高层砌体填充墙框架结构抗震性能研究趋势

摘要：为了保护耕地、节约能源和维持自然生态环境的可持续发展，我国目前正在建筑业中大力推广墙改政策。目前，随着墙体改革的发展，黏土砖作为传统的填充墙材料正逐步被多孔砖、空心混凝土砌块、粉煤灰砌块和加气混凝土砌块等新型墙体材料所取代。填充墙框架结构是现阶段我国应用最广泛的一种建筑结构形式。
　　关键字：新砌体特点；抗震性；构造方式
　　目前在框架结构中推广的新型墙体材料一般均具有轻质和保温的特点。新型轻质墙体材料可以有效降低墙荷，因而也可以降低框架结构的造价。从已有的少数研究成果可以看出，新型砌体填充墙框架的开裂位移角比传统黏土砖填充墙框架的有所提高。
　　一、新型砌体特点
　　这些新型砌体材料的研发重点是轻质和保温等性能，其力学性能与传统的黏土砖填充墙材料相比，尚存在明显差异。比如，混凝土空心砌块不仅块体尺寸较黏土砖大，而且存在大量的空腔，其在水平地震下的破坏过程和特征将与黏土砖填充墙有明显差异；另外，加气混凝土砌块填充墙的强度和刚度均较普通黏土砖填充墙低，其在不同受力阶段的内力分配和破损过程也将与传统黏土砖填充墙框架有较大差异。
　　砌体本身属于脆性材料，强度等级低，吸水率高，收缩变形大，对于砌体的胀缩，不同的部位是不相同的，往往是两头大而中间小，当填充砌体与混凝土墙柱之间的连接强度较小且墙体材料的抗拉强度较大时，变形出现在界面处，容易产生界面缝，所以框架砌体填充墙结构的抗震设计已成为工程施工的关键。
　　二、框架结构下的砌体填充墙的抗震性
　　对于采用柱下独立基础形式的框架结构，其填充外墙下宜设计为带肋梁钢筋混凝土条基与柱下独立基础同时施工。一方面因为填充墙的刚度效应使之承受较大的一部分地震倾覆力矩和剪力。若采用基础拉梁来解决，明显的不足之处在于基础拉梁的设计中若考虑地震作用的附加荷载，这必然增加柱下独基的负担，使柱下独基地基承载力很容易超过规范限值。若不考虑地震作用的附加荷载，则拉梁强度明显不够，在地震作用下可能先于破坏，从而导致填充墙体的破坏。其附属的各种设备、设施、管道将一并受到殃及。使震后修复的费用及难度都会增加很多。另一方面，采用带肋梁的墙下条基，将明显结构的整体性能，减小地震作用下结构扭转的不利效应。同时增加柱下独基的变形协调能力，抵抗可能发生的地基不均匀沉降。
　　在填充墙方面，也可采取一些措施(1)填充墙与框架采用柔性连接，柔性连接使填充墙获得自己的自由度，填充墙以框架为弹性支座随楼层运动，其对框架的刚度贡献降至最低。参看外国同行的设计，在柔性连接方面主要采用两个措施：一是使用一种特别的砌体拉接件(功能不详)；二是墙体与柱边、梁顶或板顶留25mm左右的缝，内填柔性材料。(2)使用轻质墙，尽可能采用预制工业板墙，对粉煤灰砌块或轻质混凝土砌块墙体应慎重采用，此类墙体承载力低，地震中极易破坏和倒塌。
　　相关资料显示，填充墙开裂后，其刚度一般不小于原刚度的35％，填充墙的刚度主要为剪切刚度，当墙体破坏一半时，刚度约为50％，填充墙破损一半而框架未破损的情况是极少的。可见，单靠折减周期一种手段来涵盖填充墙对框架的抗震影响是原远远不够的。在<多层及高层混凝土建筑结构设计》手册上，有一则考虑填充墙抗侧力的框架设计例题，算法同混凝土框架一剪力墙的算法类似，按墙柱刚度在二者之间分配侧力，是一种“混凝土框架一砖剪力墙”算法，未考虑混凝土柱与填充墙之间的协同及荷载传递。砌体填充墙不同于混凝土剪力墙，填充墙极大的刚度与较低的承载力是个很大的反差，其吸引很大的地震荷载却不能承担，同时为满足建筑物功能和使用要求，填充墙的数量和布置随意性很大，远不如混凝土剪力墙那样均匀合理，因此按“混凝土框架一砖剪力墙”的算法也不切实际。
　　三、常用的构造方法
　　目前广泛采用的构造方法为：墙体与框架柱拉接，墙顶与框架梁拉接，墙顶与框架梁底顶紧，必要时设置构造柱和水平配筋带，这些措施在保证填充墙稳定的同时，也使填充墙与框架紧密结合协同工作，填充墙因此不可避免的成为抗侧力构件。框架与填充墙的剪力分配随填充墙与框架刚度比和填充墙所处性能状态的不同而变化。
　　另一方面，框架抗震计算时，考虑了填充墙对框架的刚度影响而对框架自振周期进行了折减，也就是说填充墙对框架有刚度贡献，既然填充墙有刚度贡献，其抗侧力也是必然的。砌体填充墙或多或少的抗一部分侧力，如果框架具有相当数量的填充墙，填充墙则承担相当多的侧力承受不了巨大的地震剪力而开裂或破坏，其刚度急剧下降，抗震能力显著降低，吸引过来的大部分地震剪力瞬时传给所附着的框架而造成框架破坏。资料显示，如不考虑填充墙的影响，对于填充墙附着较多的框架，在震后都显示不同程度的震害，框架结构纵横向端跨框架因附着有大量的外维护墙体而震害严重。
　　事实上，大量的震情调查和模型试验表明，在合理的结构布局中，砌体填充墙钢筋混凝土框架结构远比空框架的抗震性能好。在震害初期砖填充墙和框架均处于弹性工作阶段，框架梁、柱对填充墙的耦合作用能共同工作抵御地震剪力的不利影响。随着侧力的逐步加大，填觅墙面出现微裂缝并发展成贯通的斜裂缝，主框架开裂并发展。此时，整体结构处于最大的承载力弹塑性阶段。在地震作用下，上部填充墙与框架共同参与工作，即使填充墙先开裂，且开裂后的刚度迅速下降，但由于填充墙的作用，结构进入塑性阶段后仍具有较大的耗能能力。但若填充墙布置及构造不恰当，也将对整个结构产生负面效应，其主要表现为：(1)减低在结构振动的固有周期，因而改变地震能量的吸收和基本结构的地震应力。(2)重新分配结构的侧向刚度，因而改变应力分布状态。(3)致使结构过早地发生通常是剪切或斜压的破坏。在具体的工程设计中要做到如何趋利避害，增加在框架砌体填充墙结构中的概念设计：仍按框架填充墙数量的多少来确定周期折减系数，适当考虑填充墙为抗侧力墙，根据结构的变形性能和应力情况来修改结构设计。
　　结论：
　　在全国范围的墙改政策的推动下，以前在框架结构和框架一剪力墙结构中普遍使用的实心黏土砖填充墙材料正逐步被一些新型砌体材料(包括混凝土空心砌块、粉煤灰砌块、加气混凝土砌块等)所取代。但由于缺少新型砌体填充墙框架结构抗震性能的相关研究，目前设计中仍主要沿用基于黏土砖填充墙的规定，使得新型墙体材料的性能优势得不到充分发挥，在一定程度上阻碍新型砌体填充墙的推广应用。
　　因此，开展新型砌体填充墙框架抗震性能和设计方法研究，既可为今后新型填充墙框架结构的抗震设计提供依据，同时也有助于墙改、节能政策以及新型材料的推广和应用。
　　参考文献:
　　[1]郭子雄,吴毅彬,黄群贤,砌体填充墙框架结构抗震性能研究现状与展望[J].地震工程与工程振动，2008（6）
　　[2]马杰，框架砌体填充墙结构抗震设计思考[J].今日科苑,2009(16)