淺議地震作用下豎向不均勻砌體填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)的

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摘要:本文針對(duì)規(guī)范中統(tǒng)一考慮填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)自震周期的影響,即折減系數(shù)做法,不能真實(shí)反映填充墻不均勻布置下結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度變化。并因此結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生薄弱層,對(duì)此提出設(shè)計(jì)建議及技術(shù)措施。
 　　關(guān)鍵詞:周期折減系數(shù);剛度變化;薄弱層
 　　一、引言
 　　在地震作用下,框架、框剪、或框筒結(jié)構(gòu)中的填充墻一般砌在主體框架上,但其質(zhì)量、剛度對(duì)結(jié)構(gòu)有不可忽視的影響。有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明,即使采用輕質(zhì)隔墻,帶填充墻的框架剛度也可以比純框架結(jié)構(gòu)的大5～10倍,剛度效應(yīng)十分明顯。這種剛度效應(yīng)會(huì)使地震下結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的地震作用大于實(shí)際計(jì)算值,故《抗震規(guī)范》(08版)13.2.1條第2款規(guī)定:對(duì)嵌入抗側(cè)力構(gòu)件平面內(nèi)的剛性建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,可采用周期調(diào)整等簡(jiǎn)化方法計(jì)入其剛度影響。并按折減后的自震周期計(jì)算水平地震作用。周期折減的目的是為了充分考慮非承重填充磚墻剛度對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期的影響。因?yàn)橹芷谛〉慕Y(jié)構(gòu),其剛度較大,相應(yīng)吸收的地震力也較大。若不做周期折減,則結(jié)構(gòu)偏于不安全。而且,這個(gè)放大的地震作用全部由結(jié)構(gòu)主體框架的抗側(cè)剛度來承擔(dān),這就使填充墻的抗側(cè)剛度作為安全儲(chǔ)備,使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于安全。
 　　周期折減系數(shù)的取值,與結(jié)構(gòu)中的非承重墻體的材料性質(zhì)、多寡、構(gòu)造方式等有關(guān),具體可參考《建筑抗震設(shè)計(jì)手冊(cè)》,參見表1。
 　　注:1、ψC為有填充墻框架榀數(shù)與框架總榀數(shù)之比;
　　2、無括號(hào)的數(shù)值用于一片填充墻長(zhǎng)6m左右時(shí);括號(hào)內(nèi)的數(shù)值用于一片填充墻長(zhǎng)為5m左右時(shí);
　　3、填充墻為輕質(zhì)材料或外掛墻板時(shí)周期折減系數(shù)ψT取0.8～0.9。
 　　但是,規(guī)范這種周期折減系數(shù)做法,是適用于填充墻均勻布置情況下,或者說是對(duì)填充墻作用的大致估計(jì),不能真實(shí)反映填充墻不均勻布置下結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度變化。故《抗震規(guī)范》(08版)3.7.4條規(guī)定:框架結(jié)構(gòu)的維護(hù)墻和隔墻,應(yīng)考慮其設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的不利影響,避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞。
 　　二、產(chǎn)生薄弱層的原因
 　　上下樓層的墻體數(shù)量相差很大,導(dǎo)致上剛下柔,采用普通磚、空心磚的砌體填充墻尤其明顯。例如,在底層設(shè)置商場(chǎng)或車庫,或作景觀架空層,上部作住宅或辦公用時(shí)。此種情況,按周期折減系數(shù)法,據(jù)《高規(guī)》條文解釋中明確指出,高層建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí),只考慮了主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件(梁、柱、剪力墻和筒體)的剛度,沒有考慮非承重結(jié)構(gòu)的剛度。故設(shè)計(jì)人員就會(huì)把填充墻作為線荷載考慮,導(dǎo)致計(jì)算出的各樓層剛度與有無填充墻無關(guān)。然而,因底層無填充墻,地震作用下,底層的彈性位移遠(yuǎn)大于上層,而且結(jié)構(gòu)的傾覆力矩幾乎全部由底層框架承當(dāng)。底層框架柱的彈塑性變形集中會(huì)非常明顯,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向薄弱層破壞,強(qiáng)震時(shí)甚至倒塌。臺(tái)灣9.21大地震,大量臨街房因底層作商鋪,這種震害十分普遍。
 　　三、設(shè)計(jì)建議
 　　1、因產(chǎn)生薄弱層的最主要原因是填充墻沿豎向分布不均勻造成的結(jié)構(gòu)層間剛度不均勻。薄弱層上部樓層(設(shè)置較多的填充墻)與薄弱層所在的樓層(基本不設(shè)或少設(shè)填充墻)的側(cè)移剛度比很易達(dá)到5～10以上,這種“頭重腳輕”的框架或框剪等結(jié)構(gòu)的抗震性能和底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)區(qū)別不大,在地震中的表現(xiàn)也趨于一致。因我國規(guī)范未考慮填充墻的剛度效應(yīng),為了保證抗震安全,應(yīng)參考抗震規(guī)范中處理框支剪力墻或底部框架抗震墻的豎向剛度不歸則的辦法,即控制結(jié)構(gòu)在薄弱層附近的側(cè)移剛度比,使其不應(yīng)大于2(底部為薄弱層)或1.3(上部其他層為薄弱層)。

2、從概念上把握,因填充墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響,實(shí)際上就是考慮填充墻剛度對(duì)主體結(jié)構(gòu)剛度的影響程度。主體結(jié)構(gòu)剛度越大,填充墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)剛度的影響就越小,反之就越大;填充墻的自身剛度越大,對(duì)主體結(jié)構(gòu)周期影響也越大,反之就越小。
 　　底層空曠(上部填充墻較多)的結(jié)構(gòu),填充墻后施工的施工工藝決定了在結(jié)構(gòu)小變形階段其對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)不大,此時(shí)結(jié)構(gòu)的相鄰層側(cè)向剛度比為主體結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度比,也就是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算中的樓層側(cè)向剛度比;當(dāng)結(jié)構(gòu)變形繼續(xù)加大時(shí),框架與填充墻形成帶邊框的砌體剪力墻,填充墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)很大,從而引起結(jié)構(gòu)相鄰層側(cè)向剛度的急劇變化(這個(gè)變化在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算中無法真實(shí)反映)。
 　
 　　鑒于以上分析,對(duì)底層空曠框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出下列建議:
　　(1)在強(qiáng)震區(qū)宜少用或不用;
　　(2)必須采用時(shí),宜采取措施加大底層側(cè)向剛度,如在底層加設(shè)一定數(shù)量的剪力墻等,還可以增強(qiáng)構(gòu)件的延性,如柱箍筋全截面加密等,避免剪切破壞
      (3)可采取減小上部填充墻剛度的相應(yīng)技術(shù)措施,如減少填充墻的數(shù)量、盡量采用輕質(zhì)填充墻等;
　　(4)對(duì)此類結(jié)構(gòu)應(yīng)更加注重概念和構(gòu)造設(shè)計(jì)。填充墻布置宜均勻、對(duì)稱,避免形成薄弱層或短柱。
 　　3、電算中的處理措施。
 　　因程序只能自動(dòng)判斷《抗震規(guī)范》(08版)豎向不規(guī)則類型中的側(cè)向剛度不規(guī)則情況為薄弱層,但此剛度比計(jì)算方法采用的是地震力與層間位移比,而并非剪彎剛度和剪切剛度。而豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層受剪承載力突變情況則無法自動(dòng)判斷,這時(shí)就要人為指定薄弱層調(diào)整。另外,依據(jù)美國UBC(1997)的規(guī)定中,對(duì)豎向不規(guī)則尚有相鄰樓層質(zhì)量比大于150%情況。最新版的程序在WMASS.OUT文件中輸出了相鄰樓層質(zhì)量比,但沒有做薄弱層的判斷,需要設(shè)計(jì)人員人為指定。對(duì)于前面討論的底層空曠、上部填充墻較多的結(jié)構(gòu),一般情況下相鄰層的質(zhì)量比都大于150%,就應(yīng)定義為薄弱層。
 　　四、結(jié)語
 　　在特定情況下,考慮填充墻的不利影響,關(guān)鍵是把握住結(jié)構(gòu)的真實(shí)剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反映不利影響,并從真實(shí)情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析,對(duì)于保證結(jié)構(gòu)安全,減輕震害,是十分必要的。
 　　
 　　參考文獻(xiàn)
 　　〔1〕《建筑抗震設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版) 龔思禮 中國建筑工業(yè)出版社2003
　　〔2〕GB50011-2001 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008年版)
　　〔3〕JGJ3-2002 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程