带缝填充墙—框架结构抗震性能分析.docx

带缝填充墙—框架结构抗震性能分析

      摘  要  填充墙除了有提高框架结构的承载能力的有利影响外，还有刚度突变形成薄弱层、短柱效应、扭转效应等不利影响。因此填充墙与框架的连接构造，既要保证正常使用时填充墙与框架结构的可靠连接，又要避免地震作用时连接过牢或者刚接。针对填充墙对框架结构的不利影响，提出一种新型的填充墙与框架的连接措施—带缝填充墙，使得填充墙在正常使用的状态下能够为框架结构提供足够大的刚度，减小结构位移，而在地震作用下填充墙刚度迅速退化，减少对框架结构的不利影响。并通过试验分析三种不同缝宽的带缝填充墙框架模型的抗震性能。说明这种连接构造的优越性。

      关键字  带缝填充墙，框架结构、连接键、抗震性能

      引言

     填充墙框架结构以其建筑平面布置灵活、室内空间大等优点，广泛用于厂房、商店、办公室、医院、教学楼及宾馆等建筑中。填充墙在这一结构体系中不起承重、支撑和抗剪切作用，只起围护和隔断作用。

     但是由于填充墙的加入，整个结构体系的质量、刚度、自振周期以及整体变形和位移较纯框架结构都会有较大的不同。在具体设计中，只是把填充墙作为一种竖向均布荷载输入到结构计算软件中，并简单地用周期折减来考虑地震时填充墙对框架结构的影响。 填充墙除了有提高框架结构的承载能力的有利影响外，还有刚度突变形成薄弱层、短柱效应、扭转效应等不利影响。我们通过近年来的几次地震可以看到，填充墙的破坏不仅造成的损失有超过结构损伤所造成的损失的趋势，并且也能危机人的生命安全。而且，很多填充墙的损伤是发生在地震震级很低的情况下。然而从设计的角度看，填充墙的数量、位置都是不确定的，很难完全考虑填充墙的影响。我们从构造措施的角度来分析填充墙对框架结构的影响。

     现在填充墙与框架柱的连接方法为刚性连接，这种做法无论是正常使用状态下还是地震作用时都很大程度增加了框架结构的刚度。抗震规范[2]中第13.3.3.2条建议钢筋混凝土结构中的填充墙与柱脱开或柔性连接，图集03G329-1中给出了柔性连接的做法。这种做法又很难保证正常使用状态下足够的刚度。

     因此填充墙与框架的连接构造，既要保证正常使用时填充墙与框架结构的可靠连接，又要避免地震作用时连接过牢或者刚接。我们提出一种新型的填充墙与框架的连接措施—带缝填充墙，它是在填充墙中开设竖向通缝（通缝通过在砌体内嵌砌聚苯板来实现），并加强填充墙内的钢筋混凝土现浇带，使得钢筋混凝土现浇带与竖向通缝相交处形成连接键。填充墙内由于连接键和竖向通缝的存在，带缝填充墙具有一定的整体工作性能，使得填充墙在风荷载和小震作用下依靠连接键与墙体共同工作提高了框架结构的侧移刚度和承载力，有利于填充墙在正常使用和小震作用下的变形控制；而在大震作用下，连接键首先开裂或屈服退出工作，填充墙自动转变为开通缝填充墙，结构刚度可显著降低，使地震作用减小且具有很好的变形能力和延性，以满足大震作用时塑性变形和耗能要求。

     试验介绍

     影响带缝填充墙与框架结构协同工作的因素有：缝宽和现浇带的厚度、配筋。其中最主要的因素是缝宽。我们对1/2缩比的三榀不同缝宽的单层单跨带缝填充墙框架试件进行低周反复加载试验，分析三组试件的承载能力、刚度变化、延性及耗能能力和连接键的受力情况。

    1 填充墙做法

    三组试件的外形尺寸、配筋均相同，缝宽分别为2cm、4cm、6cm。为了简化试验，方便构件的制作及试验结果的取得，填充墙采用120mm厚M5混合砂浆砌筑MU10机制红砖。墙体中不设拉接筋，只保留每隔1000mm高的现浇带，由于缩比，现浇带为每隔520mm设一道，厚度为40mm并采用C20细石混凝土浇筑，内放HPB235级钢筋2 6，两侧与柱内预埋件焊接连接，分别由2cm、4cm、6cm厚的聚苯板嵌砌在砖墙内形成竖向通缝，它能够保证地震时结构在允许范围内的变形，并能在不影响结构变形的前提下满足建筑物的隔音、保温等使用功能。填充墙中间加设一根构造柱，实际尺寸120mm×120mm，内配纵向钢筋HPB235级钢筋4 10，箍筋为HPB235级钢筋 6@100/200，加密区高度按照03G329中的相应规定执行，填充墙两侧需要抹10mm厚砂浆，将表面抹平，并且在填充墙与框架及基础梁相交的四周需要在抹面砂浆内加钢丝网，防止表面干裂。如图1：

图1   带缝填充墙做法示意图

     2 试验方法

     本试验采用低周期反复水平荷载试验模拟水平地震作用，低周期反复水平荷载的加载程序采用荷载-变形混合控制的加载制度，即在框架钢筋屈服前，采用荷载控制并分级加载，每级荷载循环一次直至屈服。钢筋屈服后，采用位移控制，以屈服荷载时变形量的倍数为级差进行位移控制加载，直至试件完全破坏（当荷载下降到极限荷载的85%时）为止。以上加载机制见图2所示：

图2 水平荷载加载制度

     试验结果分析

     总结试验过程中的破坏现象，本试件从初加载到破坏共经历三个受力阶段。

     第一阶段，弹性工作阶段，填充墙和框架均为弹性工作阶段，填充墙与框架很快在与聚苯板接触面间形成周边初裂缝。在此阶段，抵抗水平力的主要构件为框架。随着水平力的增大，周边裂缝也不断加大，填充墙与框架对角接触部分有碎裂现象，墙体出现未贯通的斜裂缝。此时，框架仍处于弹性工作阶段，填充墙也成为抗侧力构件。在这个阶段，试件模型刚度有所下降，承载力不断上升。

      第二阶段，水平力继续加大，墙面出现的裂缝发展成贯通的斜裂缝，框架柱也已开裂。连接键承受较大的剪力，并发生很大的变形。此时，框架填充墙达到最大的承侧力阶段，框架是主要的承侧力构件，整个结构呈弹塑性工作阶段。

     第三阶段，试件到达最大承载力直至最后破坏，这个阶段，受压区混凝土压碎现象越来越严重，混凝土开始剥落，刚度急剧退化，承载力下降，框架梁柱形成明显的塑性铰，直至试件完全破坏。

    构件抗震分析

    1滞回曲线

    滞回曲线主要有四种，依据滞回曲线的形状及特性可以判断结构或构件的受力特点：梭形，形状饱满，耗能能力大，为弯曲型或压弯型受力；弓形，滞回曲线产生捏缩(pinching)效应，成弓形，耗能能力稍差，为弯剪型或偏压剪型受力；倒S形，滞回曲线产生严重的捏缩效应.曲线呈倒S形，卸载的残余变形较大，耗能能力较低，反映出更多的滑移影响，为剪切及锚固滑移型受力；Z型，反映出大量的滑移影响，为剪切及锚固滑移型受力。由滞回曲线中滞回环的面积变化可计算结构吸收能量的效应、阻尼系数及能量耗散的积累情况(或称积伤效应)。一般来说，滞回环面积越大，结构或构件能量耗散能力越好；滞回环面积缩小，则标志着能量耗散能力的退化。

    三组试件的荷载-位移滞回曲线，如图3所示：

（1） KJQ-1        

 （2） KJQ-2

（3） KJQ-3

图3  滞回曲线

    由以上三个滞回曲线图比较分析三榀框架，有如下特点和规律：

    在裂缝出现之前或只有少量裂缝时，滞回曲线所包围的面积极小，力和位移之间基本呈直线变化，构件刚度无明显的变化，残余变形也很小，构件处于弹性状态。随着荷载的增加，滞回环狭窄细长，其所包围的面积逐渐增大，但滞回环处于稳定的发展阶段，加载曲线斜率变化不大，整体的刚度变化不大，残余变形很小，耗能也很小,水平荷载卸零时，框架的位移不再回零，此时框架的耗能主要体现为裂缝的开闭和扩展。框架屈服以后，随着施加荷载的逐渐增大，承载力仍有很大的提高，到达最大荷载点，其后承载能力就逐步下降，此过程中，滞回曲线开始向位移轴倾斜，滞回环的面积逐渐增大，耗能能力逐渐增大，残余变形亦相应地迅速增大。试验表明，该阶段试件模型表现出良好的延性。

    在位移控制阶段（即框架屈服以后），每一个位移量级都循环三次，从滞回曲线来看，在同一位移量级循环中，第一次位移量级时的荷载最大，其次是第二级位移量级时的荷载，第三次位移量级时的荷载最小。这种低周反复荷载作用下，当保持相同的峰值位移时，对应的荷载随着循环次数增多而降低的现象，一般被称作强度退化。从滞回曲线上还可以看出，在同一位移量级下，滞回环包围的面积越来越小，这表明结构耗能能力的退化，此时主要依靠结构变形来进行耗能。上述退化性质反映了结构累积损伤的影响，正是由于结构累积损伤的影响，框架屈服后滞回环出现了刚度退化，且结构正负向的承载力和刚度也不断接近。在试件达到屈服荷载后滞回曲线均呈弓形，但当构件逐渐达到极限荷载时，由于构件刚度的退化， KJQ-1、KJQ-3的滞回曲线转化为反S型， KJQ-2试件仍呈弓形，其滞回曲线呈现比较丰满，曲线的下降段也比较平缓，三个构件都具有良好的抗震性能。

    2骨架曲线

    骨架曲线是每一级循环的滞回曲线达到峰点的轨迹，也即滞回曲线的外包络线，它综合反映了模型受力和变形的关系，集中表现了模型在各个阶段的性质，能够比较明确地反映结构的强度、变形等性能，是分析结构弹塑性地震反映的重要依据。

    三榀试件水平荷载P与顶点总位移△的滞回曲线峰值点连线所得P－△骨架曲线如图4所示。

图4 骨架曲线

    从骨架曲线的特点，试件在水平低周反复荷载的作用下，经历了弹性、屈服、最高荷载和极限荷载而破坏。在初始加载阶段，骨架曲线处于线弹性阶段，构件的侧移极小，试件开裂后，由于混凝土塑性的发展，直线稍有弯曲，结构的刚度变化不大，此时位移变化较开裂前大，当达到屈服后，框架结构的刚度随荷载的增大而降低，在水平荷载达到最大值后，曲线开始下降，即框架的承载能力降低，其变形仍然继续增加，梁、柱塑性铰得到充分发展，墙体明显开裂丧失承载力，结构逐渐破坏。

     对比三组试件的骨架曲线可以看出，随竖缝宽度的增加，试件的开裂荷载变化不大，屈服荷载和最大承载力有所下降，说明竖向开通缝宽度越大，试件在弹塑性阶段刚度衰减幅度较大，构件承载力相应降低。

     3 强度、刚度、延性及变形能力

     三个模型各阶段的荷载、位移、刚度及延性系数列表于表5~7。表中P为梁顶处的水平荷载，△为柱顶处侧移，P/△为顶点侧移刚度，μ为位移延性系数。

     表1 KJQ-1各加载阶段荷载、位移、刚度及延性系数

 荷方向
项目
开裂点
屈服荷载点
最大荷载点
极限荷载点
正向
P(KN)
81.45
201
330
263
△(mm)
0.57
4.25
14.72
27.77
P/△(KN/mm)
142.89
47.29
22.42
9.47
μ
――
1.00
3.46
6.53
负向
P(KN)
-83.23
-207
-330
-256
△(mm)
-0.49
-4.10
-15.06
-29.05
P/△(KN/mm)
169.86
50.49
21.91
8.81
μ
――
1.00
3.67
7.08

    表2 KJQ-2各加载阶段荷载、位移、刚度及延性系数

加荷方向
项目
开裂点
屈服荷载点
最大荷载点
极限荷载点
正向
P(KN)
83.33
184
310
230
△(mm)
0.65
4.47
16.72
26.40
P/△(KN/mm)
128.2
41.16
18.54
8.71
μ
――
1.00
3.74
5.91
负向
P(KN)
-88.52
-193.23
-310
-225
△(mm)
-0.68
-4.54
-19.06
-25.51
P/△(KN/mm)
130.18
42.56
16.26
8.82
μ
――
1.00
4.20
5.62

    表3 KJQ-3各加载阶段荷载、位移、刚度及延性系数

加荷方向
项目
开裂点
屈服荷载点
最大荷载点
极限荷载点
正向
P(KN)
78.24
165
270
219
△(mm)
0.73
5.88
15.21
29.15
P/△(KN/mm)
107.18
28.06
17.75
7.5
μ
――
1.00
2.59
4.96
负向
P(KN)
-80.10
-181
-270
-201
△(mm)
-0.82
-5.58
-17.05
-26.36
P/△(KN/mm)
97.68
32.44
15.84
7.63
μ
――
1.00
3.06
4.72

    （1）.试件的刚度退化

     用折算刚度公式K=P/△(KN/mm)来考察试件加载全过程的刚度递减规律。模型的正负向初始刚度有一定的差别,原因是初始加载造成一个方向的先损伤,但随着反复加载的不断进行,结构的正负向刚度逐渐接近。整体折算刚度的衰减一般开始时由于裂缝的大量产生,衰减较快,之后随塑性的不断发展,衰减缓慢。

    （2）.试件的延性及变形能力

     延性是表示结构抗震性能的一个重要特征，框架的延性系数采用顶层梁端位移延性系数 来表示：                              
     式中： －结构破坏时的位移，即框架的荷载－位移骨架曲线中水平荷载下降到0.85 时的位移；

     －结构屈服时的位移，即在框架的荷载－骨架曲线中按通用屈服弯矩法计算得到的屈服位移；

     －结构最大荷载。

     一般认为钢筋混凝土框架结构要求的延性比为 3～6，而从表 1~3可见，带缝填充墙框架结构延性不差于钢筋混凝土框架，其延性系数在5.2~7.1之间。通过对比分析可知：三组试件的开裂荷载、开裂位移基本相同，说明结构初始刚度基本相同。但是试件KJQ-1、KJQ-2、KJQ-3随竖缝宽度的增加，其屈服荷载依次降低，屈服位移逐渐增加，延性系数逐渐降低。

     4耗能能力

     一个结构抵抗地震的能力好坏，取决于结构“能量吸收与耗散”的能力，同时又取决于结构的延性。构件消耗的地震能量多，不仅因为它承受了较大的地震力，还因为它能产生并经受较大的变形。结构在反复荷载作用下，每经过一个循环，加载时，吸收能量，卸荷时，释放能量，反映在滞回曲线上即为一个滞回环包围的面积。对于结构或构件，若滞回环包围的面积大，则耗能能力强，反之耗能能力弱。

图5 耗能系数计算示意图

    一般地，滞回环所围面积越大，则说明结构的耗能能力越大，而结构的耗能能力还可以通过结构的耗能系数来反映。若定义结构的耗能系数ψ为:

    式中， 为结构达到极限位移时滞回曲线外包线所围的面积，即图5中ABCDA点连线所包围的面积SABC+SCDA，其值表示结构消耗的地震能量。 为三角形OBE与ODF的面积之和，即SOBE+SODF，表示在正反两个方向上假定结构从加载直至极限位移时一直处于弹性阶段下所吸收的地震能量。   

   ψ值越大，则说明结构的耗能能力越大，结构消耗的地震能量越多。延性系数越大，结构的耗能系数ψ越大。此外，“梭形”的滞回曲线形状较“弓形”滞回曲线形状的ψ值大，“弓形”的较“反S形”的值ψ大。通过对模型试验滞回曲线的近似计算，结果见表4所示；

      表4 耗能系数

构件
( KN*mm)
(KN*mm)

开裂点
KJQ-1
8.1
17.5
0.46
KJQ-2
6.7
17.78
0.37
KJQ-3
5.9
16.8
0.35
屈服点
KJQ-1
251
426
0.59
KJQ-2
268
425
0.63
KJQ-3
273
496
0.55
最大荷载点
KJQ-1
2354
2475
0.95
KJQ-2
2654
2790
0.96
KJQ-3
1943
2160
0.9
极限荷载点
KJQ-1
3758
4130
0.91
KJQ-2
2781
2959
0.95
KJQ-3
2510
2919
0.85

     对于本试验的带缝填充墙框架构件，由耗能系数表我们可以得出看出：进入弹塑性阶段后，由于累积损伤，荷载增长非常缓慢甚至出现下降，但框架的能量耗散系数基本上随着位移的增大而逐渐增大，直至最大荷载点，只是在加载后期出现轻微的下降。对比三组试件，各试件的能量耗散系数都比较接近，KJQ-2的耗能系数略高于其他两组。总体来说，框架的耗能能力较强，而这对提高结构的延性是十分有利的。

    结束语

     从设计的角度很难完全考虑填充墙对框架结构的影响，我们可以从填充墙的构造做法上来弥补，使填充墙最大的发挥优势，并尽量减小不利影响。带缝填充墙—框架体系就是基于这种思想提出的。总结其特点：

    1.试件随竖缝宽度的增加，其屈服荷载和最大荷载依次降低，屈服位移逐渐增加，延性系数逐渐降低。说明竖向开通缝宽度越大，试件在弹塑性阶段刚度衰减幅度较大，构件承载力相应降低，三组试件模型的延性都能满足钢筋混凝土框架延性要求，有较强的恢复力特性。

    2.根据带缝填充墙框架的受力阶段可知，连接键在框架屈服之前相继屈服，缝宽越大，连接键屈服的越早。在弹性工作阶段，框架与填充墙均为抵抗水平力构件，但主要是框架承受水平力。填充墙起到抗侧力作用。在弹塑性工作阶段，由于连接键的屈服，退出工作，抵抗水平力构件为框架，整个模型的刚度退化幅度较大，使框架有较大的变形，从而达到了减小填充墙框架结构的地震作用的目的。可以兼顾正常使用和地震作用时对结构刚度的不同要求。此外，连接键也是耗能元件，其破坏可以吸收一部分地震能量，减轻地震作用对主体结构的损害。

     3.合理的带缝填充墙缝宽设计应使连接键先于框架破坏，但又不宜过早破坏。一般应控制连接键开始破坏时的荷载为最大荷载的80%~90%为宜。

     参考文献

    【1】中华人民共和国国家标准．混凝土结构设计规范(GB50010-2002) 2002

   【2】中华人民共和国国家标准．建筑抗震设计规范（GB5001-2001）2008