填充墙对钢筋混凝土结构抗侧移能力影响的分析.pdf

第 3 8卷第 1 期 2 0 1 2年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 53 填充墙对钢筋混凝土结构抗侧移能力影响的分析 郭远翔 ， 马彦晓 ( 1 华南理工大学建筑设计研究院， 广东 广州5 1 0 6 4 0； 2 华南理工大学土木与交通学院， 广东 广州5 1 0 6 4 0 ) 摘要： 规范对钢筋混凝土框架结构和钢筋混凝土框架一抗震墙、 板柱一抗震墙、 框架一核心筒的弹性层间位移角 限值的规定， 是依据以往的试验研究和实际工程的统计， 其他的钢筋混凝土结构则是根据这两种的结果进行一定 程度的加严或放松， 且至今规范仍未有关于短肢剪力墙的弹性层间位移角限值的规定。通过结构之前的共通性， 找到填充墙是影响其限值取值的一个极为重要的因素。填充墙作为结构的重要组成部分， 可以承担部分水平地震 作用， 提高结构抗侧移刚度， 限制主体结构构件的变形。在设计时， 往往通过周期折减系数考虑其对结构的作用， 但是， 这样计算的结构侧移与实际情况计算的侧移不符合， 通过对以有的试验结果和理论推导 ， 建议设计时采用刚 度增大的计算方法来计算弹性水平位移角， 并提出异形柱框架结构和短肢剪力墙结构的弹性层间位移角限值的取 值可根据肢厚比在 1 5 5 0和 1 8 0 0之间进行线性差值。 关键词： 弹性水平位移角； 异形柱框架结构； 短肢剪力墙结构 中图分类号： T U 3 7 5 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 【 2 0 1 2 ) 0 11 5 3 0 4 An a l y s i s o f l a t e r a l c a p a c i t y 0 f R C s t r u c t u r e i n d u c e d b y i n fil l s wa l l GU0 Yu a n x i a n g MA Ya n x i a o ( 1 A r c h i t e c t u r e D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S o u t h C hin a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d T r ans p o r t a t i o n ， S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ， C hi n a ) Ab s t r a c t ： S p e c i fi c a t i o n o f t h e r e i n f o rce d c o n c r e t e f r a me an d r e i nfo r c e d c o n c r e t e f r a me s h e a r wa l l ， s l a b - c o l u mn - s h e a r wa l l ， fr am e - t h e c o r e t u b e of e l a s t i c s t o r y d r i f t l i mi t r e q u i r e m e n t s ， i s b ase d o n p r e v i o u s e x p e ri m e n t a l r e s e ar c h and p r a c t i c al e n gi n e e r i n g s t a t i s ti c s ， a n d o t h e r r e i nfo r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s i s c a r r i e d o u t a c c o r d i n g t o t h e r e s u l t s o f t h e t w o d e g r e e o f t i ght e n i n g o r r e l a x a t i o n ， and h a s y e t t o r e g u l a t e s h o rt - p i e r s h e ar wa l l s o n e l ast i c s t o r y d r i f t l i mi t r e q u i r e me n t s I n t h i s p a p e r ， t h e c o mmo n a l i ty o f t h e s t r u c t u r e b e f o r e ， fi n d t h e w a l l i s fi l l e d w i t h li mi t v alu e s a ff e c t a n e x t r e me l y i mpo rtan t f a c t o r F i l l e d wa l l a s a n i mpo r t an t p a r t o f t h e s t ruc t u r e v an be a r p a r t of t h e l e v e l o f s e i s mi c a c t i o n ， t o i mp r o v e t h e s t r u c t u re l a t e r a l s t i ff n e s s a n d t o l i mi t t h e d e f o r ma t i o n o f the ma i n s t r u c t u r a l e l e me n t s At d e s i gn ti me ， o f t e n t h r o u g h the c y c l e red u c t i o n f a c t o r t o c o n s i d e r i t s e ff ect o n t h e s t r u c t u r e， b u t t h i s c alc u l a t i o n d o e s n o t me e t t h e a c t u al s i t u a t i o n o f t h e h o r i z o n t al d i s p l a c e me n t c a l c ula t e d d i s p l a c e me n t T h r o u g h s o me e x p e r i me n t al r e s ult s and t h e o r e t i c al ana l y s i s ， p a per p r o pos e t h a t d e s i gn w i t h s t i ff n e s s i n c r e a s e d fl e x i b i l i t y i n t h e c a l c u l a t i o n me t h o d t o c a l c ula t e t h e h o ri z o n t al d i s p l a c e me n t ans l e ， and p r o p o s e s pec i a l s h a pe d c o l u mn fr a me an d s h o rt s h e ar wa ll s t ruc t u r e o ft h e e l a s t i c s t o ry d ri ft li mi t of t h e v alu e C an li mb t h i c k n e s s r a ti o o f 1 5 5 0 a n d 1 8 0 0 t h e diff e r e n c e b e t w e e n li n e ar Ke y wo r d s ： e l a s t i c h o riz o n t al dis p l a c e me n t ang l e ； s p e c i a l s h a p e d c o l u mn f r am e ； s h o rt s h e a r w a l l s t r u c t u r e 0 引 言 地震作用 的计算方法有反应谱法 ( 拟静力法) 和时程分析法 ( 直接动力法) ， 其 内力和变形通常采 用变形协调的假定方式分析， 结构的抗侧移刚度是 一 个重要的参数， 直接影响到结构的自振周期、 地震 作用的计算、 结构的侧移， 现行的结构分析中均将各 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 8 - 0 9 作者简介： 郭远翔( 1 9 6 4 一) ， 男， 广东汕头人， 高级工程师， 主要从事 高层建筑结构设计 。 E ma i l ： 2 5 2 6 3 6 7 7 8 q q t o m 类填充墙作为非承重结构， 忽略其对结构侧移刚度 的贡献 ， 只是用周期折减系数粗 略地考虑填充墙的 影响 ， 使得计算结果偏于不安全 。 本文根据 以往的试验数据和实际工程 的统计 ， 分析出对结构整体刚度增大系数去考虑填充墙对结 构的影响， 以及异形柱框架结构及其短肢剪力墙结 构的弹性位移角限值的建议取值， 为抗震设计提供 理论依据和建议。 1 国内外抗震设防目标 国内外抗震设防的目 标是要求建筑物在使用期 l 5 4 四川建筑科学研究 第 3 8卷 问， 其结构及其构件能够抵抗对不同频率和强度 的 地震 ， 达到“ 小震不坏 ， 中震 可修 ， 大震 不倒 ” ， 我 国 现行 建筑抗震设计规范 的三水准设防目 标， 采用 两 阶段设计方法来实现： 1 ) 在多遇地震( 烈度约 比基本烈度低 1 5 5度) 作用下 ， 建筑主体结构不受损坏 ， 非结构构件没有过 重破坏导致人员伤亡 ， 保证建筑的正常使用功能； 2 ) 在罕遇地震 ( 烈度约 比基本烈度高 1度) 作 用下 ， 建筑主体结构遭受破坏或严重破坏但不倒塌。 根据三水准抗震设防目标的要求 ， 在小震时， 结 构应处于弹性工作阶段， 可采用线弹性动力理论进 行建筑结构地震反应分析 ， 除进行结构或构件截面 的抗震承载力验算外 ， 尚须进行多遇地震作用下结 构弹性变形的验算， 以实现抗震设计第一水准的抗 震设防要求。 2 弹性层 间位移角 限值 的相关研究 2 1 弹性层间位移角的概念 结构弹性变形 的验算指标是 弹性层 间位移角 ， 即最大层 间弹性位移与层高之 比 = h ， 最大 层 间弹性位移采用上下两层水平位移之差， 其来源 有三部分： 1 ) 竖向构件剪切变形引起的位移 ； 2 ) 本楼层竖向构件弯曲变形引起的位移 ； 3 ) 下一楼层竖向构件弯曲变形引起的位移。 造成结构或构件破坏的是各楼层构件 自身变形 引起的位移 ， 所以弹性层间位移角又可分为有害位 移和无害位移， 对于高层或超高层， 在不方便剔除无 害位移的情况下 ， 建议 ： 1 ) 适当放宽弹性层间位移角限值。张晖等统 计 了 3 4幢国 内外超高层建筑 的最大层 间位移 ， 9 5 的建筑最大层问位移分布在 1 7 0 01 4 0 0 。 2 ) 进行舒适度和 PA效应 的验算 ， 避免 因结 构整体变形过大对居住者造成的不适 。 2 2弹性层 间位移角限值的试验成果 童岳生 、 钱国芳对几十榀填充墙框架的试验结 果统计分析 得出， 开裂层 问位移角 ， 不 开洞填充 墙框架为 1 2 5 0 0 ， 开洞填充墙框架为 1 9 2 6 ， 墙面裂 缝连通时的位移角主要分布在 1 1 0 5 01 5 4 0 。无 洞填 充 墙 框 架 中， 框 架 柱 的平 均 初 裂 位移 角 为 1 7 0 5 ， 开洞填充墙框架 中， 框架柱 的平均初裂位移 角为 1 4 0 0 。有限元分析表 明， 不带填充墙 时， 开裂 层间位移角为 1 8 0 0 。 对于框架一抗震墙结构的抗震墙 ， 郭子雄、 吕西 林等对国外 1 7 5个试件的试验统计 得 出， 开裂位 移角的主要分布在 1 3 3 0 01 1 1 0 0 。 建筑抗震设计规范 统计我国近十年来建成 的 1 2 4幢钢筋混凝土框一墙 、 框一筒 、 抗震墙、 筒结 构高层建筑 的结构抗震计算结果 ， 在多遇地震作用 下的最大弹性层 间位移均小于 1 8 0 0， 其 中 8 5 小 于 1 1 2 0 0。 2 3 规范对弹性层间位移角限值的规定 规范对弹性层间位移角限值的规定， 见表 1 。 表 1 规范对弹性层问位移 角限值 的规定 T a b l e 1 S p e c i fi c a t i o n o f t h e e l a s t i c s t o r y d r i f t l i mi t r e q ui r e me nt s 结构类型 0 钢筋混 凝土框架 异形柱框架结构 钢筋混凝土框架一抗震墙、 板柱抗震墙、 框架一核心筒 钢筋混凝土抗震墙 、 筒中筒 1 5 5O 1 6 5 0 1 8 0 0 1 1 0 0 0 建筑抗震设计规范 5 5 1 条的条文说明指 出， 第一阶段设计 ， 变形验算 以弹性层 间位移 角表 示。不同结构类型给出弹性层间位移角限值范围， 主要依据 国内外大量的试验研究和有限元分析的结 果 ， 以钢筋混凝土构件 ( 框架柱 、 抗震墙等 ) 开裂时 的层间位移角作为多遇地震下结构弹性层间位移角 限值。 2 4小结 1 ) 根据试验数据可得 ， 规范规定 的弹性层间位 移角限值， 对于框架结构， 是以统计的墙面裂缝贯穿 时的最大弹性层间位移角为限值， 即在多遇地震作 用下， 考虑填充墙 的刚度效应 ， 取周期折减系数为 0 9 ， 框架结构的最大弹性层间位移角限值为1 5 5 0 。 2 ) 对于剪力墙为主要抗侧力构件的结构 ， 是 以 墙体初裂时的最大弹性层间位移角为限值。 3 ) 根据试验研究 ， 钢筋混凝土框架结构的框架 柱平均初裂位移角为 1 4 0 0 ， 而以剪力墙为主要抗 侧力构件的结构的墙体初裂时的弹性层间位移角均 小于 1 8 0 0 ， 同为钢筋混凝土构件 ， 初裂时的最大弹 性位移角却相差很大。究其原因， 可 归结为填充墙 的对结构的作用 ， 对于框架等含有大量填充墙 的结 构 ， 由于非结构构件填充墙一般会先于框架柱开裂 ， 且开裂后可作为结构破坏的第一道防线， 吸收地震 能量， 所以对于此类结构的弹性层间位移角限值计 算以控制填充墙裂缝贯穿 为基准 ； 以剪力墙为主要 抗侧力构件的结构， 结构的抗侧移刚度主要 由剪力 墙提供， 裂缝 出现顺序 为填充 墙开裂一剪 力墙 开 裂一填充墙裂缝贯穿， 填充墙的开裂吸收少部分地 郭远翔， 等 ： 填充墙对钢筋混凝土结构抗侧移能力影响的分析 l 5 5 震力 ， 且在剪力墙开裂前 ， 填充墙并未严重破坏 ， 所 以， 此类结构以剪力墙初裂时的最大弹性层间位移 角作为限值。 3 填充墙对结构的作用 3 1 填充墙对结构整体抗震性能的影响 填充墙作为结构的重要组成部分 ， 在地震过程 中比较容易先于结构构件发生破坏 ， 但根据 以往的 研究， 对于填充墙框架结构， 直到结构倒塌破坏前， 填充墙始终对结构有很大影响， 体现如下 ： 1 ) 填充墙可承担一部分水平荷载作用， 因此， 填充墙框架结构承载力要高于纯框架结构。朱荣 华 、 沈聚敏根据无门洞砖填充墙框架模型 F F w 拟动 力试验 ， 测得结构水平承载力是 2 9 4 k N， 对纯框 架进行地震 反应分 析计算 ， 算得 的水平 承载力 为 1 9 1 k N， 承载力提高5 3 左右。 2 ) 填充墙使结构 的刚度增大， 从而使结构的 自 振周期减小， 水平地震作用增大。曹万林、 王光远等 通过对 3个轻质填充墙异形柱框架模型在反复水平 荷载作用下的试验研究分析 指出， 填充墙框架结 构 的刚度矩阵可用式( 1 ) 表示： = 墨 + ( 1 ) 式中 填充墙框架结构的刚度矩阵； 框架结构的刚度矩阵； K 填充墙的刚度矩阵。 3 ) 填充墙在一定 程度上 限制 了主体结构构件 的变形 ， 并且可能减小柱的计算高度形成短柱 ， 产生 约束效应 。 3 2 小结 1 ) 填充墙本身变形能力较差 ， 但是 和框架共 同 作用时 ， 由于约束作用 ， 可以互相限制变形 ， 使结构 整体变形缓慢 ， 提高结构延性。所以， 在考虑结构整 体刚度时， 宜考虑相互作用的影响， 即填充墙框架结 构的刚度矩阵宜定义为： = + + ( 2 ) 2 ) 现行 规范及其设计采用周期折减 系数考虑 填充墙对结构的影响， 从而提高计算时的水平地震 作用， 保证结构具有足够的承载能力和变形能力。 4结构的侧移刚度、 水平地震作用 以 及地震作用下的侧移 4 1 相关的公式推导 建筑抗震设计规范 给出的水平地震作用为： F E k = G 。 。 ( 3 ) 式 中 相应 于结构基本 自振周期的水平地 震影响系数 ， 按 图 1确定 ； G 结构等效重力荷载。 l i 工二二二 注 ： a 一地 震影响系数 ； 一地震影 响系数最大 值； q l 一 直线下 降段的下降斜率调整系数； y 一衰减指数； 一特征周期； t 7 2 一阻 尼调整系数； 卜 结构 自振周期 图 1 地震影响系数 曲线 F i g 1 Ea r t h q u a k e c o e f fi c i e n t c u r v e A u=F E k K ( 4 ) = 2 盯 ( 5 ) 抗震设计时， 采用对结构 自振周期进行折减 的 方法增大水平地震作用， 考虑非结构构件的刚度效 应 ， 而对刚度不进行折减。谭素杰等分析 时， 从 实际情况出发， 考虑非结构构件的刚度效应， 对结构 刚度进行放大 ， 见式( 6 ) ： K = ( 6 ) 根据对刚度、 自振周期、 水平地震作用、 侧移 的 公式推导得出： = I 2 ，1 、 ： l 式 中 按现行设计方法 ， 对结构 自振周期折 减计算出来的结构侧移； 周期折减系数 ； 结构刚度增大系数 ； 考虑非结构构件 的刚度效应求得 的 地震作用下的结构侧移。 图 2 ( a ) 与图 2 ( b ) 都呈现出： 结构侧移刚度越 大 ， 实际结构的侧移越小 ， 而现行设计方法计算出的 结构侧移越大 ， 认为的违反结构变形规律。 0 6 0 8 1 0 9 0 6 0 8 1 0 ( a ) ( b ) 图 2结构侧移与周期折减系数 关系曲线 F i g 2 S t r u c t u r e o f l a t e r a l c u r v e a n d c y c l e r e d u c t i o n f a c t o r 1 5 6 四川建筑科学研究 第 3 8卷 4 2小结 建议在抗震设计时， 采用按实际情况考虑非结 构构件的刚度效应 ， 对结构整体刚度进行放大的方 法去计算结构侧移。 5 结论 1 ) 含有填充墙的结构的刚度计算公式建议取： = + + 考虑填充墙和结构 的抗侧力构件 的相互作用， 为了方便计算， 可简化为： = 口 K f + b K w 或 = r 对结构刚度进行放大， 而不是只考虑对周期折 减。 2 ) 在进行结构的侧移计算时， 填充墙的作用不 容小觑 ， 根据 以往的试验研究 ， 钢筋混凝土框架结构 的弹性层间位移角限值为 1 5 5 0 ， 钢筋混凝土框 架一抗震墙、 板柱一抗震墙、 框架一核心筒的弹性层 间位移角限值为 1 8 0 0， 建议异形柱框架结构 和短 肢剪力墙结构的弹性层间位移角限值 的取值 ， 可根 据肢厚比在 1 5 5 0和 1 8 0 0之间进行线性差值。 3 ) 进行高层和超高层侧移验算 时， 由于弹性层 间位移角的计算中包括无害位移 ， 在没有有效的计 算可以去除此项时， 建议适当放宽弹性层 间位移角 的限值， 同时， 对结构进行舒适度和 Pa效应的验 算。 参 考 文 献： 1 C B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 建筑抗震设计规范( 2 0 0 8 版) s 北京 ： 中国 建筑工业 出版社 ， 2 0 0 8 2 J G J 3 2 0 0 2高层建筑混凝土结构技术规程 S 3 J G J 1 4 9 2 0 0 6混凝土异形柱结构技术规程 s 4 张晖， 杨联萍， 周文星 钢筋混凝土超高层建筑层间位移限 值的探讨 J 建筑结构学报， 1 9 9 9 ( 3 ) 5 童岳生， 钱国芳 砖填充墙框架的变形性能及承载力 J 西 安 冶金建筑学院学报 ， 1 9 8 5 ， 1 7 ( 2 ) ： 1 - 2 1 6 郭子雄， 吕西林， 王亚勇 建筑结构抗震变形验算中层间弹性 位移角限值的探讨 J 工程抗震， 1 9 9 9 ( 1 ) 7 朱荣华， 沈聚敏 砖填充墙钢筋混凝土框架拟动力地震反应试 验及理论分析 J 建筑结构学报， 1 9 9 6 ， 1 7 ( 4 ) ： 2 7 - 3 4 8 曹万林， 王光远， 等 轻质填充墙异形柱框架结构层刚度及其 衰减过程的研究 J 建筑结构学报， 1 9 9 5 ( 5 ) 9 谭素杰， 钟善桐， 何若全 非结构构件的刚度效应在抗震变形 验算中的分析 J 哈尔滨建筑大学学报， 1 9 9 6 ( 6 ) ( 上接第 1 4 0页) 的关系。由此确定出4组不同细粒含量土样的模型 系数 0 的平均值分别为1 6 4 9 ， 1 1 8 8 ， 1 1 8 3 ， 1 1 5 3 。 单从细粒含量方面来看 ， 随着土中细粒含量的降低 ， 系数 口呈下降趋势。 4 结论 1 ) 根据动三轴试验结果 ， 试验粉土抗液化强度 并不单纯 的随着细粒 含量 的降低 而 降低 ， 而是在 4 5 5 5 的细粒含量之间存在一个抗液化强度的 最低点 。 2 ) 细粒含量不同将导致孔压增长的差异 ， 采用 “ S e e d ” 模型分析了均等固结条件下粉土孔隙水压 力的增长规律 ， 并确定出 4组不同细粒含量土样 的 模型系数0 的平均取值分别为 1 6 4 9 ， 1 1 8 8 ， 1 1 8 3 ， 1 1 5 3 ， 随着土中细粒含量的降低， 系数 口 呈下降趋 势。 3 ) 虽然 S e e d孔压模型基于饱和砂土液化 的试 验结果建立 ， 但本次试验的粉土土样液化 的孔压发 展基本符合 S e e d孔压模型 ， 且只需确定一个模型参 数 ， 在数值分析上相对简单， 具有较强的实用性 。 参 考 文 献： 1 衡朝阳， 何满潮， 裘以惠 含粘粒砂土抗液化性能的试验研究 J 工程地质学报， 2 0 0 1 ， 9 ( 4 ) ： 3 3 9 - 3 4 4 2 刘雪珠 ， 陈国兴 粘粒含量对南京粉细砂液化影 响的试验研究 J 地震工程与工程振动。 2 0 0 3 ， 2 3 ( 3 ) ： 1 5 0 1 5 5 3 曾长女 细粒含量对粉土液化特性影响的试验研究 J 防灾 减灾工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 4 ) ： 4 7 8 - 4 8 2 4 曹字春， 王天龙 上海粉土液化特性及孔压模型的试验研究 J 上海地质， 1 9 9 8 ( 3 ) ： 4 7 8 - 4 8 2 5 谢勇谋， 谭光杰， 等 利用人工神经网络由静力触探推算液化 指数 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 4 ， 3 0 ( 2 ) ： 3 9 -41 6 S L 2 3 7 1 9 9 9土工试验规程 s 7 张克绪， 谢君斐 土动力学 M 北京： 地震出版社， 1 9 8 9 8 白冰， 周健 利用粉煤灰作为排水垫层筑坝的动力试验研 究 J 防灾减灾工程学报， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 1 ) ： 4 9 - 5 2