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从汶川地震认识结构抗震设计中填充墙的作用
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内容提示：本文主要从汶川大地震对房屋建筑结构的破坏形态出发,结合抗震规范分析了填充墙布置及其在框架结构抗震中的作用。提出了设置框架柱构造翼墙的设计思路及设置方法,简要介绍了在结构细部构造设计和建筑物使用管理方面的一点建议。
2008年5月12日发生的8级汶川大地震,给国家和人民的生命和财产造成严重的损失。大量房屋的倒塌,也给了我们这些从事建筑结构设计人员一个深刻的教训,同时也对这次地震给房屋结构造成的影响进行着深深的思考。本人虽未亲历震区,但根据一线抗震专家反馈的资料,结合自己对结构设计的理解和设计实践经验,谈一点肤浅认识,供各位同行专家指正。（参考《建筑中文网》）
一、建筑结构破坏特征与实例[1]
经有关专家调查,发现本次地震房屋破坏有以下特征:
1、山体滑坡使地基隆起,造成房屋破坏倒塌;
2、由于竖向加速度大,空旷、大跨度建筑破坏倒塌;
3、房屋结构抗震缝碰撞引起房屋开裂、倒塌;
4、混凝土框架柱柱脚、柱顶破坏;
5、实例:
(1)映秀镇漩口中学:三层框架结构教学楼倒塌,教学楼附近的4层砌体结构房屋裂而不倒,附近砖混结构教师宿舍不倒,在建的5层砖混教师宿舍楼破坏,山坡上映秀地震台2层砖混结构没倒。上述房屋建筑都位于7度抗震设防区,实际遭受地震11度。
(2)四川电力职业技术学院框架柱上端(梁柱节点以下约1m范围)混凝土压碎,柱纵筋、箍筋裸露。
(3)水电十局医院
框架柱下端(混凝土板面以上约1m范围)混凝土压碎。
二、当前结构抗震设计、计算中对填充墙的考虑[2][3][4]
1、目前在结构设计中,计算地震作用时,按GB50011-2001建筑抗震设计规范第5·1·3条(以下简称抗震规范),只考虑建筑的重力荷载代表值,而没有考虑建筑填充墙体砌体材料的物理性能,也没有量化填充墙在结构中实际的刚度作用。填充墙对对结构的影响,只是在结构计算软件(如PKPM软件)中,通过调整地震周期折减系数的方式定性考虑。设计者按各自经验在0~1之间取值,随意性比较大。
2、抗震规范第3·4章中,对平面规则而竖向不规则的建筑结构,规范划分了侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变三种类型,并作了相应规定。即除规定按弹塑性变形分析,其薄弱层的地震剪力乘以1·15的增大系数。对竖向抗侧力构件不连续的,该构件传递给水平转换构件的地震内力乘以1·25~1·5的增大系数。以上三种类型只是对竖向受力构件变化提出了应对措施,但对由于填充墙刚度的变化对竖向结构的影响未予以考虑。
3、我们在进行结构计算时,都是基于有限元法理论,把结构整体拆开,分解成若个单元,然后再将这些单元按一定的条件集合成整体。这些单元都是结构受力构件,填充墙作为维护(或分隔)构件均没有考虑填充墙的因素,现行结构计算程序也是依据此理论(如PKPM软件)编制的。
三、在结构设计、计算中对填充墙的作用分析
1、刚度计算比较:
本人就框架结构某一截面框架柱和多孔粘土砖填充墙作一简单比较框架柱,400×600,C25砼,Ec=2·8×104(N/mm2)
由以上可知,当填充墙1m长时,框架柱截面刚度是填充墙的4·93倍;当填充墙1·7m长时,框架柱的截面刚度与填充墙相当;填充墙3m长时,填充墙的截面刚度则是框架柱的5倍。
由于在一般框架结构设计中,填充墙与框架柱是采用刚性连接,而一片填充墙的长多在3m或3m以上,因此填充墙的刚度影响在框架结构计算中所占的比例是比较大的。在填充墙布置比较密的住宅建筑中,其影响更大。
2、砖混结构与框架结构中墙体(填充墙)的布置特点
(1)从水平方向来看,墙体(砖混结构的承重墙或框架结构填充墙)布置,砖混结构:一般纵横向墙体较密,开间、进深都不大。框架结构:由于结构特点,填充墙布置比较灵活,开间较大,加上使用功能不同,填充墙布置不如砖混结构墙体规则、整齐。
(2)从竖向方向来看,墙体布置,砖混结构:从上到下基本是连续布置的,很少有不连续的;框架结构:大部分楼层从上到下是连续布置的,但有时,由于使用功能的要求,设置如会议室、商场或底层架空车库等,在个别楼层会取消部分分隔填充墙或整层分隔填充墙,形成局部空旷或整层空旷的布置。
3、砖混结构与框架结构中墙体(填充墙)的抗震作用分析从以上布置可以看出,砖混结构体系,由于自身的结构特点,在水平方向上还是竖向方向上,其整体性都是很好的。而且在施工工艺上,纵横向墙体同步砌筑,先砌墙体后浇构造柱,相互间咬合严密,加上构造柱和圈梁的“箍”的作用,形成了一个自然完整的空间刚性体。无论对水平地震作用还是竖向地震作用,其整体剪切刚度的作用得到了充分的发挥。这在映秀镇漩口中学的震后调查中得到很好的诠释。
框架结构体系中,在竖向方向上,墙体和梁联系在一起,形成一个刚度较大的刚体,这对梁来说是有利的。遇竖向地震作用时,墙体和梁共同作用,墙体分担了一部分竖向地震作用,减轻了地震对梁的作用。
在水平方向上,柱与填充墙的连接有五种形式,即四面连接,三面连接,二面连接,一面连接,没有填充墙与之连接。在水平地震作用下,由于填充墙刚度的作用,框架柱除了自身承担外,将作用的一部分传导给填充墙,由填充墙来承担,减轻了柱的负担。填充墙分担多少,和填充墙与框架柱的在地震方向上的总刚度比有关,填充墙的刚度越大,分担的作用就越多。在上述几种连接情况中,由于连接方式的原因(即设置拉结筋),它们的作用大小是不同的。特别对四面没有填充墙与之连接的框架柱,地震作用就全部由柱承担了,所以遭受破坏的程度也就越高。四川电力职业技术学院、水电十局医院框架柱上端(梁柱节点以下约1m范围)混凝土压碎就属于这种状况。而框架梁由于现浇混凝土翼缘板的作用,使得梁的刚度增大,而变得更安全,我们在专家的震后观察中,得到证明。
一般填充墙的截面长度和柱截面高度相比是比较大的,因而其截面刚度也很大,结合本文实例,从以上分析中不难看出,填充墙在抗震设计中的作用是不容忽视的,甚至在某些状况下起主要作用。对局部空旷或整层空旷的楼层布置,特别是底层空旷的结构布置,由此形成的竖向受力构件连续而填充墙不连续的情况,在一定程度上也造成了竖向刚度的变化。此种情况是否会真正形成结构上的薄弱层,有待有关专家学者的进一步定量分析研究。
其次,在结构构件设计时,对细部设计重视不够,也是造成结构受损的原因之一。如:
(1)为了满足使用功能要求,柱轴压比取值偏高,安全储备不足;
(2)忽视柱线刚度与包含翼缘作用的梁线刚度的比值,造成柱刚度偏弱,不能实现强柱弱梁的目标;
(3)柱上下端加密箍偏弱,延性不足;
(4)梁柱节点配筋过密,致使现场施工中,混凝土浇筑不密实,达不到强节点设计要求;
四、设计建议
鉴于以上分析,本人认为应重新认识填充墙在结构抗震中的影响和作用,在进行框架结构设计时,充分利用填充墙刚度对抗震结构,特别是对框架柱的有利因素,提高框架柱的安全性,保证结构的安全。为此,笔者建议采取以下措施:
1、加强抗震概念设计:
(1)加强结构概念设计。结构工程师应积极和建筑师沟通、协调,不仅要考虑结构受力构件的布置,同时也应重视填充墙的布置,在平面上尽量对称,刚度均衡。在竖向,也尽量保持连续,减少对抗震不利的布置;
(2)设置柱构造翼墙:由于使用功能需要,造成竖向填充墙不连续时,特别对填充墙取消较多时,在按规范设计计算的基础上,应适当设置构造翼墙,来弥补填充墙不足形成的刚度薄弱问题。提高柱的刚度,保证框架柱的安全,这和框架梁由于翼缘板的作用而提高了梁的刚度一样;
设置的依据和部位:在填充墙较少的空旷楼层,特别是底层架空层或结构工程师认为需要加强的柱,即填充墙刚度薄弱层或部位;
翼墙的分类:从材料上可分为钢筋混凝土翼墙和砌体翼墙两类。
设置的方法:以翼墙和柱的组合刚度与梁线刚度(应含梁现浇板翼缘的影响)≥1·5~2倍为宜,对底层或楼层空旷的取高值。结合建筑平面和结构要求,综合确定翼墙的材料和截面尺寸。本人建议优先选用钢筋混凝土构造翼墙,按构造配筋即可。当采用砌体作翼墙时,其端部应设构造柱。
一、建筑结构破坏特征与实例[1]
经有关专家调查,发现本次地震房屋破坏有以下特征:
1、山体滑坡使地基隆起,造成房屋破坏倒塌;
2、由于竖向加速度大,空旷、大跨度建筑破坏倒塌;
3、房屋结构抗震缝碰撞引起房屋开裂、倒塌;
4、混凝土框架柱柱脚、柱顶破坏;
5、实例:
(1)映秀镇漩口中学:三层框架结构教学楼倒塌,教学楼附近的4层砌体结构房屋裂而不倒,附近砖混结构教师宿舍不倒,在建的5层砖混教师宿舍楼破坏,山坡上映秀地震台2层砖混结构没倒。上述房屋建筑都位于7度抗震设防区,实际遭受地震11度。
(2)四川电力职业技术学院框架柱上端(梁柱节点以下约1m范围)混凝土压碎,柱纵筋、箍筋裸露。
(3)水电十局医院
框架柱下端(混凝土板面以上约1m范围)混凝土压碎。
二、当前结构抗震设计、计算中对填充墙的考虑[2][3][4]
1、目前在结构设计中,计算地震作用时,按GB50011-2001建筑抗震设计规范第5·1·3条(以下简称抗震规范),只考虑建筑的重力荷载代表值,而没有考虑建筑填充墙体砌体材料的物理性能,也没有量化填充墙在结构中实际的刚度作用。填充墙对对结构的影响,只是在结构计算软件(如PKPM软件)中,通过调整地震周期折减系数的方式定性考虑。设计者按各自经验在0~1之间取值,随意性比较大。
2、抗震规范第3·4章中,对平面规则而竖向不规则的建筑结构,规范划分了侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变三种类型,并作了相应规定。即除规定按弹塑性变形分析,其薄弱层的地震剪力乘以1·15的增大系数。对竖向抗侧力构件不连续的,该构件传递给水平转换构件的地震内力乘以1·25~1·5的增大系数。以上三种类型只是对竖向受力构件变化提出了应对措施,但对由于填充墙刚度的变化对竖向结构的影响未予以考虑。
3、我们在进行结构计算时,都是基于有限元法理论,把结构整体拆开,分解成若个单元,然后再将这些单元按一定的条件集合成整体。这些单元都是结构受力构件,填充墙作为维护(或分隔)构件均没有考虑填充墙的因素,现行结构计算程序也是依据此理论(如PKPM软件)编制的。
三、在结构设计、计算中对填充墙的作用分析
1、刚度计算比较:
本人就框架结构某一截面框架柱和多孔粘土砖填充墙作一简单比较框架柱,400×600,C25砼,Ec=2·8×104(N/mm2)
由以上可知,当填充墙1m长时,框架柱截面刚度是填充墙的4·93倍;当填充墙1·7m长时,框架柱的截面刚度与填充墙相当;填充墙3m长时,填充墙的截面刚度则是框架柱的5倍。
由于在一般框架结构设计中,填充墙与框架柱是采用刚性连接,而一片填充墙的长多在3m或3m以上,因此填充墙的刚度影响在框架结构计算中所占的比例是比较大的。在填充墙布置比较密的住宅建筑中,其影响更大。
2、砖混结构与框架结构中墙体(填充墙)的布置特点
(1)从水平方向来看,墙体(砖混结构的承重墙或框架结构填充墙)布置,砖混结构:一般纵横向墙体较密,开间、进深都不大。框架结构:由于结构特点,填充墙布置比较灵活,开间较大,加上使用功能不同,填充墙布置不如砖混结构墙体规则、整齐。
(2)从竖向方向来看,墙体布置,砖混结构:从上到下基本是连续布置的,很少有不连续的;框架结构:大部分楼层从上到下是连续布置的,但有时,由于使用功能的要求,设置如会议室、商场或底层架空车库等,在个别楼层会取消部分分隔填充墙或整层分隔填充墙,形成局部空旷或整层空旷的布置。
3、砖混结构与框架结构中墙体(填充墙)的抗震作用分析从以上布置可以看出,砖混结构体系,由于自身的结构特点,在水平方向上还是竖向方向上,其整体性都是很好的。而且在施工工艺上,纵横向墙体同步砌筑,先砌墙体后浇构造柱,相互间咬合严密,加上构造柱和圈梁的“箍”的作用,形成了一个自然完整的空间刚性体。无论对水平地震作用还是竖向地震作用,其整体剪切刚度的作用得到了充分的发挥。这在映秀镇漩口中学的震后调查中得到很好的诠释。
框架结构体系中,在竖向方向上,墙体和梁联系在一起,形成一个刚度较大的刚体,这对梁来说是有利的。遇竖向地震作用时,墙体和梁共同作用,墙体分担了一部分竖向地震作用,减轻了地震对梁的作用。
在水平方向上,柱与填充墙的连接有五种形式,即四面连接,三面连接,二面连接,一面连接,没有填充墙与之连接。在水平地震作用下,由于填充墙刚度的作用,框架柱除了自身承担外,将作用的一部分传导给填充墙,由填充墙来承担,减轻了柱的负担。填充墙分担多少,和填充墙与框架柱的在地震方向上的总刚度比有关,填充墙的刚度越大,分担的作用就越多。在上述几种连接情况中,由于连接方式的原因(即设置拉结筋),它们的作用大小是不同的。特别对四面没有填充墙与之连接的框架柱,地震作用就全部由柱承担了,所以遭受破坏的程度也就越高。四川电力职业技术学院、水电十局医院框架柱上端(梁柱节点以下约1m范围)混凝土压碎就属于这种状况。而框架梁由于现浇混凝土翼缘板的作用,使得梁的刚度增大,而变得更安全,我们在专家的震后观察中,得到证明。
一般填充墙的截面长度和柱截面高度相比是比较大的,因而其截面刚度也很大,结合本文实例,从以上分析中不难看出,填充墙在抗震设计中的作用是不容忽视的,甚至在某些状况下起主要作用。对局部空旷或整层空旷的楼层布置,特别是底层空旷的结构布置,由此形成的竖向受力构件连续而填充墙不连续的情况,在一定程度上也造成了竖向刚度的变化。此种情况是否会真正形成结构上的薄弱层,有待有关专家学者的进一步定量分析研究。
其次,在结构构件设计时,对细部设计重视不够,也是造成结构受损的原因之一。如:
(1)为了满足使用功能要求,柱轴压比取值偏高,安全储备不足;
(2)忽视柱线刚度与包含翼缘作用的梁线刚度的比值,造成柱刚度偏弱,不能实现强柱弱梁的目标;
(3)柱上下端加密箍偏弱,延性不足;
(4)梁柱节点配筋过密,致使现场施工中,混凝土浇筑不密实,达不到强节点设计要求;
四、设计建议
鉴于以上分析,本人认为应重新认识填充墙在结构抗震中的影响和作用,在进行框架结构设计时,充分利用填充墙刚度对抗震结构,特别是对框架柱的有利因素,提高框架柱的安全性,保证结构的安全。为此,笔者建议采取以下措施:
1、加强抗震概念设计:
(1)加强结构概念设计。结构工程师应积极和建筑师沟通、协调,不仅要考虑结构受力构件的布置,同时也应重视填充墙的布置,在平面上尽量对称,刚度均衡。在竖向,也尽量保持连续,减少对抗震不利的布置;
(2)设置柱构造翼墙:由于使用功能需要,造成竖向填充墙不连续时,特别对填充墙取消较多时,在按规范设计计算的基础上,应适当设置构造翼墙,来弥补填充墙不足形成的刚度薄弱问题。提高柱的刚度,保证框架柱的安全,这和框架梁由于翼缘板的作用而提高了梁的刚度一样;
设置的依据和部位:在填充墙较少的空旷楼层,特别是底层架空层或结构工程师认为需要加强的柱,即填充墙刚度薄弱层或部位;
翼墙的分类:从材料上可分为钢筋混凝土翼墙和砌体翼墙两类。
设置的方法:以翼墙和柱的组合刚度与梁线刚度(应含梁现浇板翼缘的影响)≥1·5~2倍为宜,对底层或楼层空旷的取高值。结合建筑平面和结构要求,综合确定翼墙的材料和截面尺寸。本人建议优先选用钢筋混凝土构造翼墙,按构造配筋即可。当采用砌体作翼墙时,其端部应设构造柱。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201101/14707.htm
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