和框架之间产生较大内力重分布。尽管此时 房屋总的地震作用因整体刚度的下降而有所减小，但框架 柱仍将比地震作用初期分担更多的地震剪力。在实际工程 设计中，一般把计算所得的全部层间地震剪力按照框架柱 的层间侧移刚度在所有框架柱间进行分配，而不考虑填充 墙分担的地震剪力。这种把地震剪力全部由框架柱承担的 设计计算方法似乎偏于安全，而实际上，由于填充墙在楼 层平面布置的不均匀性，将造成部分填充墙刚度效应明显 的框架柱的设计地震剪力偏小，从而使结构存在安全隐患。
图 9 梁下两端填充墙使中间梁段成为短梁 图 10 门洞上方短梁剪切破坏
图 13 外墙刚度不同导致结构 扭转效应严重
图 14 结构扭转致使角柱 发生严重破坏
4 如何减小填充墙对框架结构抗震性能的不利影 响
综上所述，填充墙和框架是两种性质不同的材料，但 是在地震的过程中又相互作用相互影响。仅仅把填充墙作 为荷载考虑不能够真实地反映填充墙在地震中发挥的作用， 填充墙对框架结构的影响比较复杂。填充墙需要引起设计 人员的足够重视，建筑专业的配合，并且施工时保证填充 墙这类非结构构件的施工质量。这样才有可能把填充墙对 框架的不利影响削弱，减小地震时的损失。
图 11 底层柱上下两端均 形成柱铰
图 12 底层柱位移过大 使整体结构倾斜
3. 2 加大结构扭转效应
同样因为建筑使用功能要求，很容易出现填充墙在平 面内没有均匀对称布置的情况。比如同一个建筑一侧外墙 有高窗而相对的另一侧外墙基本为实体墙； 或者两侧相对 的外墙均为窗户，但开窗位置及大小均有很大差异。由于 这些填充墙体的不规则布置，都会造成结构的刚度和质量 的分布不均，地震时整体结构的质心和刚心很难做到重合 或者接近，加大了地震时结构的扭转效应，使结构周边特 别是结构的角柱发生严重破坏如图 13 ～ 14 所示。
析中的应用［J］． 震灾防御技术，2010 ，5（ 1） ： 108 － 115． ［4］ 王伟． 复杂高层建筑结构动力弹塑性分析方法及其应用［J］．
建筑结构，2012，42（ S2） ： 158 － 160．
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图 8 填充墙对框架柱产生斜压作用示意图
2. 2 填充墙对框架梁的影响 实际工程中填充墙通常直接砌筑在框架梁上，发生地
震时填充墙与框架梁共同受力，很大程度减少了框架梁的 弯曲变形，增大框架梁的刚度和承载力。此外，同一跨梁 两端范围内布有填充墙而中间形成了门洞，有填充墙位置 的框架梁段变形受到约束，中间门洞上方的梁段因此极易 形成短梁，地震时发生剪切破坏。如图 9 ～ 10 所示。
Vol.41，No.2 April，2015
Sichuan Building Materials
第 41 卷 第 2 期 2015 年 4 月
浅谈填充墙对框架结构抗震性能的影响
魏文杰
（ 中国建筑西南设计研究院，四川 成都 610032）
摘 要： 汶川地震中，大量框架结构发生破坏甚至倒
塌，其中填充墙这类非结构构件对其抗震性能产生了不小
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图 2 框架柱之间填充墙的 交叉裂缝 （ 2）
图 3 框架梁与过梁之间填充 图 4 框架柱与门边框之间填充
墙的交叉裂缝
墙的交叉裂缝
作者简介： 魏文杰（ 1984 － ） ，女，黑龙江密山人，硕士研究生，助理工 程师，主要从事结构设计工作。
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图 5 填充墙使窗间柱成为短柱
填充墙对框架梁柱破坏形态的影响，除了形成短柱外， 由于填充墙与框架的相互作用，填充墙还会对框架梁柱产 生附加的内力，而导致一些特殊的破坏形态。图 6 ～ 8 所 示： 框架在水平地震作用下发生侧向变形时，填充墙将对 一侧框架柱产生斜向的压力，即类似于斜压杆的作用，因 而会加大斜裂缝和梁底之间一段柱所承受的地震剪力，从 而导致图 7 所示的剪切破坏形态，在水平地震作用下单层 单跨框架和填充墙的相互作用情况如图 8 所示。而且填充 墙也会将一部分剪力传递给柱。这样就增加了柱破坏的可 能性，若在设计时候未加考虑，则框架柱会出现局部破坏。
本文阐述了动力弹塑性分析法的基本原理及主要实现 过程，通过弹塑性动力时程分析的不断发展，设计人员可 以对超高层建筑有更加深刻的认识，从而为超高层结构的 抗震性能化设计提供更加具体的设计依据。 ［ID： 001673］
参 考 文 献：
［1］ GB 50011 － 2010 建筑抗震设计规范［S］. ［2］ JGJ3 － 2010 高层建筑混凝土结构技术规程［S］． ［3］ 阎红霞，杨庆山，张丽英． ABAQUS 在超高层结构动力弹塑性分
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虑，另一种是将填充墙和框架结构彻底脱开。
1） 将填充墙作为框架结构的一部分时，应充分考虑在
地震初期填充墙和框架的共同作用和对框架的影响。但基
于框架和填充墙本身属于不同材料，如何量化填充墙在地
震初期的 参 与 作 用 还 比 较 复 杂，有 待 于 进 步 一 研 究 探 讨。
在目前的结构设计中，应尽量做到： ①在建筑定案时尽早
分填充墙以形成大空间，因此结构由于填充墙竖向布置不 均匀发生刚度突变，产生薄弱层。而在地震作用时，薄弱 层的破坏往往极为严重。汶川地震显示，当底层没有布置 填充墙或 者 填 充 墙 较 少，即 薄 弱 层 出 现 在 结 构 的 底 层 时， 底层柱上下端都极易形成柱铰，底层位移明显大于上部其 他楼层。个别底部没有填充墙的框架结构，很可能由于底 层柱位移过大而失去承载能力，甚至造成整体结构倾斜或 倒塌。图 11 ～ 12 为底层填充墙布置较少的框架结构震害。
4 结束语
根据以上分析，可得出如下结论： 1） 结构完成 30 s 动力弹塑性分析后，结构 8 ～ 10 层位 （ 刚桁架所在楼层） 移角显然大于其他楼层，在考虑重力二 阶效应和大变形的情况下，连体结构的 X 方向最大层间位 移角为 0. 008 2，位于第 8 层，Y 方向最大层 间 位 移 角 为 0. 007 97，位于第 10 层，均小于《高规》第 3. 7. 5 条结构薄 弱层的层间弹塑性位移角上限值 1 /100 的要求。因此结构 满足“大震不倒”的设防要求； 2） 核心筒中部受拉损伤较为严重，表明其混凝土开裂 角严重，是因为 8 ～ 10 层悬挑结构导致结构刚度变化较大 所致。核心筒底部存在一定程度的受压损伤破坏 ，但未见
文献标志码： B
文章编号： 1672 － 4011（ 2015） 02 － 0046 － 03
DOI： 10． 3969 / j． issn． 1672 － 4011． 2015． 02． 023
1 填充墙自身的破坏
框架结构中，通常采用砖砌体填充墙来分隔房间。在 水平地震初期，填充墙与框架是共同工作的，一方面墙体 受到框架的约束，另一方面框架受到填充墙的支撑。因为 填充墙的支撑作用，使结构的早期刚度大为增加。从整个 结构来看，填充墙框架吸引了较大的地震作用，而砖填充 墙的抗剪强度又较低，故在地震时填充墙的破坏较早也较 严重。试验表明，当结构的层间位移角达 0. 2‰时，墙面即 出现初裂，在 地 震 的 反 复 作 用 下， 在 墙 面 形 成 交 叉 裂 缝。 除此以外，在填充墙和框架梁交界界面上出现水平裂缝的 情况也较为普遍； 当填充墙与框架梁柱缺少连接或连接很 弱时，填充墙还可能发生平面外倒塌。填充墙的裂缝虽然 不是结构本身的破坏，但对于结构的使用功能和用户的心 理都会产生一定的影响。裂缝产生情况见图 1 ～ 4。
图 18 填充墙和框架彻底分开
2） 将填充墙和框架彻底脱开，可考虑在填充墙和框架 之间设置足够的变形空间，满足地震时填充墙的位移要求。 这种做法在国外已有使用，我们尚需进一步研究和应用到 实践中来。
［ID： 001908］
的考虑。填充墙与各构件关系如图 16 ～ 18 所示。
参 考 文 献：
［1］ 叶列平，曲哲，马千里，林旭川，陆新征，潘鹏． 从汶川地震中框 架结构震害谈“强 柱 弱 梁”屈 服 机 制 的 实 现［J］． 建 筑 结 构， 2008，38（ 11） ： 52 － 59．
减小填充墙对框架结构抗震性能的影响，目前ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ要思 路有两种。一种是将填充墙作为框架结构的一部分进行考
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Vol.41，No.2 April，2015
Sichuan Building Materials
第 41 卷 第 2 期 2015 年 4 月
a． 受拉损伤
b． 受压损伤
图 7 连体结构中框架柱损伤因子计算结果
大范围刚度退化； 3） 结构层间位移角在 8 ～ 10 层存在较大突变，表明悬
挑层导致的刚度突变显著加大楼层位移角； 4） 剪力墙连梁拉、压损伤破坏严重而与其相连剪力墙
却破坏轻微，表明： 连梁耗能作用明显，能很好地保护与 其相连的剪力墙；
5） 底部框架柱及顶部框架梁、柱存在较大损伤破坏。 顶部框架存在柱截面变化导致顶层刚度突变，导致其破坏 严重。
［2］ 王旋，李碧雄，王哲，薛永亮． 汶川地震中填充墙钢筋混凝土框 架结构抗震性能思考［J］． 工业建筑，2009，46（ 1） ： 25．
［3］ 苗凤． 填充墙对钢筋混凝土框架结构动力性能的影响［D］． 长 沙： 湖南大学，2006．
图 16 填充墙与周边框架连接良好 图 17 底层框架设置钢支撑
另一方面汶川地震表明，填充墙特别是窗下填充墙形 成的短柱造成柱破坏极为严重。图 5 显示，两个窗子之间 的柱子，上下两部分被填充墙体约束变形很小，而中间段 由于窗户的约束很小，计算长度由原有的层高变为了填充 墙之间的窗高，因而形成短柱，地震作用下产生严重的脆 性破坏。
图 1 框架柱之间填充墙的 交叉裂缝 （ 1）
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Vol.41，No.2 April，2015
如图 9 ～ 10 所示。
图 6 窗户之间形成的短柱破坏 图 7 填充墙一侧框架柱顶部的破坏
3 填充墙布置不当对整体结构的影响
3. 1 形成薄弱层 由于建筑商业或其他功能要求，经常在某一层减少部
的影响。通常进行抗震设计时，用周期折减的方式近似地
考虑填充墙对框架结构地震力的增大作用。而事实上，填
充墙的布置不仅会对梁柱等结构构件产生一定的影响，不
合理的填充墙布置还会引发整体结构的扭转或产生薄弱层。
可见在框架结构的设计中，对填充墙也应引起足够的重视。
关键词： 框架结构； 填充墙； 抗震性能
中图分类号： TU352. 11
介入结构布置，均匀对称的布置填充墙体，避免由于建筑
墙体布置的不合理形成薄弱层或使结构产生明显的扭转效
应。如果一定要在底层等部位设置开敞大空间，可以考虑
在底层加钢支撑等增加结构抗侧刚度，减小结构上下层刚
度的突变； ②尽可能地减少由于窗洞或门洞形成的短柱和
短梁； ③在砌筑填充墙时，填充墙体和框架结构之间宜采 取可靠的连接措施。这可通过设置构造柱、水平系梁、拉 结钢筋等构造措施实现，有效增强填充墙与主体框架结构 的协同工作能力，提高填充墙的变形能力，包括抗裂能力 和抗倒塌能力。以保证地震作用时，填充墙发生的开裂不 至于过大并可以及时修复，并且应保证大震下填充墙不倒 塌； ④对于不同材质的填充墙的刚度和强度贡献应有不同