填充墙对框架结构抗震性能的影响
第２９卷第３期
２００９年６月
地震工程与工程振动
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＡＲＴＨＱＵＡＫＥＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶＩＢＲＡＴＩＯＮ
Ｖ０１．２９Ｎｏ．３
Ｊｕｎ．２００９
文章编号：１０００—１３０１（２００９）０３－００５１—０８
填充墙对框架结构抗震性能的影响
李英民１”，韩
军１，田启祥１，陈伟贤１，赵盛位１
（１．重庆大学土木工程学院，重庆４０００４５；２．山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆４０００４５）
摘要：框架填充墙结构在汶川地震中产生了严重的震害，我国现行抗震设计对填充墙的考虑难以保证结构在地震下的抗震性能，研究一套简单有效考虑填充墙在地震中不利影响的设计方法是巫需解决的问题。本文按规范设计框架结构箅例分别进行弹性、静力弹塑性和非线性动力分析，考察填充墙在弹性和非线性阶段对框架结构的刚度、内力和变形的影响，特别是在强震中的不利影响；从中寻找弹性设计与非线性反应之间的关系而提出弹性设计中考虑填充墙不利影响的方法。结果表明，均匀满布填充墙对框架结构抗震总体上是有利的；填充墙平、立面不均匀布置对框架结构抗震不利；填充墙约束效应易产生附加剪力和短柱破坏。最后根据分析结果提出设计、管理中考虑填充墙影响的方法和措施。
关键词：填充墙；框架结构；ｔｔ震；Ｏｐｅｎｓｅｅｓ；ＳＡＰ２０００中图分类号：Ｐ３１５．９５
文献标志码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ
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ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｎｆｉｉｌｅｄｗａｌｌｓ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
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Ｑｉｆｉａｎ９１，ＣＨＥＮＷｅｉｘｉａｎｌ，ＺＨＡＯ
Ｃｉｔｉｅｓｉｎ
Ｓｈｅｎｇｗｅｉｌ
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｌｌｇｉｎｅｅｒｉｒＩｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４５，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ
ｏｆＮｅｗ
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Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆ
ＭｏｕｎｔａｉｎＡｒｅａ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉ瓶ＵｅｄｆｒａｍｅｓｈａｄｅｎｏｒｍｏｕｓｄａｍａｇｅｉｎＷｅｎｃｈｕａｎＥａｒｔｈｑｕａｋｅ．ＩｔｉＳｎｏｔａｌｗａｙｓｓａｆｅｔｏｈａｖｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆ
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ｗａｌｌ；ｆｌａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｅｉｓｍｉｃｄｅｓｉｇｎ；Ｏｐｅｎｓｅｅｓ；ＳＡＰ２０００
引言
框架填充墙结构由于其建筑布置的灵活性被广泛应用于办公楼、商业建筑及住宅中，填充墙用来分隔房
收稿日期：２００９一０１—１４：修订１３期：２００９一仍一２０
基金项目：国家自然科学基金项目（９０８１５０１１）；教育部新世纪优秀人才支持计划（ＮＣＥＴ一０６—０７６５）
作者简介：李英民（１９６８一），男，教授，博士。主要从事地震工程与结构工程抗震研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｙｉｎｇｍｉｎ＠ｃｑｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
５２
地震工程与工程振动第２９卷
屋。研究和设计中常将填充墙作为非结构构件处理，而忽略填充墙对框架主体结构抗震性能的影响。实际上在地震作用下填充墙与框架是共同工作的，填充墙的存在不仅改变了结构体系的刚度、强度及其分布，还对主体结构构件的局部约束条件产生不利影响。现行规范…的处理办法是对框架结构周期乘以０．６—０．７的折减系数来考虑填充墙对结构刚度的贡献，并通过弹性层间位移角限值来实现“小震不坏”。这种未考虑填充墙实际产生的刚度、强度和约束影响及其自身损伤变形的工程设计方法是简便的，但其合理性是值得怀疑的。图１给出了汶川地震中典型的填充墙引起的震害。图１（ａ）为填充墙在大震中充当第一道防线而遭受严重破坏，此时填充墙对框架结构是有利的，这是我们所期望的破坏模式，但同时也看到许多填充墙在中小震时也产生严重破坏，造成室内装修、非结构构件和设备等严重经济损失，这在现代地震震害中已经成为一个重要的特点，怎样结合经济水平发展基于性能的抗震设计方法来控制填充墙在不同地震水准下的损伤水平（或可维修度）将成为一个重要课题。图１（ｂ）一（ｅ）分别为填充墙对框架结构产生的４种典型的不利影响。（ｂ）为填充墙沿高度不连续布置造成刚度突变形成底部薄弱层，底层无填充墙框架柱上下端严重塑性铰破坏形成层侧移机构，层间位移角达１／１２之多，而２层以上结构基本完好。（ｃ）为填充墙平面布置不对称造成整体扭转破坏，临街面为商铺门面无填充墙，背面满布填充墙，造成结构严重偏心而扭转破坏；（ｄ）为框架柱受窗下半高填充墙约束而形成短柱破坏。（ｅ）为填充墙的斜向支撑作用对柱端引起附加剪力而加剧柱的破坏。以上震害表明，研究一套考虑填充墙在地震中的不利影响的设计方法是亟需解决的问题。同时这套方法不宜过于复杂，要求每栋简单框架结构设计都进行大震下抗震性能分析是不切实际的，所以怎样和现行的弹性设计方法结合而又能简单有效地考虑或避免填充墙的不利影响成为更重要的问题。
本文按规范设计框架结构算例分别进行弹性、静力弹塑性和非线性动力分析，考察填充墙在弹性和非线性阶段对框架结构的内力、变形的影响，特别是在强震中的不利影响。试图从中寻找弹性设计与非线性反应之间的关系而提出弹性设计中考虑填充墙不利影响的方法。最后根据分析结果提出设计、管理中考虑填充墙影响的措施和方法。
图１汶川地震中框架填充墙震害
Ｆｉｇ．１
Ｄａｍａｇｅ
ｔｏ
ｔｈｅｉｎｆｉｌｌｅｄｗａｌｌｉｎ
ＷｅｎｃｈｕａｎＥａｒｔｈｑｕａｋｅ
１
填充墙对框架结构影响的弹性分析
本节设计Ｍ１～Ｍ３考察填充墙对框架结构整体刚度、周期、内力和变形的弹性影响。图２给出了模型示
意。模型均为６层框架结构，设防烈度为７度，场地类别为Ⅱ类，框架抗震等级为三级，设计地震分组为一组，柱截面为４５０
ｍｍｘ４５０
ｍｍ，梁截面为２５０
ｍｍｘ５００
ｍｍ。Ｍ１为无填充墙的空框架，Ｍ２为底层空旷２层
第３期
李英民等：填充墙对框架结构抗震性能的影响
５３
以上满布填充墙，Ｍ３为６层连续满布填充墙，填充墙分别取用４种不同刚度的常见空心砖或实心砖砌体（表１）。计算软件采用ＳＡＰ２０００Ｖ１１。填充墙采用常用的等效斜压杆模型［２Ｊ，斜压杆模型非线性滞回曲线见图７。弹性分析时刚度采用其第一折线刚度。应该指出的是，该刚度值已是填充墙出现裂缝框架层间位移角处于弹性层间位移角限值１／５００附近时的刚度值。根据文献［３，４］，此时填充墙刚度约为初始弹性刚度的０．３一Ｏ．４倍。
１．１填充墙对结构抗侧刚度的影响
对上述３种模型进行ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析，取小震性能点处为弹性设计状态，性能点采用ＡＴＣ一４０【５１能力需求谱法求出。分别求出结构２层相对１层的层间侧移刚度比，如表２所示。模型Ｍ１的２层刚度明显小于１层；模型Ｍ２在２层以上布置填充墙使得２层抗侧刚度明显大于１层，在结构竖向形成明显刚度突变；而各层都满布填充墙的模型Ｍ３使结构刚度上下分布更均匀，对抗震有利。
表１取用的填充墙类型
Ｔａｂｌｅ１
Ｔｈｅｔｙｐｅｓｏｆｉｎｆｉｌｌｅｄｗａｌｌ
模型填充墙
１００空心砖
Ｍ２一或Ｍ３一１００普通砖（ＭＵ５＋Ｍ５）
２００普通砖（ＭＵ２．５＋Ｍ２．５）
耋型ｌ丝型！：ｉ±丝：１２
型窒：坠篮！丛型丝±丝１２型室：垒熊ｌ丝堕±堕２
表２各模型小震性能点处抗侧刚度比
Ｔａｂｌｅ２
Ｌａｔｅｒａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｒａｔｉｏｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ２ｎｄ
ａｎｄＩｓｔｆｌｏｏｒｏｆ
Ｍ１一Ｍ３（ｏ一＝０．０８）
××××××××××
。５０００。５０００‘
？５０００‘’５０００：’
蕃皤
Ｃｏ）Ｍ３
●
××××××××××
●
●
×
离
（ａ）Ｍ１（ｂ）Ｍ２
图２弹性分析模型Ｍ１一Ｍ３
Ｆｉｇ．２
ＡｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌＭＩ—Ｍ３
１．２填充墙对结构自振周期的影响
文献［６］指出，填充墙刚度效应明显，即便采用轻质填充墙，带填充墙的框架结构的初始弹性刚度也会比纯框架结构大５～１０倍。本节算例Ｍ３中３种模型的刚度比分别为３．５、６．１、１０．６。填充墙的刚度会显著影响结构整体刚度，使结构周期变短，地震力增大，而填充墙数量、布置位置、材料类型、开洞率及开洞大小等都会影响结构周期。规范采用一个综合的０．６—０．７的刚度折减系数很难概括各种可能情况。计算小震极限状态设计用的地震作用时宜根据不同情况分别选取不同刚度折减系数。为了考察不同层刚度的变化对结构周期的影响，对Ｍ３—２依次改变各层填充墙的刚度，其余层保持刚度不变，得到的相对空框架的周期折减
０．８０．７５ｎ７０．６５０．６０５５０．５ｏ．４５ｏ．４０．３５００
１ｏ．９０．８０．７０．６０与０．４０００Ｌ２ｏ．１Ｏ
０１２３４５６７８９１０１１１２
ｎｋ
Ⅲ
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７１
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必ⅨⅨＸⅨ
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葛
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１船
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泌泌泌泌泌
７２
田
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Ｉｌ
＆ｊ
图３某层填充墙刚度变化对周期的影响
图４填充墙刚度均匀变化对
周期的影响
Ｆｉｇ．４
Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｈａｎｇｅｏｆ
０１１
（ａ）轴力对比（ｂ）剪力对比
№３
Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔ
Ｋ０１１ｃｅｒｔａｉｎｆｌｏｏｒ
０１１删Ｔ
０ｆｄＨ簪ｄ
图５模型１～３小震性能点处内力对比
Ｆｉｇ．５
Ｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆ
ＫＯｉｌｅｖｅｒｙｆｌｅｅｒＶ，曩ｉｏｄＴｍｏｄｅｌｌ一３（ⅡⅢ＝Ｏ．０８）
地震工程与工程振动第２９卷
系数外如图３所示。由图可见，当某层填充墙刚度小于其它层刚度（Ｋ而一：）时，上部层填充墙刚度的改变对
结构周期影响比下部小；当某层填充墙刚度大于‰一：时，其布置位置对结构周期影响不大，均在０．４８—
０．５３之间。
为了考察填充墙刚度沿高度均匀分布时对结构周期的影响，改变填充墙与框架的抗侧移刚度比（按初始弹性刚度比旧’刊计算），得到ｎ。一妒，曲线，如图４所示。
由图４可见，当ｎ。＞２时，９ｒ＜０．６０，当几Ｋ处于常见的４—９时，９ｒ＝０．４—０．５，较规范规定折减系数０．６—０．７小较多。
１．３填充墒对框架内力的影响
为了考察填充墙对框架内力的影响，分别取模型ＭＩ、Ｍ２—２、Ｍ３—２小震性能点处的内力进行对比。图５给出了各模型的轴力和剪力的对比（弯矩的变化规律和剪力相同，图中略去）。由图可知，相对Ｍｌ而言：
满布填充墙的Ｍ３柱轴力显著增大，而梁柱的剪力和弯矩明显减小；底层空旷的Ｍ２柱轴力也显著增大，２层
以上梁柱剪力弯矩都减小，但底层柱剪力和弯矩显著增大。因此，模型中考虑填充墙的作用，将使结构整体弯曲效应更为明显，结构倾覆力矩部分由柱拉压轴力形成；当满布填充墙时填充墙承担了较大部分的地震剪力，使得框架内力减小，填充墙的存在对抗震是有利的；而底层空旷上部满布填充墙时将使得底层内力增大，对抗震不利。
１．４填充墙对框架层间变形的影响
图６给出各模型在小震性能点处的层间位移角沿楼层的分布。由图可知，７度小震时模型１空框架的２层层间位移角最大，且大于模型Ｍ２和Ｍ３的最大层间位移角；模型Ｍ２的底层层间位移角最大，与其它层相较有明屁的突变，说明２层以上满布填充墙使得底层成为薄弱层，在强震中底层可能成为能量累积的部位。模型Ｍ３的层间位移角较小且沿楼层分布较均匀，说明各层均匀满布填充墙可显著提高结构整体抗侧刚度，减小结构变形，对抗震有利。
２填充墙对框架结构影响的静力弹塑性分析
采用ＳＡＰ２０００Ｖ１１对模型结构进行ｐｕｓｈｏｖｅｒ弹塑性静力分析，按ＡＴＣ一４０推荐方法求出各地震水准对应性能点以考察结构抗震性能。模型中梁柱单元采用单分量集中塑性铰模型模拟非线性，梁采用Ｍ３铰，柱采用ＰＭＭ铰【８Ｊ，侧向力采用倒三角分布。填充墙等效斜压杆模型的应力一应变曲线如图７。图中，盯。。。为峰
值应力，ｇ。为峰值应力处的应变。取盯＝０．４３ｆｍ处的割线模量为初始弹性模量，此阶段的特征点为点Ａ；８。
＝０．００３，此阶段的特征点为点Ｂ；８。＝０．００６，此阶段的特征点为点Ｃ归Ｊ。斜压杆的宽度取为０．２倍对角线长度，厚度同墙厚旧ｏ。
９
６５４
ＭｌＭ２一ｌＭ２＿２Ｍ２＿３Ｍ３一ｌＭ３—２Ｍ３—３
ｌ０．ｇＯ．８０．７０．６０．５Ｏ．４Ｏ．３０．２Ｏ．１０
８７６５
Ｉ二
嚣３
１
４３２ｌ０
０．０８
０．５０
ｏ．７２
０．９０
ｄｔ＇ｆｌａｘ
２
０
层间位移角瞄
图６各模型弹性层间位移角比较
Ｆｉｇ．６
ＳｔｏｒｙｄｒｉｆｔａｎｇｌｅｏｆＭＩ～Ｍ３
图７填充墙模型应力一应变曲线
Ｆｉｇ．７盯一８
ｃｕｒｖｅ
图８各性能点处二层对一层刚度比
Ｆｉｇ．８
Ｌａｔｅｒａｌ８ｔｉｆｆｒｌｅｓ￥ｒａｔｉｏｏｆ２ｎｄｆｌｏｏｒｉｎｅａｃｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｏｉｎｔ
ｔｏ
ｏｆｔｈｅｉｎｆｉｌｌｅｄｗａｌｌ
１ｓｔ
２．１刚度比变化
为了考察各模型结构２层对１层的刚度比在弹塑性状态下的变化规律，求出各模型在不同地震水准性能点处（ａ…＝０．５、０．７２和０．９０）的刚度比变化情况列于图８中。由图可知，模型Ｍｌ和Ｍ３在强震下刚度比变化平缓，说明结构上下层损伤程度相当，没有明显的薄弱层；而Ｍ２分为两种情况：当上部填充墙刚度较小（Ｍ２一１）时，刚度比随着地震影响程度的增强变化较小；当上部填充墙刚度较大（Ｍ２—２）时，刚度比先减
第３期李英民等：填充墙对框架结构抗震性能的影响
５５
后增，和Ｍ２—１相比不同的是在ａ～＝Ｏ．７２后底层柱子损伤激增，破坏集中在１层，当上部填充墙刚度更大（Ｍ２—３）时，刚度比急剧增大，底层柱损伤集中。２．２层间位移角变化
图９给出了各模型在不同水准强震时层间位移角沿楼层的分布。可见，各模型沿楼层的分布规律和弹性层间位移角时相似；Ｍ３始终保持较小水平的层间位移，结构抗震性能明显优于其它两种；Ｍ１在７度大震时最大层间位移角大于模型２，而比７度大震更大时，Ｍ２的底层层间位移角显著增大，变形集中在１层，说明底层空旷上部满布填充墙时结构在超大震时抗震性能比空框架差，易产生薄弱层集中弹塑性变形，其中Ｍ２—１时变形仍比模型１略小，处于可接受水平。
．
层间位移角瞄
层闻位移角瞒
Ｉｄ２－２＋‘ｏ
——卜ｂｉｌｌ‘口‘‘ｈｉ２－１‘‘‘△
Ｍ２－－３＋１１６３－１—１卜Ｍ３＿．２—．．一１４３－３
层间位移角腻
图９各模型在大震及超大震下层间位移角沿楼层分布
Ｆｉｇ．９
Ｓｔｏｒｙｄｒｉｆｔａｎｇｌｅｏｆｍｏｄｅｌ
Ｍ１一ｂｔ３（口一＝Ｏ．５．０．７２．０．９０）
２．３塑性铰分布
图１０～图１２分别给出了结构在不同地震水准性能点处的塑性铰分布，限于篇幅Ｍ２、Ｍ３仅给出Ｍ２—２和Ｍ３—２。由图可见：（１）Ｍ１在７度大震下只出现梁铰，在更大地震时底层柱底出现塑性铰，梁铰发育充分，属于抗震性能较好的梁柱铰机制；（２）Ｍ２因底层薄弱层的存在，７度大震时底层柱底端出现塑性铰，随着填充墙厚的增加，底层柱的塑性铰发展严重；超大震时Ｍ２—２与Ｍ２—３的框架底层柱上下端都出现塑性铰，形成层侧移机构，对抗震极为不利，梁端塑性铰发展不够充分，而Ｍ２—１类似Ｍ１；（３）与Ｍ１相比Ｍ３梁柱端塑性铰减少，发展程度也降低，在超大震时底层柱底出现塑性铰，但总体上填充墙的存在使结构梁柱损伤减小，对抗震有利。
角雳蘑
Ｍｌ
Ｍ２
Ｍ３
Ｍｌ
Ｍ３Ｍｌ
图ｌＯ
Ｆｉｇ．１０
ｎ一＝Ｏ．５时塑性铰分布图
Ｐｌａｓｔｉｃ
图１１
Ｆｉｇ．１１
ｎ一＝０．７２时塑性铰分布
Ｐｌａｓｔｉｃｈｉｎｇｅｓ
图１２・ａ。＝０．９时塑性铰分布
Ｆｉｇ．１２
Ｐｌａｓｔｉｃ
ｈｉｎｇｅｓ（ｎ一＝Ｏ．５０）ｌａ一＝０．７２）
ｈｉｎｇｅｓ（ｎ一＝Ｏ．９０）
３填充墙对框架结构影响的非线性动力分析
上述分析基于设防烈度为７度的框架算例，且未考虑填充墙平面不均匀布置带来的扭转问题，又由于静力非线性分析在考虑高振型和空间不规则结构等方面的局限性，本节设计设防烈度８度０．３９的框架结构算例Ｍ４～Ｍ７进行非线性动力时程分析。算例设计如表３所示，对比框架结构无填充墙、满布填充墙、底层无填充墙其它层满布、一侧布置填充墙时大震下的动力反应，考察填充墙对结构抗震性能的影响。
算例场地类别为Ⅱ类，框架抗震等级为二级，设计地震分组为一组，皆为３×２跨６层框架结构，Ｘ向（水平）３跨（跨度为６ｍ），Ｙ向２跨（跨度为５ｍ），层高除底层３．９ｍ外皆为３．３ｒｎ，柱截面为５５０
ｒａｍ／４５０ｍｍ×４５０
ｍｍ×５５０
ｍｉｌｌ（４—６层），梁截面为３００咖×７００
ｍｉｌｌ，梁柱混凝土等级为Ｃ３０，结构楼面恒载取
地震工程与工程振动第２９卷
４．５
ｋＮ／ｍ２，活载取２．０ｋＮ／ｍ２；屋面恒载取６．０ｋＮ／ｍ２，活载取２．０ｋＮ／ｍ２。梁柱纵筋采用ＨＲＢ３３５级，梁柱
箍筋和板筋采用ＨＲＢ２３５级，板厚１００ｍｍ。非线性分析中Ｃ３０混凝土强度平均值取２６．１ＭＰａ，弹性模量平均值为３．２３６×１０４
ＭＰａ。
分析软件采用ＯｐｅｎＳｅｅｓ¨０Ｉ，梁柱单元采用基于柔度法的非线性梁柱单元，截面采用纤维模型以模拟框架柱在双向弯曲和变化轴力间的耦合作用¨１｜。填充墙模拟为等效斜压杆模型，采用Ｔｒｕｓｓ单元，单轴滞回材料，控制点参数同上节中Ｍ２—２的算例。输入地震动为了避免填充墙刚度带来的周期变化影响选用４条人工
模型
Ｍ４
表３动力分析算析
Ｔａｌｂｅ３
Ｍｏｄｅｌｓｆｏｒ
ｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ
填充墙布置情况
无填充墙
ｙ向４榀１—６层满布填充墙ｙ向４榀２—６层满布填充墙ｌ，向左端榀ｌ一６层满布填充墙
Ｍ５Ｍ６
Ｍ７
波（采用ＡＲＭＡ模型拟合相应规范反应谱的人工波），输入方向为ｙ向。３．１预估大震下动力分析结果
预估大震地震加速度最大值为５．Ｉｍ／ｓ２，计算时间步长取０．００５ｓ。图１３给出了Ｍ４、Ｍ５及Ｍ６最右端榀及Ｍ７左右榀框架层间位移角最大值的平均值（动力分析结果中未特指均为各波的平均值）沿楼层的分布。由图可知，Ｍ４的第２层和第４层（冈柱在此层变截面）层间位移角最大，Ｍ５、Ｍ６的层间位移角最大值明显小于Ｍ１，Ｍ６底层层间位移角还处于较低水平；Ｍ７右边榀层间位移角明显大于Ｍ４，而左右边榀层间位移角相差较大，说明存在明显的扭转效应。结果表明，Ｍ４一Ｍ６的计算结果同７度区框架结构弹塑性静力分析的结论相似，在预估大震下结构均匀满布填充墙对结构抗震是有利的，底层无填充墙而上部填充墙刚度较小时在预估大震下反应较小；而填充墙平面布置不对称时将引起明显的扭转效应，对抗震不利。
左右
Ｍ４
Ｍ５血§Ｍ６聱
图１３各模型大震下层间位移角最大值沿楼层分布
Ｆｉｇ．１３
Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｏｆｓｔｏｒｙｄｒｉｆｔ
ｒａｒｅ
层间位移角层间位移角层间位移角
图１４填充墙刚度不同时层间位移角最大值沿楼层分布对比
Ｆｉｇ．１４
Ｃｏｎｔｒａｓｔｏｆｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｏｆｓｔｏｒｙｄｒｉｆｔｏｆ
ｍｏｄｅｌｓ｛％＝５．１ｍ／ｓ２）
ａｎｇｌｅｏｆＭ４一Ｍ７ｉｎ
ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ
３．２填充墙刚度的影响
为了考察填充墙不同刚度对结构地震反应的影响，分别将Ｍ５、Ｍ６和Ｍ７的填充墙刚度扩大３倍（相当于ＭＵｌ０砖、Ｍ５砂浆砌筑的２４０ｍｍ砖墙）形成Ｍ８、Ｍ９和ＭＩＯ。计算所得的层间位移角最大值沿楼层分布见图１４。可见，填充墙刚度对满布填充墙结构影响较小，反应仍小于Ｍ４；填充墙刚度对Ｍ６和Ｍ７影响较大，墙刚度增大使Ｍ６的底层和Ｍ７的二层层间位移角显著增大。说明结构上下刚度比和刚度偏心对结构抗震性能影响显著。
３．３超大震时填充墙的影响
把输人地震动加速度峰值从５．１Ｉｎ／ｓ２增大到６．０ｍ／ｓ２以考察填充墙在超大震时对结构抗震性能的影响。一侧布置填充墙的Ｍ７在第２、４层层间位移角过大，超过１／３０，结构趋于局部倒塌；图１５给出了Ｍ５和Ｍ６层间位移角最大值沿楼层分
Ｆｉｇ．１５６５４
篓３
２１
０
Ｏ．００００．Ｏｄ７
０．０１４（）．０２ｌ
层间位移角
…ｘ・．．Ｍ．．５－６．０一——・一一Ｍ５—５．１
－－－ｘ…Ｍ６－６．０
一—●一～Ｍ６—５．１
——Ｍ４－６．０——Ｍ４－黾Ｏ
图１５超预估大震时各模型层间位移角
最大值沿楼层分布对比
Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｏｆｓｔｏｒｙｄｒｉｆｔａｎｇｌｅｏｆ
Ｍ４一ＭＴ（ａ。＝６．０ｍ／ｓ２）
布，Ｍ５在超大震时底部３层层间位移角稍有增大，仍比Ｍ４小很多；Ｍ３在超大震时底层层间位移角激增，底
第３期李英民等：填充墙对框架结构抗震性能的影响
层薄弱层效应明显，将输入地震动加速度峰值增加到６．３ｍ／ｓ２结构底层层间位移角超过１／２０，说明底层空旷而上部满布填充墙的结构在超大震时抗震能力差。
图１６以其中一条人工波为例给出了各模型结构层间位移角最大层的右边柱在大震和超大震时的弯矩曲率关系对比。可见，（１）无填充墙框架结构在大震和超大震下在第４层会出现较明显的弯矩铰，这与
ＳＡ嘲计算７度区的结果有差异，原因可能有：一是８度半区框架受地震作用控制而７度区结构不受地震
作用控制，二是Ｏｐｅｎｓｅｅｓ计算模型中梁采用Ｔ型考虑了部分楼板对刚度和强度的影响致使柱更容易出现塑性铰；（２）上下均布填充墙的Ｍ５在超大震下柱损伤仍处于较小水平；（３）底层空旷上部满布填充墙的Ｍ６底层柱在预估大震下损伤较小，而在超大震下反应激增，且屈服后承载力迅速下降，这与上部填充墙的附加轴力（１．３节）使得柱轴压比增大有关，说明此类结构在超大震时抗震性能差；（４）一侧布置填充墙时结构右侧（柔性边）柱损伤严重，且在超大震下处于不稳定状态，可能局部倒塌。
８００６００
８００
■ｏＷ
１４００
莒４００
互２００
墩０静
锄础
虢
孑
Ｆｉｇ．１６
６００
睨／／—Ｌ—Ｍ４＿５．１
・－・・－・－Ｍ４－－６．０
墨２００
－２００
主４００＿
言１０００
Ｚ
邑６００
栅ｏ
嚣２００
舢
删
ｊ。渺
砌
Ｊ
∥
矿．『－．
曲率／（ｔａｄ・ｍ－１）
ｊ涉
’——Ｍ７—５．１
……・Ｍ７以０
图１６层间位移角最大层右边柱大震及超大震时弯矩曲率
Ｍ一妒ｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｆｉｇｈｔｓｉｄｅｃｏｌｕｍｎ
ｏｎ
ｔｈｅｆｌｏｏｒｔｈａｔｈａｓｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｏｆｓｔｏｒｙｄｒｉｆｔｍｌｇｌｅ
４填充墙约束效应的考虑
填充墙约束效应有两种情况：一种是填充墙在层高范围满布时由于填充墙斜支撑作用并非作用在框架节点上，而是与节点及相连的柱和梁有一定接触范围（图１７右侧），会对梁端及柱端引起附加剪力，若设计中未充分考虑，在地震中就可能引起如图１（ｅ）所示的破坏；另一种是层高范围内开窗由于填充墙的局部约束效应使柱计算高度减小而形成如图ｌ（ｄ）的短柱破坏。
表４模型Ｍ３—１～Ｍ３—３附加剪力对比
’Ｉ幽ｅ
４ＣｏｎｔｒａｓｔｏｆａｄｄｉｔｉｏｎａｌｓｈｅａｒｏｆｍｏｄｅｌＭ３．１一Ｍ３．３
边柱剪力／ｋＮ
填充墙类型
斜撑力分配
Ｍ３一ｌＭ３—２
４３．６５８．２
７４．４
中柱剪力／ｋＮＤ值法反应谱周分配
４７．４
Ｄ值法反应谱周斜撑力分配
３６．２４６．７５９．０
期折减
３５．２
４２．５
分配
４９．２６４．６８３．８
斯折减
４７．２５６．９
７１．１
６１．３７６．９
图１７填充墙斜撑作用示意
Ｆｉｇ．１７
Ｔｈｅｄｉａｇｏｎａｌ
ｓｔｒｕｔ
Ｍ３—３６３．Ｏ
ｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｔｉｌｌｅｄｗａｌｌ
对于第一种约束效应通常处理办法是忽略填充墙的抗剪承载力，周期折减后的层间剪力全由柱子承担，相当于将填充墙刚度引起的剪力增大按Ｄ值法进行分配，但实际情况是与墙相连的柱刚度大会受到更大的地震力，且由于填充墙受震时单向斜撑作用使各柱并非按Ｄ值分配（如图１７左侧）。由表４可以看出，按Ｄ值法分配填充墙剪力与周期折减系数法计算剪力接近；按斜撑传力分配剪力时中柱剪力除底层外周期折减系数法基本满足，而边柱相差较多，周期折减系数法可能使边柱计算剪力不够，特别是在墙顶与梁底接触不紧密或墙顶斜砌砖过早被压坏时易出现填充墙将边柱剪坏的情况。
图１８口一＝Ｏ．７２时破坏图
Ｆｉｇ．１８
Ｐｌａｓｔｉｃ
ｈｉｎｇｅｓ（ａｍｅ＝＝Ｏ．７２）
５８
地震工程与工程振动第２９卷
为了考察第二种约束效应——短柱破坏，对Ｍｌ在每层２／３层高范围内设置填充墙，变化填充墙刚度进
行Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析，填充墙类型仍同表ｌ。计算结果表明（限于篇幅图１８仅给出填充墙刚度最大算例的出铰情况），当填充墙刚度较小时结构出现弯曲铰之前并未剪切破坏，当填充墙刚度较大时，结构底部两层边柱、中柱会出现明显的剪切失效…】，这与图ｌ（ｄ）震害相符。
５结论与建议
本文进行了若干框架结构弹性及非弹性地震反应分析，对比了考虑填充墙与不考虑填充墙时的结构动力性能及抗震能力。得出的主要结论有：
（１）非柔性连接填充墙对结构刚度贡献在多数情况下是不容忽略的，仅按现行规范对结构周期进行折减是不够的，且规范折减系数统一取为０．６一Ｏ．７不够全面，可按图４对不同填充墙数量的结构取相应的系数；
（２）非柔性连接填充墙不仅提供了刚度，还改变了结构构件的约束条件，其对结构的影响主要体现在：１）减小结构周期，一定程度上增大地震力；２）改变了结构刚度分布，竖向刚度分布的不均匀可能导致薄弱层的发生，平面刚度分布的不对称则可能加剧结构扭转效应；沿高度和平面均匀分布的填充墙对结构抗震性能总体上是有利的；３）非均匀分布填充墙甚至可能改变结构的破坏模式和薄弱部位，使设计预期的破坏模式不能实现；４）改变了所连接竖向抗侧力构件的约束条件，使构件的非线性性能发生变化，层高范围内局部设置填充墙（如门窗洞口）造成短柱破坏即为典型实例；５）有可能改变框架柱的受力模式，使上下柱端承受明显的附加剪力，且增大柱的轴力。
（３）在框架结构设计中尽可能使计算模型和实际情况相符是正确处理填充墙影响的关键问题。为此建议：１）将填充墙作为第一道防线进行抗震设计是一个可取的设计思路，但应注意控制其破坏程度和可维修程度；２）在结构动力特性分析、规则程度划分及刚度控制等设计环节，应考虑填充墙的刚度（线性和非线性）贡献；３）不考虑填充墙刚度贡献时应采用柔性连接或其他方式；４）应避免随意、大规模增拆填充墙，必要时须通过设计部门和物业管理部门共同审批决定增拆方案。
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填充墙对框架结构抗震性能的影响
作者：作者单位：
李英民， 韩军， 田启祥， 陈伟贤， 赵盛位， LI Yingmin， HAN Jun， TIAN Qixiang， CHEN Weixian， ZHAO Shengwei
李英民,LI Yingmin(重庆大学,土木工程学院,重庆,400045;山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆,400045)， 韩军,田启祥,陈伟贤,赵盛位,HAN Jun,TIAN Qixiang,CHENWeixian,ZHAO Shengwei(重庆大学,土木工程学院,重庆,400045)地震工程与工程振动
EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION2009,29(3)8次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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