填充墙对钢筋混凝土框架结构连续倒塌影响分析

摘要：本文分析填充墙对框架结构连续倒塌的影响，介绍了连续倒塌的机理及破坏形式，从填充墙的内力、对抗侧刚度的影响以及对结构性能的改善三个方面分析了填充墙的作用。分析表明，合理布置填充墙可以改善结构的受力和变形性能，提高抗连续倒塌的能力。

关键词：填充墙；框架结构；破坏；连续倒塌

中图分类号：TU323.5 文献标识码：A

引言

填充墙钢筋混凝土框架具有结构建筑平面布局灵活、空间大、在一定程度上节约成本的优点，因此，在实际工程中得到了应用广泛，框架填充墙结构如图1所示。在设计过程中，大多将填充墙用于维护结构，一般情况下将填充墙的自身重量作为均布载荷加载在框架结构中，并折减框架的自振周期以消除填充墙对框架结构固有频率的影响，填充墙对结构体系的刚度具有增大作用。施工过程中，填充墙被嵌入框架的梁、柱周边，或用拉接筋连接框架与填充墙，使二者形成整体，以提高填充墙的稳定性[1]。实际上，框架结构的质量、刚度及振动周期都会因为填充墙的加入而变化，并且与无框架结构的条件下具有很大不同，因此形成很多不同于无填充墙框架结构的破坏形式。通过对我国发生的几次地震的震害分析，结果表明，框架结构主体的破坏一般，而造成财产和人身安全的主要因素是填充墙等非结构性构件的严重损毁。国家新制定的建筑设计规范对填充墙等非结构性构件进行了强制规定，应充分估计框架结构的填充墙等的设置对建筑物抗震性能的不利影响，避免因设置不合理而引起的主体框架结构的破坏，以提高填充墙等非结构性构件的抗震性能，提高其安全性。填充墙的设计对主体框架结构的破坏具有十分重要的影响，为此，单纯注重结构主体的抗倒塌性能的传统设计观念应该改变，同时更加注重非结构构件的合理设计。本文论述了填充墙对钢筋混凝土框架结构连续倒塌的影响，以提高建筑物的结构安全性，避免人们的生命和财产损失。

连续倒塌机理

所谓结构的连续倒塌是由局部破坏向其他部分扩散，最终导致结构上的大范围坍塌。局部破坏由意外载荷引起，载荷进一步引发连锁反应，使结构破坏扩散。结构的连续倒塌最终使结构的主体丧失承载能力。连续倒塌的最终破坏与初始破坏不成比例，设计或者建造上的失误以及设计考虑之外的不定因素均可能导致连续倒塌的发生。

根据材料力学中的强度理论，应力达到最大允许承载力时，结构将发生破坏。在剧烈震动载荷作用下，一方面结构发生变形。当变形发生在强度极限内时，结构不会发生破坏效应；当变形超过强度极限，结构变形形成结构破坏，建筑物产生裂纹，甚至发生连续倒塌。另一方面，如果震动为连续载荷，结构塑形耗能积累，结构内部产生裂纹等损伤，随着载荷的加载，当达到一定限度时，结构将发生低周疲劳破坏。结构的最大变形与累积损伤不是相互独立的，二者之间相互影响，破坏是变形和能量消耗共同发生的过程。

常见的填充墙体破坏形式如图2所示。第一种裂缝为剪切破坏。裂缝为阶梯型，此种裂缝是由于砌体墙缝中的水平方向上剪应力的作用形成水平裂缝，裂缝突然向下，并逐层延伸形成的。第二种裂缝为斜拉破坏。墙体斜裂缝由于受到垂直于主对角线的拉应力作用，发展成为贯穿墙体的一条或多条，裂缝与主对角线平行。垂直拉应力方向与主应力方向相垂直，扩散发生在墙体中间及附近区域，同时，斜裂缝也在墙体中间区域形成并向其他区域发展，因此墙体中间部位的拉应力最大，为危险部位。裂缝发展到压力角附近便停止几乎不再继续发展，此处的拉应力与压应力相互平衡。第三种形式为斜压破坏。如图所示，墙角部分沿着框架被压碎，这是由斜压杆一端在墙角处的压力过大所致。由此可见，具有填充墙的混凝土框架结构，填充墙在一定程度上对外部载荷具有支撑作用，可以大大改善主结构的受力及抗倒塌性能。因此，合理的设计方法应当是考虑将填充墙作为抗侧力墙，在框架设计中就将填充墙的抗力作用考虑在内，并修改框架的变形性能[2]。

图1 框架填充墙结构 图2 填充墙破坏形式

填充墙对框架结构连续倒塌影响

3.1填充墙的内力

结构受到外部水平剪力的作用，同时填充墙受到框架的挤压，墙内各点具有正应力和剪应力，两向的应力同时作用导致剪切破坏。应力最大值点即墙体危险部位，位于墙体中心。最大应力由经验公式得出：

剪应力

竖向压应力

式中，为填充墙的长度；为填充墙的高度；为填充墙的厚度；为框架作用于填充墙上的水平剪力。

内部斜向拉应力达到强度极限时，填充墙出现内部裂缝，最终产生斜拉破坏。斜向拉应力最大值出现在墙体的中间部位。斜向拉应力由如下经验公式确定：

由于应力产生于填充墙的中心，距离框架较远，因此应力主要是由填充墙的性能决定，框架自身的刚度相对来说影响较小。在斜压破坏中，柱的抗弯刚度决定了同填充墙的接触长度，且强度极限值与填充墙的支撑刚度相关——柱的刚度和接触长度越大，接触面上的压力越小。

3.2对抗侧刚度的影响

通过对填充墙框架结构抗侧刚度分析知，当薄弱层位于底层时，结构整体性能受到的影响最大，外力作用下底层产生破坏的可能性最大；薄弱层所在的位置位移增大，刚度突变；若薄弱层位于顶层，则对结构影响最小。不同的填充墙材料具有不同的性质，填充墙的刚度也就不同，薄弱层刚度突变的程度会随着填充墙自身刚度的减小而减小，对于填充墙刚度比较大的材料，在设计中要充分考虑由于分布不均引起的薄弱层破坏。通过分析楼层刚度比可得：不同材料的弹性模量等力学性能不同，填充墙刚度大小也就有所不同，因此，不同的填充墙对框架抗侧刚度的影响也不相同。填充墙的薄弱层是填充墙数量少于上层总量的45%的某一层，薄弱层的抗侧刚度低于规范规定的刚度。在工程实际中，应考虑设计的安全度，因此这一比例应适当提高，工程中建议取为60%。当薄弱层向顶部移动时，上层与下层刚度比增大，而与其上连续三层刚度均值的比相反在减小，因此，薄弱层仍然存在，该层刚度比不符合规范的要求[3]。另一方面，薄弱层的位置不同，填充墙对框架抗侧刚度的贡献率不同，随薄弱层高度的增加，贡献率有所减小。

3.3对结构性能的改善

在框架结构中加入填充墙，以作为支撑，可以集合两部分各自的优势和特点，同时避开各自的不足。填充墙在平面内具有很大的刚度，相比没有填充墙的纯框架结构，框架中的墙体大大增加了框架的刚度。因此，框架填充墙结构具有相当大的刚度，抗倒塌性能更好，支撑也更坚韧。填充墙一方面具有平面抗剪能力；另一方面，填充墙受力性能与框架中的斜压杆相似，能起到很好的支撑作用。

结束语

在水平载荷作用下，填充墙可以作为框架结构的斜向支撑，并进一步约束结构在水平方向上的位移，从而对于改善框架结构的受力与变形具有十分重要的作用。填充墙与主体框架相互协同，对于水平方向载荷的承受能力具有明显的提高作用。合理布置框架中的填充墙，可以提高墙体的抗震动能力。在外界震动，如地震中，填充墙往往是结构上的第一道防线，在很大程度上能够耗散地震能量，避免框架主体的破坏，然而，填充墙体的破坏也会使生命和财产安全遭到很大影响。如果在设计中，采用底部架空上部加入填充墙的结构，会引起较大塑性变形的发生，使薄弱层降低至底部，易导致结构整体倒塌，因此这种设计方式是不合理的，应尽量避免。

参考文献：

[1] 管民生, 陈伟等. 填充墙对混凝土框架结构抗震性能影响的静力弹塑性分析[J]. 工程抗震与加固改造. 2013, 35(3): 10~15

[2] 张雅君. 填充墙对钢筋混凝土框架结构受力及变形性能的改善[J]. 工程建设与设计. 2001(6): 37~39

[3] 银英姿, 李斌. 有无填充墙钢管混凝土框架抗震性能对比研究[J]. 辽宁工程技术大学学报. 2011, 30(4): 537~540