摘要：框架结构中砌体填充墙作为外围护和内隔墙，其抗震性能备受关注。文章利用有限元建模，重点对砌体填充钢筋混凝土框架抗震性能展开分析。
关键词：砌体填充；钢筋混凝土；抗震性能
框架结构中砌体填充墙作为外围护和内隔墙，在我国规范《建 筑 抗 震 设 计 规 范》（GB 50011—2010）将砌体填充墙按照非结构构件处理，在进行框架结构设计时仅将砌体填充墙重力荷载效应按照均布荷载施加到框架结构的梁上，并通过折减结构的基本周期考虑填充墙的刚度效应，而忽视了砌体填充墙与框架构件相互作用改变了主体框架结构的传力机制和受力状态。但是历次地震震害调查发现，带填充墙框架结构破坏非常严重，并且破坏形态与预期的纯框架结构破坏形态有明显的差异。因此对砌体填充钢筋混凝土框架抗震性能分析十分必要。
一、有限元建模
（一）结构模型与建模假定
为揭示填充墙-框架协同工作机理，考虑填充墙砌体材料、填充墙数量及布设形式对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响，建立了一榀6层3跨的平面框架。抗震设防烈度为7度（0. 1g），设计的地震分组为第一组，场地类别为II类，抗震等级为三级，楼面活荷载为2. 0 k N/m2。各层柱的截面尺寸为400mm×400mm，梁截面尺寸为300mm×450mm，底层层高4. 3 m，其他各层层高3. 3 m。按填充墙的布设形式建立12个模型，M1模型为框架结构未布设填充墙，M2～M4模型竖向规则布设填充墙，M5～M10模型竖向不规则布设填充墙，M11 和M12 为实际结构底层不完全布设填充墙。钢筋和混凝土的组合采用分离式模型，将钢筋和混凝土独立建模并各自赋予材料属性，钢筋与混凝土独立选用单元类型并各自进行网格划分；不考虑钢筋与混凝土之间的相对滑移，钢筋骨架采用嵌入方式嵌固在混凝土中；填充墙假定为均质材料，不考虑砌块与砂浆之间的相互作用，砌块和砂浆作为同种材料建模；填充墙与框架不考虑粘结效应，采用硬接触模拟两者之间的法向压力，采用罚摩擦模拟两者之间的切向摩擦力。
（二）模型验证
为验证本文结构模型建立的合理性和计算结果的准确性，对试件试验的填充墙框架进行了数值模拟计算，计算结果和试验数据吻合较好，说明填充墙框架模型计算结果比较可靠，模型的建立和参数的取值比较合理。
二、砌体填充钢筋混凝土框架抗震性能分析
因为地震都是随机的动力作用，故采用动力时程分析方法研究填充墙布设情况对填充墙框架抗震性能的影响。动力时程分析选用El Centro地震波，填充墙在地震作用下容易受到破坏，为了研究填充墙框架协同工作性能，适当降低加速度峰值，将加速度峰值调整为0. 55 m/s2，持续时间为8s。
（一）填充墙砌体材料、数量及布设形式对填充墙
填充墙砌体材料、填充墙数量及布设位置对填充墙框架结构在地震波作用下基底剪力有较大的影响。模拟结果可知，框架结构不布设填充墙模型，结构振动周期最大，布设有填充墙的模型，结构振动周期明显缩短，并且随着填充墙砌体弹性模量的增加，结构振动周期逐渐逐渐缩短。这印证了前面填充墙增加了框架结构抗侧刚度的分析结果布设有填充墙模型框架最大基底剪力明显比未布设填充墙框架大，并且随着填充墙砌体弹性模量的增加，最大基底剪力逐渐增大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但同一模型最大基底剪力并非严格的随填充墙砌体弹性模量的增大而增大，例如 M2C3 模型的最大基底剪力小于 M2C4 和 M2C5 模型，M11C2 和 M11C3 模型的最大基底剪力小于M11C4模型，其原因可能是，填充墙与框架协同变形情况，对填充墙框架抗震性能有影响，C3加气混凝土砌块砌体强度低，变形能力差，在地震作用下很快受到破坏，此时框架的侧移还很小，因此M2C3模型最大基底剪力较小。C4填充墙砌体变形能力强，填充墙-框架刚度匹配较好，因此填充墙框架协同工作效果好，最大基底剪力较大。填充墙砌体材料、填充墙数量及布设位置对填充墙框架结构侧向位移和层间位移角有较大的影响。由 M2、M5、M11 模型最大侧向位移。M2、M5、M11模型上部楼层的最大侧移均比M1模型小，且随着填充墙砌体弹性模量的增大，上部楼层的最大侧移逐渐减小，这又说明填充墙能够增加框架结构抗侧刚度；M2、M11模型下部楼层的最大侧移较大，这与振型分析的结果相吻合，下部楼层由于填充墙的缺少，侧向变形较其他楼层明显增大。由M2、M5、M11模型最大层间位移角可知，M2、M11模型底层最大层间位移角小于M1未布设填充墙模型，并且随着填充墙砌体弹性模量的增大，底层层间位移角逐渐减小，注意到M11C4框架底层最大位移角大于M11C6 框架，其原因是M11C4框架的最大基底剪力比 M11C6 框架明显增大。与M2、M11模型不同，M5模型底层的最大层间位移角比 M1模型明显增大，而且随着填充墙砌体弹性模量的增大，底层的层间位移角逐渐增大。因此底层完全缺失填充墙对框架结构抗震有较大影响，并且随着填充墙砌体弹性模量的增大，对框架结构不利影响的程度增加。
（二）底层布设不同数量、不同材料砌体填充墙对填充墙框架结构抗震的影响
临街住宅的底层常为开敞布置的商业用房，上部楼层多为住房，底层布设的填充墙数量相比上部楼层少。从模态分析和动力时程分析结果可知底层填充墙布置情况对框架结构抗震性能的影响很大，因此有必要分析底层填充墙数量、填充墙砌体材料对填充墙框架结构抗震性能的影响。随着底层填充墙数量的增加，框架结构最大楼层位移逐渐减小，同时结构底层的层间位移角有明显的减小。因此在填充墙平面布置均匀的条件下，随着结构底层填充墙数量的增加，结构抵抗地震的能力增强。底层和上部楼层布设不同砌体材料填充墙对填充墙框架抗震有明显的影响。提高底层填充墙砌体的强度和弹性模量可以降低结构底层最大侧向位移和层间位移角，有利于填充墙框架结构抵抗地震作用。框架结构底层填充墙数量越多，提高填充墙砌体强度和弹性模量，框架结构底层侧向位移和层间位移角减小越明显。对于底层有较大开间需求的框架结构，建议布设一定数量砌体强度和弹性模量均较大的填充墙，以保证底层获得足够的抗侧刚度。
综上，底层填充墙布置情况对框架结构抗震性能的影响很大，底层填充墙应按“均匀、分散、对称”的原则布置，第二层与底层的侧向刚度比宜控制在1. 5左右。
总之，为了揭示填充墙-框架的协同工作机理，在分析填充墙框架结构震害现象的基础上，考虑填充墙砌体材料、布设数量及布设形式，采用 ABAQUS 进行了模拟分析，形成了以下结论：（1）填充墙竖向布置不规则时，在填充墙缺失楼层处形成薄弱层，特别是当薄弱层位于底层时，薄弱层变形集中程度最大。（2）填充墙数量越少，填充墙砌体弹性模量越小，以及填充墙竖向布设相对集中于结构顶层时，结构的基本自振周期越长，结构的抗侧刚度越小。（3）底层完全缺失填充墙对框架结构抗震不利影响显著，且随着上部楼层填充墙砌体弹性模量的增大，对框架结构不利影响的程度增加。（4）对于底层有较大开间使用需求的框架结构，建议布设一定数量砌体强度和弹性模量均较大的填充墙，以保证底层获得足够的抗侧刚度。
参考文献：
[1]许一诺. 基于Pushover的汶川地震重建框架结构教学楼抗震能力研究[D].哈尔滨工程大学，2017
[2]赵桂峰，马玉宏，崔秀丽.钢筋混凝土框架填充墙隔震建筑抗震性能影响因素分析[J].地震工程与工程振动，2017，37（01）
论文作者:王乐海,李玉琢
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/15
标签：底层论文; 框架结构论文; 砌体论文; 模型论文; 框架论文; 弹性模量论文; 位移论文; 《基层建设》2019年第24期论文;