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在工程中采用框架结构的优点在于柱网开间尺寸较大,空间使用较为灵活,填充墙可根据使用上的需要灵活布置和调整,故被广泛应用于办公楼、商业建筑及住宅中,填充墙用来分隔房屋。研究和设计中常将填充墙作为非结构构件处理,而忽略填充墙对框架主体结构抗震性能的影响。实际上在地震作用下填充墙与框架是共同工作的,填充墙的存在不仅改变了结构体系的刚度、强度及其分布,还对主体结构构件的局部约束条件产生不利影响。
一般来讲,填充墙首先是可以作为结构的第一道抗震防线,在地震发生时,首先消耗一部分地震能量;其次是对结构的动力特性有一定的影响,从而影响结构在地震发生时,地震作用在结构中的分布情况;三是填充墙会影响框架结构在竖向荷载作用下的内力分布,从而对框架梁的安全性产生影响。
1.填充墙对结构自振周期的影响
填充墙刚度效应明显,即便采用轻质填充墙,带填充墙的框架结构的初始弹性刚度也会比纯框架结构大5~10倍。填充墙的刚度会显著影响结构整体刚度,使结构周期变短,地震力增大,而填充墙数量、布置位置、材料类型、开洞率及开洞大小等都会影响结构周期。
2.填充墙对框架内力的影响
设计模型中考虑填充墙的作用,将使结构整体弯曲效应更为明显,结构倾覆力矩部分由柱拉压轴力形成;当满布填充墙时填充墙承担了較大部分的地震剪力,使得框架内力减小,填充墙的存在对抗震是有利的;而底层空旷上部满布填充墙时将使得底层内力增大,对抗震不利。
3.填充墙对框架层间变形的影响
填充墙各层分布不均匀,变化部位为薄弱层,在强震中可能成为能量累积的部位;各层均匀满布填充墙可显著提高结构整体抗侧刚度,减小结构变形,对抗震有利。
4.填充墙约束效应的考虑
填充墙约束效应有两种情况:一种是填充墙在层高范围满布时由于填充墙斜支撑作用并非作用在框架节点上,而是与节点及相连的柱和梁有一定接触范围,会对梁端及柱端引起附加剪力,若设计中未充分考虑,在地震中就可能柱端受剪的破坏;另一种是层高范围内开窗由于填充墙的局部约束效应使柱计算高度减小而导致框架柱在窗台以上至梁底范围内形成短柱破坏。对于第一种约束效应通常处理办法是忽略填充墙的抗剪承载力,周期折减后的层间剪力全由柱子承担。
对于第二种约束效应,根据模型计算分析当填充墙刚度较小时结构出现弯曲铰之前并未剪切破坏,当填充墙刚度较大时,结构底部两层边柱、中柱会出现明显的剪切失效。
5.根据以上分析可得出
5.1非柔性连接填充墙对结构刚度贡献在多数情况下是不容忽略的,故按现行规范对结构周期进行折减,折减系数统一取为0.6~0.7
5.2非柔性连接填充墙不仅提供了刚度,还改变了结构构件的约束条件,其对结构的影响主要体现在
5.2.1减小结构周期,一定程度上增大地震力。
5.2.2改变了结构刚度分布,竖向刚度分布的不均匀可能导致薄弱层的发生,平面刚度分布的不对称则可能加剧结构扭转效应;沿高度和平面均匀分布的填充墙对结构抗震性能总体上是有利的。
5.2.3非均匀分布填充墙甚至可能改变结构的破坏模式和薄弱部位,使设计预期的破坏模式不能实现。
5.2.4改变了所连接竖向抗侧力构件的约束条件,使构件的非线性性能发生变化,层高范围内局部设置填充墙(如门窗洞口)造成短柱破坏。
5.2.5有可能改变框架柱的受力模式,使上下柱端承受明显的附加剪力,且增大柱的轴力。
5.3在框架结构设计中尽可能使计算模型和实际情况相符是正确处理填充墙影响的关键问题
所以:
5.3.1在设计时可将填充墙作为第一道防线进行抗震设计,但应注意控制其破坏程度和可维修程度。
5.3.2在结构动力特性分析、规则程度划分及刚度控制等设计环节,应考虑填充墙的刚度(线性和非线性)贡献。
5.3.3不考虑填充墙刚度贡献时应采用柔性连接或其他方式。■
一般来讲,填充墙首先是可以作为结构的第一道抗震防线,在地震发生时,首先消耗一部分地震能量;其次是对结构的动力特性有一定的影响,从而影响结构在地震发生时,地震作用在结构中的分布情况;三是填充墙会影响框架结构在竖向荷载作用下的内力分布,从而对框架梁的安全性产生影响。
1.填充墙对结构自振周期的影响
填充墙刚度效应明显,即便采用轻质填充墙,带填充墙的框架结构的初始弹性刚度也会比纯框架结构大5~10倍。填充墙的刚度会显著影响结构整体刚度,使结构周期变短,地震力增大,而填充墙数量、布置位置、材料类型、开洞率及开洞大小等都会影响结构周期。
2.填充墙对框架内力的影响
设计模型中考虑填充墙的作用,将使结构整体弯曲效应更为明显,结构倾覆力矩部分由柱拉压轴力形成;当满布填充墙时填充墙承担了較大部分的地震剪力,使得框架内力减小,填充墙的存在对抗震是有利的;而底层空旷上部满布填充墙时将使得底层内力增大,对抗震不利。
3.填充墙对框架层间变形的影响
填充墙各层分布不均匀,变化部位为薄弱层,在强震中可能成为能量累积的部位;各层均匀满布填充墙可显著提高结构整体抗侧刚度,减小结构变形,对抗震有利。
4.填充墙约束效应的考虑
填充墙约束效应有两种情况:一种是填充墙在层高范围满布时由于填充墙斜支撑作用并非作用在框架节点上,而是与节点及相连的柱和梁有一定接触范围,会对梁端及柱端引起附加剪力,若设计中未充分考虑,在地震中就可能柱端受剪的破坏;另一种是层高范围内开窗由于填充墙的局部约束效应使柱计算高度减小而导致框架柱在窗台以上至梁底范围内形成短柱破坏。对于第一种约束效应通常处理办法是忽略填充墙的抗剪承载力,周期折减后的层间剪力全由柱子承担。
对于第二种约束效应,根据模型计算分析当填充墙刚度较小时结构出现弯曲铰之前并未剪切破坏,当填充墙刚度较大时,结构底部两层边柱、中柱会出现明显的剪切失效。
5.根据以上分析可得出
5.1非柔性连接填充墙对结构刚度贡献在多数情况下是不容忽略的,故按现行规范对结构周期进行折减,折减系数统一取为0.6~0.7
5.2非柔性连接填充墙不仅提供了刚度,还改变了结构构件的约束条件,其对结构的影响主要体现在
5.2.1减小结构周期,一定程度上增大地震力。
5.2.2改变了结构刚度分布,竖向刚度分布的不均匀可能导致薄弱层的发生,平面刚度分布的不对称则可能加剧结构扭转效应;沿高度和平面均匀分布的填充墙对结构抗震性能总体上是有利的。
5.2.3非均匀分布填充墙甚至可能改变结构的破坏模式和薄弱部位,使设计预期的破坏模式不能实现。
5.2.4改变了所连接竖向抗侧力构件的约束条件,使构件的非线性性能发生变化,层高范围内局部设置填充墙(如门窗洞口)造成短柱破坏。
5.2.5有可能改变框架柱的受力模式,使上下柱端承受明显的附加剪力,且增大柱的轴力。
5.3在框架结构设计中尽可能使计算模型和实际情况相符是正确处理填充墙影响的关键问题
所以:
5.3.1在设计时可将填充墙作为第一道防线进行抗震设计,但应注意控制其破坏程度和可维修程度。
5.3.2在结构动力特性分析、规则程度划分及刚度控制等设计环节,应考虑填充墙的刚度(线性和非线性)贡献。
5.3.3不考虑填充墙刚度贡献时应采用柔性连接或其他方式。■