汶川地震中填充墙对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响及分析.pdf

第 3 6卷第 5期 2 0 1 0年 1 0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 41 汶川地震中填充墙对钢筋混凝土框架结构抗震性能的 影响及分析 潘 毅 ，一 ， 杨 琼 ， 林拥军 ， 张丰报 ( 1 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 四川省建筑科学研究院， 四川 成都6 1 ( 8 1 ； 3 抗震工程技术四川省重点实验室， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 汶川地震中大量钢筋混凝土框架结构受到不同程度的损坏， 主要的震害表现为框架结构的填充墙出现严重开裂或破 坏， 而框架结构的主体构件( 框架梁、 框架柱) 破坏相对较轻。目前 ， 我国规范中填充墙对框架结构抗震性能的影响没有详细 说明， 而填充墙与框架结构的相互作用对于结构抗震性能的影响却是存在的。结合汶川地震 中填充墙框架结构的各种破坏 情况， 研究填充墙与框架结构之间作用的机理， 分析地震作用下填充墙对于框架结构抗震性能的影响， 并对填充墙框架结构 的抗震设计和抗震加固提出合理的建议。 关键词： 填充墙； 钢筋混凝土框架； 抗震性能 中图分类号 ： T U 3 7 5 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 51 4 1 0 4 S e i s mi c a n a l y s i s o f m a s o n r y i n fil l e d RC f r a me s t r u c t ur e s i n W e n c h u a n e a r t h q ua k e P A N Y i ， Y A N G Q i o n g ， UN Y o n g j u n ， Z H A NG F e n g b a o ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 Si c h ua n I n s t i t u t e o f Bu i l d i n g Re s e a r c h，Che n g d u 61 0 081， Chin a； 3 K e y L a b o r a t o r y o f S e i s mi c E n g i n e e r i n g o f S i c h u a n P r o v i n c e ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C hi n a ) Abs t r ac t： I n t h e W e n c hu a n ea r t h q ua ke， a ma s s o f ma s o n r y - i n f i l l e d RC f r a me s t uc ur e s s u ffe r e d d i ffe r e nt d e g r e e o f de s t r uc t i o n， t h e ma i n e a r t h q u ak e d a ma g e i s t h a t t h e ma s o n r y i n i i l l e d w a i l s p r e s e n t e d t h e s e r i o u s c r a c k o r t h e d e s t ruc t i o n， b u t t h e d am ag e o f ma i n f r a me me mb e r w a s r e l a t i v e l y l i g h t ， s u c h as b e a ms o r c o l u mn s At p r e s e n t ， t h e s e i s mi c p r o p e r t y o f t h e ma s o n ry i n f i H e d wa l l s h a s n t e x p l i c i t e x p l a n a t i o n i n O il 1 n a ti o n c o d e ， b u t the i n fl u e n c e o f t h e ma s o n r y i n fi U e d wa l l s a n d R C fr a me s t u c u r e s S i n t e r a c t i o n t o the RC f r a me s e i s mi c p r o p e y e x i s t e dCo mbi n e d wi th d i ffe r e n t de s t ru c t i on s i t u a t i o n o f maso n r y i nfiU e d RC f r a me s t ruc t u r e s，t he i n t e r a c t i v e me c h a n i s m o f the ma s o n r y i n fi U e d w a l l s an d f r a me s t u c u r e s wa s s t u d i e d ， a n d the i n fl u e n c e o f the maso n r y i n f i n e d wa l l s t o t h e RC f r a me s e i s mi c p r o p e r t y wa s a n a l y z e dMo r e o v e r t h e r e aso n a b l e pr o p o s a l t o ma s o nry- i n fil l e d RC f r a me s t ruc t u r e S s e i s mi c d e s i g n a nd s t r e n g t h e n i n g Was p u t f o r w a r d Ke y wo r d s ： maso n r y - i n f i U e d w a l l s ； r e i n f o r c e d c o n c r e t e fra me ； s e i s mi c p r o p e r t y 0 引 言 2 0 0 8年 5月 1 2日在中国四川汶川发生 了里氏 8 0级地震 ， 这次地震中大量的建筑物损毁 ， 对人们 的生产生活造成了严重影响。大量钢筋混凝土框架 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 5 1 2 作者 简介 ： 潘毅 ( 1 9 7 7一) ， 男 ， 重庆人 ， 副 教授 ， 博 士 ， 研 究方 向为 工程结构 的鉴定 与加 固理论及应用 、 混凝 土结构 的耐久性 和纤维 复 合结构 。 基金项 目： 国家科技 支撑计划 课题资助 项 目( 2 0 0 9 B A J 2 8 B 0 1 ) ； 西南 交通大学校科学基 金资助项 目( 2 0 0 8 A 0 2， 2 0 0 8 A 0 5) ； 西南交 通大学 青年教师科研起步资助项 目( 2 0 0 8 Q 0 8 I ) E ma i l ： p a n y i h o m e s w j t u e d u a l l 结构的震害表现为填充墙出现裂缝、 甚至倒塌 ， 柱顶 和柱脚处保护层脱落、 纵筋压屈。按现行规范进行 框架结构设计时 ， 将填充墙视为非结构构件 ， 采用纯 框架的设计方法 ， 仅将 填充墙 的 自重计算到结构荷 载中去 ， 填充墙在结构体系中不起承重和抗剪作用 。 我国 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 建筑抗震设计规范 3 7 4条 中规定 ： 围护墙和隔墙应考虑对结构抗震 的不利影 响 ， 避免不合理设置而导致 主体结构的破坏 。该 条仅指出了填充墙的设置可能对主体结构带来的不 利影响 ， 但并没有明确指 出影响的具体方式 以及对 主体结构影 响的程度 。J G J 3 2 0 0 2 ( 高层建筑混凝 土结构技术规程 对框架结构中的填充墙设计 的规 1 4 2 四川建筑科学研究 第3 6卷 定也只有结构布置和构造方面的一般要求 。而 在设计和使用中， 往往仅重视填充墙的使用功能， 忽 视填充墙材料的选用 ， 导致一些具有抗侧能力 的填 充墙不合理设置， 且在施工中一般采用填充墙周边 与主体框架结构的梁柱嵌实的方法 ， 这使得作为非 结构构件的填充墙在水平地震作用下与框架梁、 柱 共同参与工作 ， 以一种抗侧力构件的形式存在， 这就 必然对结构的变形、 构件的破坏等产生影响。 本文结合汶川地震中填充墙框架结构的各种破 坏情况 ， 研究填充墙与框架结构之问作用的机理 ， 分 析地震作用下填充墙布置位置、 墙体开洞大小等对 框架结构抗震性能的影响， 并对填充墙框架结构的 抗震设计和抗震加固提出合理的建议。 1 水平地震作用下填充墙框架结构 的分析模型 1 1 等效 中心支撑框架模型 大量试验研究表 明， 在水平地震作用下框架在 一 个对角线方向有和填充墙相脱离 的趋势， 而在另 一 个对角线方向形成受压斜杆 ， 如图 1所示。该 斜杆连接框架的上角和下角 ， 其作用相 当于框架结 构的中心支撑。如果假设该中心支撑的厚度和弹性 模量均与填充墙相 同， 对框架和填充墙 的受力性能 的分析 ， 就可简化为仅确定 简化中心支撑的有效宽 度 。 水 地震作用 l l l l l I I I 1_ 8 9 图 1 等效中心支撑框架模型 Fi g 1 Eq l I i v a l e m c e nt e r be a r i ngame wo r k mo de l 1 2 等效偏心支撑框架模型 等效中心支撑框架模型并没有考虑填充墙施加 到框架梁或柱上的作用力 ， 为了将这个影响考虑到 分析模 型 中去， 可 以使 用 等 效偏 心 支 撑 框架 模 型 ， 如图2所示。通过采用偏心支撑模型、 等效支 撑对 梁 、 柱 的作用 ， 可 以在 一定程度 上反 映在实 际情 况下填充墙对框架梁、 柱产生的作用力。 1 3破坏过 程 将填充墙简化为支撑后， 支撑将和框架结构一 水平地震作用 c = = = = l l l I IJ I 1 - I I I l I 一 图 2 等效偏心支撑框架模 型 Fi g 2 EqI l i v al e nt e c c e nt c c e nt r e be ar i ng f r a me wor k m o d e l 起形成受力体系 ， 共同承担水平荷载。当水平荷载 不大时， 填充墙和框架四周没有分离， 这时， 主要由 填充墙来承担水平荷载； 随着水平荷载的增加， 填充 墙将在一个对角线方 向与框架分离并 出现缝 隙， 在 另一对角线方向形成具有一定宽度的受压斜撑 ； 随 着水平荷载的进一步增加 ， 与受压斜撑垂直方向的 填充墙将沿竖向灰缝和水平灰缝出现 阶梯形裂缝 ， 在整片墙上多表现为交叉斜裂缝 ， 如图 3所示。此 时 ， 水平荷载若持续作用 ， 裂缝将进一步延伸 ， 裂缝 宽度也将继续增大 ， 填充墙的支撑作用将失效 ， 甚至 发生坍塌 。此后 ， 水平荷载将完全由框架来承担， 直 到梁、 柱出现塑性铰 ， 结构才宣告破坏。在整个破坏 过程中， 如果填充墙与框架有可靠的连接 ， 能够与框 架牢固地镶嵌在一起 ， 填充墙是 可以以抗震墙 的形 式存在 ， 并可作为填充墙框架结构 的第一道抗震防 线。这样 ， 在地震发生时， 填充墙可以吸收掉一部分 地震能量 ， 从而使主体框架减轻地震作用的影响。 图3 填充墙的阶梯形裂缝 Fi g 3 She a r c r a c k o f m o nI T 一i n f e d wa l l s 2 填充墙框架结构的破坏形式 2 1 填充墙沿水平方向布置复杂造成的扭转破坏 在填充墙框架结构 中， 如果填充墙在平 面内布 2 0 1 0 N o 5 潘毅 ， 等 ： 汶川地震 中填充墙 对钢筋混凝土框架结构抗震性 能的影响及分析 1 4 3 置形式复杂， 会造成在整个平面内的刚度不对称， 使 结构的质量 中心 和刚度 中心 的偏 离。在地 震作用 下 ， 这种结构的建筑将受到扭矩 的作用 ， 很可能发生 扭转破坏。图 4为汶川地震 中汉旺镇某框架结构 的 破坏情况， 该建筑底层为商用 ， 为 了得到大空间， 去 掉了部分填充墙 ， 又由于使用功能的要求 ， 后砌 了一 部分墙来分割空间， 这使得该建筑底层 填充墙 的平 面布置很复杂 ， 在平面上 的刚度很不均匀 ， 在地震 中 发生 了扭转破坏。 图 4某框架结构 的扭转破坏情况 Fi g 4 To r s i o n f a i l ur e o f a f r a m e c o n s t r uc t i on 2 2填充墙沿竖向布置不均匀造成的薄弱层破坏 一 些框架结构的底层设计为仓库、 车库 ， 特别是 一 些临街建筑的底层 ， 经常设计为商店 ， 这些功能都 需要有较大的空间， 导致底层布置的填充墙较上部 填充墙就偎少 ， 有时甚 至不布置 。这就造成 了结构 竖 向刚度突变 ， 底层刚度过小 ， 底层就成为了结构的 薄弱层 ， 容易发生薄弱层破坏。图 5为汶川地震 中 都江堰市某新建房屋的破坏情况， 该建筑为住宅楼 ， 底层设计为车库。该底层全部为框架梁、 柱 ， 没有填 图 5 都江堰市某建筑底层 薄弱层破坏 Fi g 5 W e ak l a ye r f a i l ur e o f a bu i l d i ng S , r o und flo o r 充墙 ， 形成了薄弱层 ， 地震后底层柱基本全部形成塑 性铰 ， 保护层脱落 ， 纵筋屈 曲， 形成 了典型的薄弱层 破坏。虽然该建筑底层柱破坏严 重， 但是 上部结构 却基本没有受到多大影响。这为我们进行抗震设计 提供了思路 ， 可以在建筑的基础部位设置隔震层 ， 通 过隔震层提高整个隔震建筑 的阻尼及 自振周期 ， 从 而达到减轻地震对上部主体结构损坏的目的。 2 3填充墙开洞造成的短柱破坏 短柱破坏是这次汶川地震 中的常见破坏形式。 由于开设 门窗洞 口的需要 ， 砌体 只填充到框架柱 的 局部高度 。这部分填充墙约束了框架柱底部的自由 变形 ， 减小 了柱 的有效计算高度 ， 加大了该部分柱的 侧 向刚度。而地震作用是按抗侧力构件的刚度进行 分配 ， 这部分增加了刚度 的柱子必将分配到更大的 剪力， 若超出其抗剪 承载力 ， 就发 生脆性 的剪切破 坏 ， 形成短柱破坏， 如图 6所示。由于短柱 的破坏具 有明显的脆性 ， 其存在会对结构的抗震性能受到严 重影 响， 因此 ， 应加强构造措施来避免该类破坏 。 图 6 填 充墙 开洞造成 的短柱破坏 Fi g 6 Shor t c o l um n f a i l u re o f ma s on r y- i nf l l l e d wa l l s ope n i n g 此外 ， 实际工程 中填充墙通常直接在框架梁上 砌筑 ， 这就减小了框架梁的弯曲变形 ， 增大了框架梁 的刚度 ， 导致柱端首先发生弯曲破坏而形成塑性 铰 ， 使框架结构的“ 强柱弱梁” 的屈服机制就难以实 现 ， 如 图 7所 示 。 3结论与建议 在填充墙框架结构 中， 由于填充墙 的存在 ， 改变 1 4 4 四川建筑科学研究 第 3 6卷 图 7 填 充墙 开洞造成的弱柱 破坏 Fi g 7 W e ak co l umn f a i l u r e of ma s o n r y- i nfil l e d wa l l s o pe n i n g 了框架结构的受力体系， 填充墙不单纯作为维护和 隔断的非结构构件 ， 在水平地震作用下 ， 它将参与框 架结构的受力 ， 所以， 在设计 中应考虑到填充墙对框 架结构抗震性能的影响。 目前， 我国规范采用统一 的周期折减 ， 仅能粗略考虑填充墙刚度对框架周期 的影响， 填充墙其他方面的影响没有得到重视。同 时 ， 按照 纯框架 的失 效模 式进 行验 算， 也不 能反 映实 际结构的破坏模式 。 因此 ， 仍需要就填充墙对 钢筋混凝土框架结构的影响 ， 做进一步的研究 ， 为定 量计算填充墙 的影响奠定理论基础。以下建议 ， 供 进行此类建筑的抗震设计和抗震加固时参考。 ( 1 ) 如果能保证填充墙 和框架结构有可靠 的连 接， 可以考虑将填充墙作为抗震墙 ， 作为填充墙框架 结构的第一道抗震设防； 同时， 应采取必要构造措施 使填充墙破坏时不发生坍塌， 避免造成人身伤害。 ( 2 ) 在平面上应尽量使填充墙布置对称、 均匀 ， 防止 由此造成的结构扭转破坏。 ( 3 ) 在竖 向上应尽量使各层填充墙布置均匀， 以免造成在竖 向上的刚度突变而形成薄弱层。 ( 4 ) 要考虑开设门窗洞 口时 ， 可能造成长柱变 短柱的情况 ， 如果无法避免 ， 应考虑在柱全长布置加 密箍筋或其他构造措施 ， 来减少 由短柱所造成的破 坏 。 ( 5 ) 由于施工中通常采取在填充墙顶部砌筑一 排斜向片砖的方式处置， 使得墙体顶部成为自由端， 地震时墙体易开裂或外 闪脱落， 造成人员伤亡。因 此 ， 填充墙应镶砌在框架平面内， 与框架有效拉结。 参 考 文 献 ： 1 G B 5 0 0 1 12 0 0 1建筑抗震设计规范 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 1 2 J G J 3 2 0 0 2高层建筑混凝 土结构技术规程 S 北 京： 中 国 建筑工业出版社， 2 0 0 2 3 刘建毅 填充墙框架结构基于性能的抗震评估研究 D 西 安 ： 西安建筑科技大学土木工程学院 ， 2 0 0 8 4 常业军 ， 刘学应 ， 张富有 ， 等影响框架填充墙结构抗震性能的 几点探讨 J 特种结构， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 2 ) ： 4 2 4 3 欢迎订 阅 2 0 1 1 年 四川建筑科 学研究 杂志 国 内 统 一 连 续 出 版 物 号 ： CN511 1 4 2 TU 国 内 邮 发 代 号 ： 6 21 2