框架填充墻破壞機理研究及其耗能設計

鄭 智，古 松，雷 挺，文 霓，常曉蕾

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川省綿陽 621000)

5.12汶川大地震震害表明［1］，多數框架結構破壞中，主體結構震害較輕，作為圍護結構的填充墻破壞非常嚴重。而現代地震新特點表明，非結構構件在大震中的倒塌破壞威脅人民生命安全，破壞建筑物內部設施，其地震中的損失比例，有超過主體結構的趨勢?？蚣芴畛鋲Y構的抗震設計研究由來已久，工程界常采用設置構造柱或水平系梁增加填充墻整體穩定性，提高其剛度、強度及耗能能力，使填充墻成為抗震中第一道防線。但其巨大的剛度效應及布置的隨意性使主體結構在大震中因為剛度突變發生破壞，這與大震下允許非結構構件合理破壞以保護主體構件的抗震理念相悖。因此，研究者試圖研究出抗震性能更好，其剛度也可控制的填充墻。這需要全面掌握框架填充墻的破壞形態和影響因素，通過分析其應力分布情況，提出合理的構造措施來實現墻體剛度可調和破壞可控制。

1 填充墻破壞機制的影響因素

1.1 填充墻與框架連接方式

目前，填充墻與框架柱的連接方式分為剛性連接和柔性連接兩種，柔性連接即是對填充墻與框架進行脫空處理，墻柱間縫隙用軟材料填滿［2］，這樣處理可以基本消除填充墻的剛度效應，但也存在以下缺點:(1)穩定性差。研究表明［3］，采用柔性連接的框架填充墻構造形式，即使采用鋼筋拉結也容易在強震下發生平面外倒塌。(2)柔性連接使填充墻防水、保溫、隔熱、隔音的性能下降，也不能運用于外墻圍護結構。(3)柔性連接施工工藝復雜，技術含量高，推廣性較差。因此，目前國內常采用墻與柱剛性連接，用鋼筋拉結，墻頂斜砌砌塊與梁連接，保證填充墻不改變梁的受力分布。剛性連接的填充墻勢必增大填充墻的結構剛度，在地震作用下對框架起到支撐作用，增大了結構的承載力和整體性，抗震性能較好［3］。但地震作用下，填充墻瞬間破壞，劇烈的剛度退化引起框架較大的內力重分布，改變了結構受力設計意圖，產生的次應力使框架發生預料之外的破壞［2］。兩種連接方式各有利弊，鑒于施工簡單，造價較低，剛性連接還是主流連接方式。

1.2 砌體材料

隨著我國墻改政策的推進，在填充墻砌體材料的使用上傳統黏土磚正逐步被諸如加氣混凝土砌塊、混凝土空心砌塊等新型砌體材料取代。國內對于框架填充墻抗震性能的研究普遍選用黏土磚，而新型砌體相比黏土磚在外形和性能上有很大的不同，有必要對新型填充墻砌體的抗震性能做出研究。

填充墻的抗震性能與砌體的強度、形狀以及砂漿強度息息相關。在保證砂漿強度和受力狀態相同的情況下，文獻［4］通過對不同砌體材料的一榀框架填充墻結構，在剛性連接、滿布填充墻以及高寬比相同的情況下進行低周反復加載試驗，得出如表1所示相對于空框架抗震性能的試驗數據。

表1 不同砌體材料框架填充墻抗震性能參數對比Table 1 The seism ic capacity of infilled wall structures w ith differentmasonry materials

表1中P1，P2，P3分別表示采用普通黏土磚、混凝土空心磚和加氣混凝土磚為填充墻材料時框架填充墻結構相對于空框架的抗震性能參數比值(延性系數除外)。從表1可以看出，不同砌體材料的框架填充墻結構在剛度、強度、延性性能等方面有顯著差異，且傳統黏土磚填充墻抗震性能優于輕質新型砌體框架填充墻結構。而現行關于框架填充墻的設計規定主要以20世紀80年代開展的黏土磚框架填充墻的研究成果為基礎，在填充墻使用輕質砌體后使其設計偏于不安全。如震害中，大量運用空心磚的框架填充墻結構在地震作用下發生局部壓碎、脫落，破壞較為嚴重［5］。

1.3 填充墻高寬比

在地震作用下，填充墻的裂縫沿著對角方向通過灰縫滑移形成，高寬比的不同，其裂縫發展形勢有所不同，與框架之間的耦合作用也不盡相同。因此，高寬比的不同直接影響框架填充墻結構的承載能力，裂縫的發展狀態也制約了剛度的退化。

相對于空框架，框架填充墻結構的剛度隨著高寬比的減小緩慢減小，當高寬比超過1.5之后，剛度影響更?。?］。而對于高寬比不同的框架填充墻結構，其抗震性能也有所變化，具體試驗數據如表2［4］。

表2 不同高寬比框架填充墻抗震性能參數Table 1 The seism ic capacity of infilled wall structures w ith different aspect ratios

表2中K1，K2分別表示混凝土空心磚和加氣混凝土磚填充墻在高寬比1:1.5與1:2時，抗震性能各項參數比值?？梢?，當高寬比減小，框架填充墻結構承載力、屈服荷載、初始剛度、耗能能力都有所增大。同時，試驗表明，隨著高寬比的減小，位移延性系數降低，用高寬比1:1.5與1:2的混凝土空心磚、加氣混凝土磚框架填充墻結構進行比較，得出延性系數分別減少了31.1%和7.7%。

影響框架填充墻破壞行為的因素除了以上3種外，還包括填充墻開洞情況和構造措施，而為了得到這些因素對填充墻更精確的影響，需要研究者做出更詳細全面的理論和實驗分析。

2 框架填充墻應力分布情況

在明確影響框架填充墻破壞機制因素后，需要分析填充墻在地震作用下應力分布情況，找到填充墻內應力集中部位。通過設置耗能器或者改變結構構造形式，達到人為控制填充墻破壞形態，在提高填充墻抗震性能的同時，控制填充墻剛度的突變，避免剛度效應帶給結構的破壞。

文獻［7］表明，一榀框架在水平地震作用下受力破壞大體可以分為4個階段:(1)作用初期，填充墻與框架間出現微裂縫，此時，結構剛度最大。(2)填充墻與框架間形成裂縫，填充墻上一般未出現裂縫，填充墻和框架都處于彈性階段。(3)墻面出現裂縫直至對角貫通，框架柱也開始發生裂紋。(4)荷載的繼續增加主要由框架承擔，填充墻裂縫滑移加劇，直至框架出現塑性鉸，結構破壞。

通過有限元軟件模擬在框架的頂端施加側向力時［8］，空框架結構應力分別先后集中在柱端和梁端。在加入填充墻后，結構的應力分布圖發生了改變，梁上的應力迅速減小，應力主要集中在填充墻的對角區域以及與這塊區域接觸的柱頂和柱底一定高度范圍，填充墻承擔了大部分側向力，其主要的受力部分類似一個具有一定寬度的對角等效壓桿，其示意圖如圖1。

圖1 空框架及框架填充墻水平荷載下應力分布圖Fig.1 The stress distribution of frames and with infilled walls under horizontal load

3 填充墻耗能設計趨勢

為了提高作為脆性材料的填充墻抗震性能，我國《建筑抗震設計規范》［9］采用加入水平系梁或構造柱的方法，使填充墻的強度、延性大為提升，并且也增強了填充墻框架結構的整體穩定性。以上構造的填充墻滯回曲線較為飽滿，耗能能力增強，開裂荷載、極限荷載都有較大提高。但是我們也意識到，此構造形式，使填充墻剛度激增。因此，在填充墻豎向、水平布置不合理的時候，會因為剛度突變形成薄弱層和扭轉效應。因此，學界開始對填充墻新型耗能技術進行研究，并取得了一系列成果。

3.1 耗能器減震技術

耗能器減震技術是通過在結構物中的支撐、剪力墻以及結構物的節點或連接處設置耗能器，這些部位往往需要承受更大的應力，在小震作用下，耗能器處于彈性狀態，當在強烈地震作用下，耗能器率先進入非彈性狀態，結構產生較大阻尼，耗散大量的地震能量，使主體結構避免進入明顯非彈性狀態，從而避免主體結構在強震中大幅度損壞。

早在20世紀90年代，瞿偉廉等［10］就在填充墻頂部設置軟鋼耗能器和摩擦耗能器，組成耗能橫縫，其填充墻與框架設為脫空連接。在小烈度地震下，耗能橫縫不耗能，填充墻具有很大的剛度，而大震作用下軟鋼耗能器進入彈塑性滯回循環，摩擦耗能器鋼板與摩阻材料間產生滑動，消耗大量能量，保護了主體結構和填充墻，具體構造形式如圖2。

圖2 耗能器減震設計示意圖Fig.2 The aseismic design for different energy dissipators

耗能器減震技術運用在填充墻框架中，既提高了結構抗震性能，又讓其對框架的剛度約束效應降到了最低。但是，該方法造價高，構造復雜，施工工藝繁瑣，加大了框架填充墻建造成本。因此，該技術一般運用于要求填充墻在大震作用下不發生破壞的重要建筑中。

3.2 構造耗能技術

由于耗能器的昂貴，不可能將耗能器減震技術完全運用到民用建筑中來，為此，研究者試圖通過對填充墻構造的改進，如預設滑動層、預設能起到保險絲作用的耗能構造，使得墻體如同安裝了耗能器，達到“剛度可調整、破壞可控制”。

田志昌［11］等把填充墻豎直方向分為幾段，每段設置一種缺口，并用牛皮紙作為隔斷的水平滑移縫，如圖3，當框架受地震作用時，這種填充墻主要受水平力的作用，避免了斜向的受壓破壞，只造成墻體的均勻水平裂縫。實驗證明這種填充墻對框架剛度貢獻小，具有較穩定的滯回環，可以產生耗能減震的效果。但是這使填充墻的穩定性能下降，并且對框架的承載力的貢獻也下降不少。

圖3 田志昌耗能填充墻設計示意圖Fig.3 The infilled wall designed by TIAN Zhi－ chang

周云［12］指出，在填充墻內設置豎向縫隙能使填充墻墻體被劃分為若干墻板柱，其破壞形態會從剪切破壞型向彎剪破壞型過渡，延性將有所提高。當裂縫發展到豎向縫隙時，縫隙將隔斷裂縫的進一步發展，從而避免或者延遲貫通裂縫的產生。設置橫向縫隙使填充墻在水平作用下按照預設的水平縫隙發展裂縫，通過加入的耗能材料增大砌塊間的摩擦和填充墻耗能能力，保護了主體結構。因此，周云提出一種滿布砌體和帶窗口的阻尼減震墻，見圖4。

圖4 阻尼減震墻設計示意圖Fig.4 The design sketch of damping suspension wall

如圖4所示，分別把填充墻分成若干層，砌體層之間加入黏彈性材料以增大摩擦耗能，并且每一層砌體與框架柱之間交錯留縫，填充軟砂漿和黏彈性材料。在結構受到地震作用時，發生層間變形，不同位置的砌體單元產生相對位移，使得黏彈性材料層發生剪切變形，從而吸收和耗散地震能量，減少或避免墻體產生破壞。但對于此結構穩定性能的評定，還需要通過試驗進行進一步研究。

4 結束語

目前對構造耗能型填充墻的研究才剛剛起步，缺少對其抗震性能試驗和經驗驗證，也沒有統一的設計標準。本文通過對框架填充墻結構在地震作用下破壞機理和受力分析的歸納研究，總結了目前關于構造耗能填充墻設計的一些方案，得出以下結論:(1)柔性連接較剛性連接對框架產生的剛度效應較小，但穩定性較差。(2)普通黏土磚、混凝土空心磚和加氣混凝土磚框架填充墻結構的水平承載力、耗能能力依次降低，其中空心磚初始剛度最大，延性系數最低。(3)隨著框架填充墻結構高寬比的減小，其承載力、屈服荷載、初始剛度、耗能能力都有所增大，延性系數降低。(4)相比普通填充墻，通過構造耗能技術設計的填充墻抗震性能不但提高，且由于與框架柔性連接，在大震下剛度效應明顯降低，加之較耗能器減震技術更廉價，值得在填充墻抗震設計中推廣。

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