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摘要：基于有限元软件ANSYS10.0建立3层的纯框架模型和3层的框架填充墙模型，分别在自振周期、楼层位移两方面进行对比分析，得出填充墙对多层框架结构抗侧刚度的影响，并提出一些合理的建议。
关键词：多层框架结构；填充墙；ANSYS10.0；抗侧刚度
中图分类号：TU375.4 文献标识码：A 文章编号：
引言：框架结构形式是一种比较常见的结构体系，被广泛应用于办公楼、学校、商场及住宅中。框架结构主要受力构件是梁和柱，填充墙起到分割和维护的作用，因而被视为非结构构件。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（2010版）4.3.17规定：当非承重墙体为砌体墙时，框架结构的周期折减系数可取0.6~0.7。基于规范的这种规定，对于框架填充墙结构，在结构设计时，设计人员只是把填充墙作为一种均布线荷载，或者是均布面荷载输入到结构模型中。这样在计算模型时只考虑了填充墙的质量，却忽略了其刚度，造成框架结构的受力性能会发生改变：整个框架房屋的质量、刚度、自振周期及结构变形和位移较纯框架结构都会有较大的不同,使得计算力学模型与实际结构有较大出入。
一：理论分析：
在框架填充墙结构中，框架受到填充墙的支撑作用，填充墙受到框架的约束作用，可以理解成填充墙和框架结构共同工作。这种框—墙共同工作的事实已被试验证实。而纯框架结构中只是框架梁、柱受力，没有填充墙的参与。这种实际受力分析和建模简化的差别使得构件的受力有较大的差异。下面基于软件来分析二者的不同。
二：实例分析：
1．基本假定：
（1）框架结构固结于基础上
（2）弹性变形假定
（3）刚性楼板假定
2．单元的选取：
梁、柱单元采用BEAM4单元，板、墙单元采用SHELL63单元，填充墙与底部梁耦合和周边梁柱的接触采用点点接触（CONTAC52）来处理。模态分析采用分块兰索斯法（BLOCKLANCZOS）,动力作用采用瞬态分析。
3．模型的建立：
框架结构层高均为3.0m,共3层。结构柱网皆为5m。柱截面均为0.40m×0.40m，梁截面均为0.30m×0.60m，板厚度均为0.2m，填充墙墙厚均为0.2m。混凝土强度等级为C40，弹性模量为32500MPa,重度为25KN/m;填充墙采用标准砖，弹性模量为3400MPa,重度为19KN/m。框架模型见图一，框架填充墙模型见图二。模型二中填充墙布置在一二层所有梁的上面，没有墙体的开洞。
图一 图二图三
4.自振周期对比分析：
模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换成模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。模态分析是所有动力学分析类型中最基础的内容，是动力学分析的起点。模态分析用于确定设计结构的振动特性，即结构的固有频率和振型。本文中采用分块兰索斯法（BLOCKLANCZOS）进行模态提取，确定结构的自振周期，并进一步判断在建模时填充墙的加入对结构周期的影响。
通过ANSYS计算得到的框架模型前三阶振型对应的频率分别为2.95；2.9979；3.4182；对应的自振周期为0.339s；0.334s；0.293s；框架填充墙模型前三阶振型对应的频率分别为4.0632；4.1300；4.7353；对应的自振周期为0.246s；0.242s；0.211s。对应振型的周期比（框架填充墙结构的自振周期与框架结构的自振周期之比）为：0.726；0.725；0.72。
从上面的数据可以看出：（1）填充墙的加入使得结构的自振周期减小,自振周期减小说明结构刚度增大。在同样的荷载条件下，框架填充墙结构较框架结构的刚度大；（2）框架填充墙的自振周期与框架结构的自振周期的比值都是大于0.7的，可以看出规范给出的周期折减系数0.6~0.7是偏于保守的。
5.層间位移对比分析：
建筑结构要有一定的刚度，并满足规范要求的层间位移的限制要求。参加对比的两个模型，仅考虑结构在X方向的地震荷载，选取实测记录中天津（E—W）方向地震波，采用瞬态分析求解。基于基本假定（3），可得楼层内所有点的水平位移都是一致的。在同一地震波作用下，结构的楼层位移如下：模型一（框架结构）一、二、三层的楼层侧移量分别为：0.262mm;0.392mm;1mm; 模型二（框架填充墙结构）一、二、三层的楼层侧移量分别为：0.257mm;0.327mm;0.798mm。为了观察方便，做成图表，如图三。
从图三可以看出：（1）在同样的地震荷载下，同一楼层，框架填充墙结构的层间位移要比框架结构楼层位移小；（2）随着结构楼层数的增加，层间位移量的增加量呈现增大趋势。这正好和国内外有关研究人员已经进行的一些关于填充墙对框架结构刚度影响的研究成果吻合，研究表明：在竖向荷载作用下，填充墙是非受力构件；但在水平力作用下，填充墙就作为一种受力构件参与其中了。
三：结论
（1）填充墙使结构的自振频率增大，自振周期减小；
（2）填充墙的加入使得结构楼层侧移量减小，结构整体刚度增加；
（3）随着楼层数的增加，楼层侧移量增加的幅度增大；
（4）规范给出的框架结构的周期折减系数0.6~0.7偏于保守；
四：结束语
从汶川地震可以看出：框架结构在所有破坏建筑中占有很大的比例，该结构的抗震性能总体表现很好，但地震中框架结构的内外装饰面，围护结构、填充墙的破坏严重，造成了较大的生命和财产损失。这与当前填充墙作为非结构构件常被忽视有关。本文就填充墙的加入与否建立模型来对比，得出的一些结论希望能对今后的结构设计工作起到一定的作用。
参考文献：
［1］《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）.中国建筑工业出版社，2010.
［2］《高层建筑混凝土结构技术规程》（J186—2010）.中国建筑工业出版社，2010.
［3］刘玉珠,李国强.带填充墙钢框架结构抗侧力性能试验及理论研究.建筑结构学报,2005,36(3):78—84
［4］《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）.中国建筑工业出版社，2010.
［5］杨伟，侯爽，欧进萍 从汶川地震分析填充墙对结构整体抗震能力影响．大连理工大学学报，2009．
［6］王新敏.《ANSYS结构数值分析》.人民交通出版社，2007.
［6］郝文化.《ANSYS土木工程应用实例》.中国水利水电出版社，2005.
［7］尚晓江,邱峰,赵海峰.《ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用》.中国水利水电出版社，2006.
［8］博弈工作室.《ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解》.中国水利水电出版社，2006.
［9］张慧,王艺扬.《填充墙对框架结构自振周期的影响》.水电能源科学,2008,26(6):102—104.
关键词：多层框架结构；填充墙；ANSYS10.0；抗侧刚度
中图分类号：TU375.4 文献标识码：A 文章编号：
引言：框架结构形式是一种比较常见的结构体系，被广泛应用于办公楼、学校、商场及住宅中。框架结构主要受力构件是梁和柱，填充墙起到分割和维护的作用，因而被视为非结构构件。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（2010版）4.3.17规定：当非承重墙体为砌体墙时，框架结构的周期折减系数可取0.6~0.7。基于规范的这种规定，对于框架填充墙结构，在结构设计时，设计人员只是把填充墙作为一种均布线荷载，或者是均布面荷载输入到结构模型中。这样在计算模型时只考虑了填充墙的质量，却忽略了其刚度，造成框架结构的受力性能会发生改变：整个框架房屋的质量、刚度、自振周期及结构变形和位移较纯框架结构都会有较大的不同,使得计算力学模型与实际结构有较大出入。
一：理论分析：
在框架填充墙结构中，框架受到填充墙的支撑作用，填充墙受到框架的约束作用，可以理解成填充墙和框架结构共同工作。这种框—墙共同工作的事实已被试验证实。而纯框架结构中只是框架梁、柱受力，没有填充墙的参与。这种实际受力分析和建模简化的差别使得构件的受力有较大的差异。下面基于软件来分析二者的不同。
二：实例分析：
1．基本假定：
（1）框架结构固结于基础上
（2）弹性变形假定
（3）刚性楼板假定
2．单元的选取：
梁、柱单元采用BEAM4单元，板、墙单元采用SHELL63单元，填充墙与底部梁耦合和周边梁柱的接触采用点点接触（CONTAC52）来处理。模态分析采用分块兰索斯法（BLOCKLANCZOS）,动力作用采用瞬态分析。
3．模型的建立：
框架结构层高均为3.0m,共3层。结构柱网皆为5m。柱截面均为0.40m×0.40m，梁截面均为0.30m×0.60m，板厚度均为0.2m，填充墙墙厚均为0.2m。混凝土强度等级为C40，弹性模量为32500MPa,重度为25KN/m;填充墙采用标准砖，弹性模量为3400MPa,重度为19KN/m。框架模型见图一，框架填充墙模型见图二。模型二中填充墙布置在一二层所有梁的上面，没有墙体的开洞。
图一 图二图三
4.自振周期对比分析：
模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换成模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。模态分析是所有动力学分析类型中最基础的内容，是动力学分析的起点。模态分析用于确定设计结构的振动特性，即结构的固有频率和振型。本文中采用分块兰索斯法（BLOCKLANCZOS）进行模态提取，确定结构的自振周期，并进一步判断在建模时填充墙的加入对结构周期的影响。
通过ANSYS计算得到的框架模型前三阶振型对应的频率分别为2.95；2.9979；3.4182；对应的自振周期为0.339s；0.334s；0.293s；框架填充墙模型前三阶振型对应的频率分别为4.0632；4.1300；4.7353；对应的自振周期为0.246s；0.242s；0.211s。对应振型的周期比（框架填充墙结构的自振周期与框架结构的自振周期之比）为：0.726；0.725；0.72。
从上面的数据可以看出：（1）填充墙的加入使得结构的自振周期减小,自振周期减小说明结构刚度增大。在同样的荷载条件下，框架填充墙结构较框架结构的刚度大；（2）框架填充墙的自振周期与框架结构的自振周期的比值都是大于0.7的，可以看出规范给出的周期折减系数0.6~0.7是偏于保守的。
5.層间位移对比分析：
建筑结构要有一定的刚度，并满足规范要求的层间位移的限制要求。参加对比的两个模型，仅考虑结构在X方向的地震荷载，选取实测记录中天津（E—W）方向地震波，采用瞬态分析求解。基于基本假定（3），可得楼层内所有点的水平位移都是一致的。在同一地震波作用下，结构的楼层位移如下：模型一（框架结构）一、二、三层的楼层侧移量分别为：0.262mm;0.392mm;1mm; 模型二（框架填充墙结构）一、二、三层的楼层侧移量分别为：0.257mm;0.327mm;0.798mm。为了观察方便，做成图表，如图三。
从图三可以看出：（1）在同样的地震荷载下，同一楼层，框架填充墙结构的层间位移要比框架结构楼层位移小；（2）随着结构楼层数的增加，层间位移量的增加量呈现增大趋势。这正好和国内外有关研究人员已经进行的一些关于填充墙对框架结构刚度影响的研究成果吻合，研究表明：在竖向荷载作用下，填充墙是非受力构件；但在水平力作用下，填充墙就作为一种受力构件参与其中了。
三：结论
（1）填充墙使结构的自振频率增大，自振周期减小；
（2）填充墙的加入使得结构楼层侧移量减小，结构整体刚度增加；
（3）随着楼层数的增加，楼层侧移量增加的幅度增大；
（4）规范给出的框架结构的周期折减系数0.6~0.7偏于保守；
四：结束语
从汶川地震可以看出：框架结构在所有破坏建筑中占有很大的比例，该结构的抗震性能总体表现很好，但地震中框架结构的内外装饰面，围护结构、填充墙的破坏严重，造成了较大的生命和财产损失。这与当前填充墙作为非结构构件常被忽视有关。本文就填充墙的加入与否建立模型来对比，得出的一些结论希望能对今后的结构设计工作起到一定的作用。
参考文献：
［1］《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）.中国建筑工业出版社，2010.
［2］《高层建筑混凝土结构技术规程》（J186—2010）.中国建筑工业出版社，2010.
［3］刘玉珠,李国强.带填充墙钢框架结构抗侧力性能试验及理论研究.建筑结构学报,2005,36(3):78—84
［4］《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）.中国建筑工业出版社，2010.
［5］杨伟，侯爽，欧进萍 从汶川地震分析填充墙对结构整体抗震能力影响．大连理工大学学报，2009．
［6］王新敏.《ANSYS结构数值分析》.人民交通出版社，2007.
［6］郝文化.《ANSYS土木工程应用实例》.中国水利水电出版社，2005.
［7］尚晓江,邱峰,赵海峰.《ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用》.中国水利水电出版社，2006.
［8］博弈工作室.《ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解》.中国水利水电出版社，2006.
［9］张慧,王艺扬.《填充墙对框架结构自振周期的影响》.水电能源科学,2008,26(6):102—104.