探索填充墙对框架结构刚度的影响因素

摘要：框架填充墙结构是建筑结构中常用形式之一，目前大多数设计人员在对其设计计算时，只计入了框架部分的刚度，填充墙只作为外荷载加在计算模型上，而忽视了填充墙对框架结构刚度的影响。根据常见的框架填充墙结构的破坏情况，总结了几点填充墙对框架结构刚度的影响因素。

关键词：填充墙；框架结构；刚度；薄弱层

中图分类号：TQ327文献标识码： A

填充墙框架结构由于其空间布置灵活，在民用建筑中应用广泛，尤其是商住楼，因为在使用上它既能满足底层营业的需要，也能满足上部住宅的使用要求。同时从受力的角度来说框架结构能承担荷载和地震作用，而填充墙分隔房间，布置灵活，房间使用功能能够得到满足，造价也较为经济，地震作用下变形能力强，能较好的抵抗地震作用。

目前结构设计师们在采用 PKPM 软件对于填充墙框架结构的内力计算时往往仅考虑了框架的受力，只计入了框架部分的刚度，而填充墙只作为外荷载加在计算模型上。在地震等荷载作用下，考虑填充墙对框架结构体系的刚度系数自震周期的影响，根据填充墙的数量，对框架结构的自震周期进行折减，使框架获得较大的力，但未考虑填充墙与框架的协调作用。

然而事实上，无论填充墙是砖墙还是轻质隔墙，它对框架结构的刚度影响都是存在的，且不容忽视。填充墙的存在及布置不合理使得建筑物在遇到地震时震害严重，而填充墙及内部预埋管道的损坏使得震后修复工作量很大，维修费用高，因此对于填充墙对结构刚度影响应该予以重视。本文针对常见的框架填充墙结构的破坏情况，总结了以下几点影响框架填充墙整体刚度的因素。

1 不同材料的填充墙对结构刚度的影响

在填充墙框架结构的设计中，只考虑了填充墙的质量，对结构整体近似的采取一定的折减系数，而没有考虑不同材料的填充墙对结构抗侧刚度的影响，在建筑隔墙中通常采用普通烧结砖、空心砖、加气混凝土砌块等材料，由于材料的选择不同，隔墙自身的刚度不同，对框架结构刚度的贡献也会不同，一般情况下普通烧结砖的自身刚度较其它材料大，空心砖及加气混凝土砌块等由于空心部分的存在则自身刚度减弱，那么对整体刚度的贡献也减弱。

2 不同形式布置的填充墙对结构刚度的影响

2.1 填充墙竖向布置不均匀引起薄弱层对框架刚度的影响

填充墙竖向布置不均匀会造成结构竖向刚度不均匀从而形成薄弱层，随薄弱层位置的不同分为以下几种：底部薄弱层、顶部薄弱层、中部薄弱层、多个薄弱层见图 1。由于建筑或使用功能不同，底层作为营业用房或活动用房不设置填充墙，而二楼及其以上作为住宅根据用户的使用要求设置了隔墙，那么就会形成底部薄弱层，这种结构会产生头重脚轻的结果，在水平地震作用下基底剪力完全由框架柱承担，同时结构底层承受的地震剪力又是最大的，底层会产生较大的层间位移，使得底部薄弱层结构的底层柱很容易在地震作用下发生严重破坏。有些结构的建筑填充墙从基层延续到上部，但是在建筑的顶层由于使用功能为会议室、练功房等宽敞的大房间而没有设置填充墙，则往往形成顶部薄弱层。

薄弱层的存在使得结构的变形在薄弱层部位突变，对结构抗震非常不利，当结构的变形超过结构的变形能力时就会在薄弱部位发生破坏。我国大多数临街建筑都为商住楼，这种结构往往形成底部薄弱层，地震发生时房屋结构很容易破坏甚至倒塌。上部结构由于填充墙的存在，使得结构底部刚度远远小于上部结构，在底部形成薄弱层，底部框架承受了较大的基底剪力的较大的集中层间位移，底层框架柱整体倾斜，柱顶、柱脚出现塑性铰。

2.2 填充墙水平布置不当引起扭转效应对框架刚度的影响

在框架结构的一般计算时，往往假定水平荷载合力的作用线通过结构的刚度中心，因此结构没有绕竖轴的扭转产生。然而当结构的平面布置或剪力墙的设置较复杂且不对称时上述假定就不成立。当填充墙在结构平面的布置不均匀使结构的刚度中心和质量中心不一致时，在水平地震作用下结构将产生扭转效应或者使结构的扭转效应进一步增大。如图 2 所示结构平面布置，建筑物本身对称，质量均匀分布，在计算时如果不考虑填充墙，那么在水平荷载如风荷载或地震荷载的合力作用下通过结构质量中心 O1，然而若考虑填充墙的作用，因填充墙对 x轴，墙 A 不对称布置，墙 B 对称布置；对 y 轴，墙 A 不对称布置，墙 B 对称布置，结构的刚度中心 O2较质量中心 O1偏右，以 ex表示；偏上，以 ey表示。此时在水平力作用下，结构不仅会发生横向平移，同时还会绕刚度中心扭转，从而造成框架结构的破坏。

3 开洞填充墙对框架刚度的影响

3.1 开洞填充墙造成短柱破坏对框架刚度的影响

框架结构的建筑，就框架柱的受力状态和破坏形态而言，一般情况下属于中长柱，当框架填充墙在相邻柱间 楼梯间、通窗等时，由于窗下墙对框架柱的约束作用，缩短了框架柱的计算高度，使其变为了短柱。短柱以剪切破坏为主，属于脆性破坏，在构件破坏之前无明显征兆，无法在事前采取有效措施，往往会造成很大的危害，严重危及人身和财产安全。从受力方面，短柱其线刚度（EI/l）相对较大，承担更多荷载，会最先破坏。在规范中已有明确规定，要求加强框架柱的抗震构造措施，通过设置复合箍或螺旋箍且全高加密来增加框架柱的延性。但是，大多数设计人员并未注意填充墙也会对框架梁形成影响。设计人员在进行结构设计时一直遵循的原则之一就是“强柱弱梁”。可是，当框架梁与其上部的填充墙共同作用时，近似于形成了墙梁的构件，大大加大了梁的刚度，形成“强梁弱柱”的结构体系，结构易在下层的柱顶部位发生破坏。

3.2 开洞填充墙造成短梁破坏对框架刚度的影响

在框架填充墙结构中，由于建筑功能的要求需要在填充墙上开设门窗洞口，使原有框架梁的计算跨度发生了改变，梁的跨高比大大减小，形成短梁，在地震中产生交叉裂缝。这些裂缝发生的部位常常是门洞和窗洞处。通过试验证明，短梁延性差，抗剪能力弱，容易形成剪切破坏。这样，由于在实际的结构计算模型中没有考虑填充墙的作用，使得预期出现塑性铰的位置并没有出现塑性铰。因此，计算模型中如果只把填充墙作为非结构构件，将使原设计意图发生严重的偏离。而短梁的脆性破坏使得短梁从开裂到破坏只消耗了为数不多的能量，意味着本应该由延性梁消耗的大部分能量将不得不由，框架柱的破坏来消耗，这将增加结构在地震中的危险性。

4 结束语

框架填充墙结构既经济又使用，今后仍将是建筑结构设计中广泛采用的结构形式之一。填充墙作为一种重要的构件，对主体结构抗震性能的影响不容忽视，因此不容忽视填充墙影响框架结构刚度的因素。本文根据针对常见的框架填充墙结构的破坏情况，总结出以下几点常见的影响因素，希望能给以后的框架填充墙结构的设计提供一个参考的意见。总结如下：①填充墙材料性质会造成自身刚度的不同，随填充墙自身刚度减小，对框架抗侧刚度的贡献减小，但即使采用低强度砌块，填充墙刚度对框架结构的影响也不可忽略；②填充墙沿平面布置不均匀时，随隔墙数量增加，周期减小，结构刚度变大，刚度突变越来越明显，对结构的承载力影响越大；③结构错层处、楼梯、窗下等部位，填充墙使框架长柱变成短柱，框架梁变成短梁，使梁的刚度增大，而柱的刚度相对减小，发生剪切破坏，结构变形能力差。

参考文献：

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