砌体墙—钢筋混凝土墙组合结构抗震性能与应用研究

李强

【摘 要】本文结合笔者多年实践工作经验，针对砌体填充墙框架结构在地震作用下的受力特点，分析了填充墙钢筋混凝土框架结构产生震害的主要原因。结合国内砌体填充墙框架结构研究成果，围绕填充墙的刚度退化规律和不同性能水平的层间位移角，评述了填充墙框架结构的研究现状。最后，结合基于性能的抗震设计理论背景和禁用黏土实心砖提倡节能的政策背景，指出了今后应以实现基于性能的抗震设计为目标，针对新型砌体填充墙框架结构开展系统研究。

【关键词】填充墙框架结构；抗震性能；研究现状

在我国现阶段所运用最为广泛的一种建筑结构形式，就是填充墙框架结构。填充墙在实践当中运用的时候，主要是因为其本身的破坏性对建筑的使用功能有着严重的影响，那么产生负面问题之后还会增加部分维修的费用，如果填充墙产生的破坏较为严重的话，还将会造成人生安全造成较大的经济损失等。因此，在不断高速发展的现代社会中，具体工程中所得到的实践运用，主要是基于其设计原理的理论背景具有非常好的抗震性，以及其本身禁用粘土砖，然而在社会中又有着全面广泛提倡节能的政策背景，在我们地震工程界对于填充墙框架的整体抗震性能，需要重新进行进一步的审视，笔者针对砌体填充墙框架结构抗震性能研究现状与展望进行下文阐述，与大家共同探讨。

一、填充墙框架结构体系的受力特点

（一）填充墙的刚度效应和约束效应

填充墙的刚度效应是填充墙框架区别于空框架的主要特点之一。这种刚度效应可能导致填充墙框架结构在地震作用下发生软弱层破坏或扭转破坏，从而引起结构严重受损甚至倒塌。填充墙沿竖向分布不均匀时，由于填充墙的刚度效应往往会在填充墙布置较少的楼层产生沿竖向的软弱层。另外，由于装修和改变使用功能等原因在中间层取消部分填充墙也可能造成中部软弱层。在框架结构的周边均匀布置填充墙能在一定程度上提高框架结构的抗扭强度和刚度，防止结构产生附加扭转地震作用。除了整体刚度效应外，填充墙还会对主体结构的梁、柱和墙产生约束效应。填充墙往往开有门窗洞口，洞口的存在往往使填充墙在框架柱间产生拱推力。窗台对框架柱的约束造成短柱效应在历次地震灾害中非常多见。窗间墙对框架柱的约束造成的短柱效应、剪力重分配和破坏截面转移等不利影响已经成为填充墙框架结构地震破坏的最常见原因。

根据上文所言，在实践设计的过程当中，对于填充墙的刚度以及约束效应没有进行综合分析，将填充墙只是简单看成为非结构构建，那么在后期使用过程当中，对于结构是实际受力将会产生偏离，与最初设计时候的意图将会存在着诸多的差距，由此在发生地震的时候就无疑将结构的危险性进行了增加。所以，我们在对巨型以及新型结构体系进行更多关注的时候，对于填充墙框架的抗震性性需要做好进一步的重视，这样在社会中以及具体工程项目中无疑是具有非常重要的实践意义。

（二）填充墙框架的剪力分配特点

框架填充墙作为一种组合结构体系，框架与填充墙在水平地震下共同承担地震作用。一般认为，填充墙和框架所分担的地震剪力可以按照两者的刚度进行分配。然而，由于两个组成部分的材料性能存在较大差异，砌体填充墙和混凝土框架满足同一个抗震性能水平的变形容许值相差甚远。砖填充墙属于脆性材料，抗拉强度低，在地震作用下将首先开裂，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的设计地震剪力偏小，从而使结构存在安全隐患。

二、国内研究现状

我国自20世纪70年代即开始进行少量的砌体填充墙框架结构的有关研究。较为系统的砖填充墙框架试验研究集中于20世纪80年代，研究的重点集中在黏土砖填充墙框架受力全过程的刚度退化规律、破坏程度与层间位移角的关系。在填充墙框架受载后的刚度折减规律方面，不同文献基于不同试验研究记录的填充墙初裂和普遍開裂的刚度判定和普遍开裂的定义不尽相同，但从这些试验研究结果可以看出，填充墙初裂和普遍开裂时的刚度折减系数分别约为0.5和0.2。

进入20世纪90年代后，随着试验手段的不断提高，拟动力试验和地震模拟振动台试验技术开始应用于填充墙框架的抗震性能研究。关国雄等根据填充墙框架模型的振动台试验结果指出，结构屈服时的最大层间位移角为1/141，并引入反映墙体变形模量降低系数β和反映框架与填充墙之间连接减弱系数αc这两个系数来估计不同破坏状态下框架填充墙结构的层间刚度。

但由于缺少针对新型砌体填充墙框架的系统研究，目前关于填充墙框架的抗震设计要求仍是以20世纪80年代开展的黏土砖填充墙框架的研究成果为基础。因此，很有必要通过进一步研究，合理确定新型填充墙框架的合理位移角限值，为规范的修订提供背景资料，同时也可促进新型墙材在填充墙框架中的推广应用。

三、研究展望

首先，在全国范围的墙改政策的推动下，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。

其次，建筑物的性能水平是结构性能水平和非结构构件性能水平的综合体现。填充墙作为框架结构中最重要且易遭受地震损坏的非结构构件，其在不同水平的设计地震作用下的性能，特别是不同性能目标下的变形容许值的研究就显得至关重要。

最后，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。由于填充墙的刚度和强度在地震作用过程中处于动态变化过程，填充墙框架中填充墙与框架各自不利地震内力的确定尚有待进一步试验和理论研究。

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