填充墙布置对钢筋混凝土框架结构抗震性能影响研究.pdf

2 0 1 3 年 8 月第 8 期 城 市道桥 与防洪 科技研究3 2 5 填充墙布置对钢筋混凝土框架结构 抗震性能影响研究 杜 长 虹 ， 赵栩 天水师范学院， 甘肃天水 7 4 1 0 0 0 摘要 该文通过对框架结构中不同填充墙布置方案进行模拟计算， 然后对计算结果对比分析 ， 发现填充墙对框架结构整 体刚度有重要影响 ； 认为在结构设计中应重视作为非结构部件的填充墙的设计 ； 提出均匀布置填充墙框架结梅可以使结 构刚度提高 ， 变形减少， 但使结构延性降低 。 不均匀布置填充墙框架结构， 刚度会产生突变 ， 形成薄弱层， 对抗震不利。 如布 置不当还会形成短柱的结论 ； 可以对高烈度地震设防去框架结构建筑设计提供参考和依据。 关键词 框架结构； 填充墙 ； 抗震 中图分 类号 T U 3 2 3 ． 5 文 献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 9 7 7 1 6 2 0 1 3 0 8 0 3 2 5 0 3 O 引言 框架结构的建筑平面布置灵活 ，可以用隔断 墙分隔空间， 以适应不同使用功能的需求。框架结 构广泛应用于办公楼、 教室、 商场、 住宅等房屋建 筑。现行设计中将填充墙作为非结构构件处理， 我 国规范[2 1 对框架结构周期乘以 0 ． 6 ～0 ．7折减系数 来考虑填充墙的影响， 然后按纯框架进行计算。汶 川地震后的震害实例调查【 l】表明， 钢筋混凝土框架 结构房屋填充墙对结构安全有显著影响。因此， 结 合震害实例 ，研究填充墙对钢筋混凝土结构的抗 震性能影响具有理论意义和实践价值。 目前 ， 文献【 3 9 】 阐述了有关填充墙布置、 开洞 对框架结构 的强度 、刚度 、锚 固影 响等 问题 的研 究 。本文这里将继续研 究填充墙布置对钢筋 混凝 土框架结构抗震性能的影响，通过考虑填充墙体 位置的因素 ， 建立了 3 个典型框架结构模型， 对其 进行 3 种地震动输入下的动力时程分析 ，讨论了 在地震动作用下填充墙对框架结构的侧移、层间 位移 以及结构延性 的影响。 1 结构单元计算模型 美国纽约州立大学布法罗分校 s t a t e U n i v e r s it y o f N e w Y o r k a t B u ff a l o 和国家地震研究中 5 , N C E E R 联合开发研究的非线性结构分析程序 I D A R C 2 D， 集 成了到目 前为止的钢筋混凝土单元和结构的试验研 究成果。本文采用 I D A R C 2 D进行建模计算分析。 1 ． 1 框架梁、 柱的单元力学模 型 I D A R C程序提供的截 面恢复力模 型类型丰 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 2 7 作者简介 杜长虹 1 9 7 9 一 ， 女。 内蒙古人 ， 讲师， 从事教学与 结构工程研究工作。 富，包括弹性恢复力模型、理想弹塑性恢复力模 型、 两折线强化恢复力模型、 纤维模型等。本文分 析采用了基于纤维模型的非线性梁柱单元 ， 如图 1 所示 。 圈 1局部坐标系下框架梁、 柱单元力学模型 1 ． 2 填充墙的力学模型 一 般说来 ，钢筋混凝土框架中的填充墙有三 种力学模型， 分别是有效刚度模型、 框架填充墙并 行模型、 斜撑模型。本文采用斜撑模型。 将填充墙等效为与墙等厚度、相当宽度的斜 杆铰接于框架平面内， 此斜杆只能承受压力 ， 不能 承受拉力 ， 斜压杆与框架一起抵抗侧向力， 如图 2 所示。其中等效斜压杆的截面尺寸按照理论公式 计算， 比如参考文献【lo 】的方法。等效斜压杆的应力 一 应变关系如图 3所示。 2 填充墙对框架结构影响 为了研究填充墙布置对框架结构的影响， 根 据规范将框架结构简化为平面结构，再考虑影响 因素，建立了三种计算模型 1 纯框架模型 M1 图 4 a ； 2 完全填充墙框架模型 M 2 图 4 b ； 3 部分填充墙框架模型 M 3 图 4 c 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 6 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 8 月第 8 期 匿 ] 凹广 1 图2 等效斜压杆模型图 互 l k ’ 。 I l 龇l 1 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． _- J 图 3 应 力 - 应变关 系曲线 图 I, - m 图 4 模型 立面 三种模型的平面、 立面相同， 地上 6 层 ， 总高 度 2 0 _ 3 I n 。 柱尺寸 5 5 0 h i m6 0 0 m m； 主要梁尺寸 3 0 0 I l l m5 0 0 m m， 3 0 0 I i l m4 0 0 I T II ][ I_ O填充墙采用 M U 7 ． 5空心黏土砖与 M 5混合砂浆砌筑而成， 厚度 3 0 0 m m 。梁、柱采用 C 2 5混凝土，纵向钢筋采用 H R B 3 3 5 ， 箍筋采用 H P B 3 0 0 。 2 ． 1 模态分析 对三种模型进行模态分析 ，模型前三阶 自振 周期如表 1 所示。从表 1 中的数据可以得出， 填充 墙的存在增大了结构的刚度， 且填充墙越多 ， 刚度 增加越多 。 2 ． 2最大反应分析 对三种模型输入什邡八角波 s f 、 t a f t 波、 场地 表 1 自振周期 s 一 览表 波 e d ， 进行动力时程分析， 峰值加速度为 0 ．2 g 。 限于篇幅， 本节仅给出模型 1 、 2 、 3 输人 t a f t 波 下结构最大水平位移曲线如图 5所示 ，各模型输 人什邡波八角波下结构层间位移角曲线如图 6所 示，以及模型 3 在三种波分别输入下层间位移角 曲线如图 7 所示。 6 曩s 4 3 2 l 0 最大水平位移／ ma 图 5 t a f t 波下 结构的最大 水平位 移曲线 图 层间位移角／ ‰ 图 6 什邡 波八角 波下结构 层间位移 角 曲线 图 s f t a c d 图 7 模型 3层 阊位移角 曲线 图 由图 5 、 图 6可以得出， 含有均匀布置填充墙 的框架结构在地震波的作用下， 最大水平位移、 最 大层间位移都比纯框架小 ， 可见在地震作用下 ， 填 充墙虽然会破坏 ，但还是会在梁柱组成的框架中 起到一定的作用 ，使结构刚度提高 ，结构变形变 小。 由图 5 、 图 6 还可以看出， 均匀布置填充墙的框 6 5 4 3 2 l O 目 } }薮 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 8 月第 8 期 城市道桥与防洪 科技研究 3 2 7 架 结构层间最大位移 角小 于纯框架结构 ，反映填 充墙虽然提高结构的刚度， 但延性降低。 由图 5 、 图 6又可以看出， 不均匀布置填充墙框架结构层间位 移有较大突变 ， 得出结构刚度有较大突变， 形成薄 弱层 ， 对结构抗震不利 。 由图 7可以得 出 ，同一结构在不 同地 震波 的 作用下， 层间位移角有差别 ， 场地波作用下最大层 间位移角是什邡八角波约 2倍 ， 说 明在进行结构地 震反应分析时， 应结合结构特点， 按照抗震规范【l l】 5 ． 1 ． 2 条的规定选用合适的加速度时程曲线。 3 结 论 1 均匀布置填充墙框架结构可以使结构刚度 提高 ， 变形减少 ， 但使结构延性降低。 2 不均匀布置填充墙框架结构， 刚度会产生 突变 ， 形成薄弱层 ， 对抗震不利 。 3 填充墙布置时应避免形成短柱。 参 考文献 【 l 】 清华大学土木工程结构专家组 ， 西南交通大学土木工程结构专 家组 ， 北京交通大学土木工程结构专家组， 等． 汶川地震建筑震 害分析[ J ] ． 建筑结构学报， 2 0 0 8 ， 2 9 4 1 9 ． 【 2 】 J G J 3 2 0 1 0 ， 高层建筑混凝土结构技术规程【 s 】 ． 【 3 】 K a h n ，L ． F ．a n d H s o n ，R ． D．I l l e d Wa l l s f 0 r E a r t h q u e S t r e n g t h e n i n g ，ASC E S t r u c t u r a l Di v i s o n J o u mM，Fe b ． ，1 9 7 9，Vo 1 ． 1 0 6，2 8 3 2 9 6． 【 4 】B e e m，V a n d B wk k e n ，S ． ，I nflU s i ni s mi c R e s i s t a n t B u i i n g ， i b i d ，J u n e ，1 9 8 3 ，V0 1 ． 1 o 9 ，1 3 3 7 1 3 61 ． 【 5 】 尹之潜 ， 等． 在水平荷载作用下砖填充墙对框架承载力影响的 试验研究[ A ] ． 中科院工程力学研究所地震工程研究报告集 第 三集 【 c 】 ． 1 9 7 7 9 5 1 0 1 ． 【 6 】We i Ua I l e t a 1 ． ， I n e l a s t i c E a r t h q u e R e s n s e A n M i s 0 f B ri c k I nfl UFr a me ． Pr o c ． 7 t h W C EE I s t a n bu l T u e y ， 1 9 8 0 ， VOL． 3 O 7 3l 5 ． 【7 】 z a r n ic ， R a n d 1 l0 In a z e v ic ， M 胬 y 0 f e h a v io r 0 f M a s 0 n r y ’ ， I nfl iR． C ． F r am e s s u b j e c t e d t 0 S e i s I ． I i c L o a d i n p a r t O n e ， I n s fi f 0 r T e s t i n g a I l d Re a r c h i n a n d 8 t r u e ．ms ， L j u b U i a n a ， Yu s l a v i a ， ZRMK／ I KPI 一8 4 ／ 0 4． [ 8 】D h k e r ， M．a r I d P a g e ， A． W． ， T h e I n fl u e n c e 0 f B ri c k Ma s o n r y I n fiU P r o p e o n t l l e B a v io r 0 f I nfl l l Fr a me s ． Pr o c ． 0 f I n s t i ￡ u t i o n 0 f C i v i l E n g i n e e r s ， P a r t 2 ， D e c ， 1 9 8 6 ， 5 9 3 - 6 0 5 ． 【 9 】G o Mo n P ．D u c t i h 0 f I nfll l M F r am e s ， u r n a l 0 f A me ri c Co n c r e t e I n s fi ，1 9 8 6，5 6 7 - 5 7 6． 【 1 0 】 Am b r a s e y s N N ’ D u g l a s J ． N e a r _ f i e ld h 0 r i z 0 n t a l a n d v e i c M e a r t h q u e g r o u M mo t o R 8 [ J i l D a mi c s a n d E a r t h q u E n ri n g ， 2 0 0 3 ， 2 3 1 1 - 1 8 ． 【 1 1 】 G B S 0 0 1 1 - 1 0 ， 建筑抗震设计规范【 s 】 ． 湖南矮寨悬索桥关键技术国际领先 依托湖南湘西矮寨悬索桥开展的“ 矮寨悬索桥关键技术研究” 近 日顺利通过交通运输部科技司组织 的专家 鉴定 。专家一致认 为 ， 项 目成果达 到了国际领先水平 。 湖南湘西矮寨悬索桥是吉茶高速公路的控制性工程 ， 建设在矮寨镇上空 3 3 0 m处，跨越德夯大峡谷。 “ 矮寨悬索桥关键技术研究” 是交通运输部重点科研项 目， 被列入 2 0 1 3年十大交通科技重点推进方向。 项 目下设 6个专题 ， 由湖南省交通规划勘察设计院联合湖南路桥建设集团公司、 湖南省高速公路建设开发 总公司、 同济大学、 长沙理工大学等多家单位共同完成。 “ 矮寨悬索桥关键技术研究” 有力支撑了工程建设 ， 创下多项世界之最 大桥主跨 1 1 7 6 m， 成为世界 上跨峡谷跨径最大的钢桁梁悬索桥； 塔梁分离设计世界首创， 有效降低了两岸路线高度 ， 减少了山体开挖 量 ， 最大限度地保护了环境； 首创了“ 轨索滑移法” 架设技术 ， 大幅提高架梁效率， 这种安全、 经济、 高效的 工法被誉为悬索桥施工的“ 第四种方法” ； 首创了高空悬索吊挂式风环境现场观测系统， 为大跨径桥梁风环 境现场观测提供了一种新技术。 “ 矮寨悬索桥关键技术研究” 成果中， 新工艺已获发明专利 3 项、 实用新型专利 2项， “ 轨索滑移法” 架 设新技术等获得了2 0 1 2年度湖南省技术发明奖一等奖。项 目的多项成果还填补了我国在塔梁分离式悬 索桥研究领域的空 白。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m