填充墙对钢筋混凝土框架结构抗震性能影响

西南交通大学硕士学位论文填充墙对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响姓名：王玉霞申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：李力20080601西南交通大学硕士研究生学位论文第l页摘要填充墙框架结构是房屋建筑结构中常见的一种结构体系。已有的研究表明，填充墙对框架结构的承载力、刚度及其变形性能都有着很大的影响。而且忽略填充墙对框架结构的影响并不总是安全的，因此，在框架的抗震中，考虑填充墙对结构的影响是非常必要的。虽然国内外许多学者在填充墙框架结构上做了大量的研究工作，可是还有很多问没有解决。本文的主要工作如下：1．为了从理论上填充墙对框架结构的影响，就必须对填充墙提出一个合理、有效的计算模型。本文首先对已有的模型进行了总结与分析。对于不开洞时的填充墙，文采用了框架．填充砌体剪力墙模型，基于SAP2000结构分析软件，考虑填充墙的数量、布置及楼层位置等不同情况下，建立了合理的结构模型。2．本文对填充墙框架结构自振周期的取值方法进行了探讨。通过模态分析，得出了填充墙加入对结构的自振周期的影响，并与所给的设计方法进行了比较。分别概述了填充墙的布置方式和数量对结构自振周期的影响，得出了在不同填充率下填充墙对结构的周期的影响趋势。给出了不同情况下填充墙对结构自振周期的折减系数的参考建议。并通过对自振周期的观察，认识到了填充墙对结构抗扭刚度的影响。3．对结构采用振型反应谱分析方法，通过对多个模型楼层最大水平位移和层间位移的分析比较，得出了填充墙对结构抗侧移刚度的影响，并且找出了在填充墙影响下各个结构层间位移最大的层；对各模型的最大位移楼层及层间位移最大楼层进行了时程分析，更准确详细的反应了在填充墙影响下，这些楼层的位移及加速度随时间变化的情况。4．填充墙刚度效应的存在使得结构自振周期减小，从而使作用与整个建筑上的水平地震作用增大。基于本文提出的模型，通过振型反应谱法及时程分析法，对结构的层剪力进行了分析比较，反映出填充墙对结构地震力的影响，并对两种计算方法得出的结论进行比较。关键词：填充墙框架结构；抗震分析；刚度效应；自振周期。西南交通大学硕士研究生学位论文第|I页AbstractInfilledframeisaverycommonstructuralsystemusedinthebuildingstructures．Existingresearchindicatesthattheinfillwallshavegreateffectonthecapacity,stiffnessanddeformationbehaviorofframes．Itisnotalwayssafetoignoretheeffectoftheinfillwalls．SOitisnecessarytotaketheeffectoftheinfillwallsontheframesintoaccountwhendoingtheseismicdesignoftheframes．Althoughalotofresearchaboutthebehavioroftheinfiliedframeshavebeendonebymanyscholarsallovertheworld，someproblemsarestilltobesolved．Mainresearchworkinthisthesisissummarizedasfollows：1．Itisnecessarytoproposeareasonableandeffectivesimplifiedmodeltoanalyzetheeffectoftheinfillwallsontheflame．Inthisthesis．first．existingmodelsaresummarizedandcompared．Fortheinfillwallswithoutopenings，usingaframeworktext．filiedwithmasonryshearwallsmodel，basedonsap2000structuralanalysissoftware，considerthenumberoffilledwall，floorlayoutandlocationsunderdifferentcircumstances．theestablishmentofareasonablestructuremodel．2．Paperonthewallfiliedwiththeframeworkofthestructureofthenaturalcyclevaluemethodwasdiscussed．Throughmodalanalysisshowsthatfiliedthewallofthestructurebyaddingthenaturalcycleof,andtostandardizethedesignmethodwerecompared．Outlinesthewallswerefilledwiththelayoutofthestructureandnumberoftheimpactofthenaturalcycle．comeindifferentfiUrateoffillingthewallofthestructureofthecycleoftrends．Giventhedifferentcircumstancesofthewallstructurefiliedwiththenaturalcycleofreferencefortheproposedreductionfactor．Andthroughthenaturalcycleofobservation，recognizingthatthewallfilledwithtorsionalrigidityofthestructureoftheimpact．3．Vibrationofthestructureofaresponsespectrumanalysis，throughmultiplefloorsofthelargestmodelofdisplacementandthelevelofdisplacementbetweentheanalysisandcomparisonshowsthatfilledthewallofthestructureoftheimpactofanti．1ateralstiffness．andfoundinthewallfilledwithUndertheinfluenceofvariousinter·layerstructureofthelargestdisplacementlayeronthemodelofthelargestdisplacementofthefloorsandfloorsofthe西南交通大学硕士研究生学位论文第1lI页largestdisplacementofatime—analysis，moreaccuratelydetailedresponseinthewallfilledundertheinfluenceofthesefloorsofthedisplacementandaccelerationovertimeChangingcircumstances．4．Fillerwallstiffnessofthestructuremakestheexistenceofthenaturalcycledecreases，S0thatroleandthelevelofthebuildingontheincreasingroleoftheearthquake．Basedonthemodelproposedinthispaper,throughthemodeoftimelyresponsespectrum—analysis，thestructureoftheshearlayertotheanalysisandcomparison，reflectingthewallofthestructurefilledwiththeimpactoftheearthquake，andthetwocalculationmethodstocometotheconclusionComparison．Keywords：Infilledwallframes；Seismicanalysis；Stiffnesseffect；naturalcycle．西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在年解密后适用本授权书；2．不保密影使用本授权书。(请在以上方框内打“4”)指导老师签名：日期：≥∞务．b／．陟．莎∽D-、|占～淹力哆7c＼毫莎≈上，、-名万签灭椭彩作砌腓劫讼：位期学日西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：文对填充墙框架结构自振周期的取值方法进行了探讨。与以往方法不同的是，本文在计算结构自振周期时，没有采用填充墙的初始刚度，而是考虑了填充墙刚度折减的影响，这样得出的周期比较符合实际，即考虑了填充墙在地震中的作用又不至于因刚度取值过大而使地震作用加大。通过模态分析，得出了填充墙加入对结构的自振周期的影响，并与规范所给的设计方法进行了比较。分别概述了填充墙的布置方式和数量对结构自振周期的影响，得出了在不同填充率下填充墙对结构的周期的影响趋势。给出了不同情况下填充墙对结构自振周期的折减系数的参考建议。并通过对自振周期的观察，认识到了填充墙对结构抗扭刚度的影响。西南交通大学硕士研究生学位论文第1页1．1概述第一章绪论填充墙框架结构，目前广泛的应用于工程实际中，每天仍有大量的填充墙框架结构的建筑正在建设，这一结构体系具有建筑平面布置灵活、室内空间大等优点多用于多层厂房、商场、办公楼、医院、教学楼及宾馆等建筑中。填充墙框架结构属于框架结构，是由梁柱通过节点连接组成的承受竖向荷载和水平荷载的结构体系。填充墙在这一结构体系中不起承重、支撑和抗剪切作用，只起围护和隔断作用。填充墙框架结构目前发展迅速，由钢筋混凝土作为主体框架，填充墙的材料也由原来的实心粘土砖发展到现在的空心粘土砖、实心或空心的轻质砌块砌体墙或轻质隔断墙板。规范上，目前主要采用框架设计的方法，出于抗震的考虑，在采用纯框架设计的基础上，计算填充墙的自重，并考虑填充墙对框架结构体系的刚度和自震周期的影响，对框架的自振周期进行折减，这是目前普遍采用的框架计算方法，基本上仍是纯框架计算法。施工过程中，填充墙作为围护和隔断的非结构构件，在施工中采用后砌填充墙，这种做法使得填充墙与框架梁、柱连接不是非常严密，为了填充墙的稳定施工方便，一般采取填充墙与框架梁、柱周边嵌实做法，或者通过拉接筋来加强框架和填充墙之间的联系，有利于填充墙整体的稳固和防止裂缝的生成，也利于隔音、防水、保温、隔热。这一作法也直接导致了填充墙在水平或竖向动力作用下，与框架梁柱作为一个整体来共同作用。事实证明：作为非结构构件存在的填充墙，由于其自身的性质，参与了框架结构的整体受力，在竖向承重和抗侧力方面都起到了一定的作用，填充墙其实是与框架共同工作的。西南交通大学硕士研究生学位论文第2页1．2国内外研究现状在过去的几十年里，国内外的许多学者对填充墙框架结构做了大量的研究工作。从单层单跨到多层多跨；从静力试验到动力试验；既有试验研究，也有理论分析；既有研究完全填充的结构，也有研究开洞的填充墙框架结构。下面将分试验研究和理论研究给予介绍。1．2．1填充墙框架的试验研究国内外的许多学者从上个世纪50年代对填充墙框架的进行了一系列的试验研究，从结构设计，抗震性能研究，试验研究与理论分析等多方面展开了一系列的工作。从试验来看，填充墙框架的试验经历了单调加载、循环加载的静力试验，拟静力试验，拟动力试验，动力试验，振动台试验等；试验的规格从小比例到全比例尺寸模型；结构从单层单跨到多层多跨．从平面试验到空间试验等等。从分析方法来看，填充墙框架的研究方法随着力学、计算机、机械等领域的研究方法的发展而发展。1956年，Polykaov首先对填充框架的性能进行了研究，并提出了等效角撑模型的概念(tJ。1958年，Benjamin和Williams对全比例的一层一跨的填充墙框架结构做了最早全比例的试验研究：】。1994年，Angel测试了1：2比例的混凝土砌块填充墙的钢筋混凝土框架结构的平面外的强度。Angel通过试验认为，一旦填充墙开裂，填充墙框架结构的刚度将很快降低。此外，Angel还认为填充墙可以用一个宽度为填充墙对角线1／8的单个等效角撑进行简化【，】。1984年，RiddingtonJ．R．通过测试八个砌体填充的钢框架，研究了填充墙与框架之间接触部分的初始缝隙对结构性能的影响。研究表明：初始缝隙的存在降低了结构的侧向刚度，也降低了产生填充板开裂的荷载大小。但是结构最终的承载能力并没有受到很大的影响[41。2002年，邹殉测试了21个l：3比例的砖填充墙的一层一跨钢筋混凝土框架在平面内的对角荷载作用下的受力性能。试验结果表明，有填充墙的钢筋混凝土框架受力性能具有3个明显的阶段：从加载到混凝土开裂的线性阶西南交通大学硕士研究生学位论文第3页段；开裂后阶段及极限破坏阶段。通过对试验结果的分析，作者建立了分析模型，并提供了开裂、极限荷载的计算公式吲。1995年，曹万林对3个l：3比例的轻质填充墙异型柱框架模型进行了反复水平荷载作用下的试验研究，分析了结构弹塑性特征、层刚度及其衰减过程，给出了弹性阶段层刚度的计算公式【们。2003年，邹殉又测试了2个1：3比例的三层三跨的钢筋混凝土框架，并提出了多层多跨的强度计算公式。作者通过分析认为，具有相似性质的一层一跨钢筋混凝土框架的强度值可用来估算多层多跨的情况171。‘1996年，朱荣华、沈聚敏通过两个l：2．5缩尺的无门洞和开门洞的砖填充墙框架拟动力地震反应试验。研究了砖填充墙框架结构模型在弹性、开裂和破坏各个阶段的地震反应和破坏形态，并与纯框架的拟动力地震反应试验结果进行了比较。采用杆系一层间模型进行无门洞砖填充墙框架的弹塑性地震反应分析【81。1999年，AmarA．C．，ArslanC．针对两个邻近的完全相同的三层钢筋混凝土框架结构做了振动测试试验。结果表明填充墙框架的基本周期远小于空框架的基本周期：填充墙框架的刚度是空框架的7停，】。1999年，BuonopaneS．G和WhiteR．N．对一二分之一比例的两层两跨的砌体填充的钢筋混凝土框架结构进行了拟动力试验。作者认为，忽略填充墙和框架之间的摩擦低估了结构的承载能力【10】。2004年，李常青在湖南大学结构实验室对一l：3比例的四层两跨两开间的填充墙框架结构进行了动力测试。测试结果表明，填充墙的刚度效应对结构的自振周期有不可忽略的影响【¨1。1．2．2填充墙框架计算模型的研究1．2．2．1简化模型的研究大量的学者在填充墙简化模型的研究方面做了大量的工作。1956年，Polykaov首先对填充墙框架结构的性能进行了研究，并提出了单个等效角撑模型的概念，如图1．1所示。Polykaov认为，在侧移水平力作用下，填充墙的作用就像一个对角的角撑杆，并认为该角撑只承受压力⋯。西南交通大学硕士研究生学位论文第4页图1．1单个等效角撑模型该简化模型最重要的参数就是等效角撑的宽度。关于该参数的计算，在Polykaov之后有很多学者进行研究，这里概括一下在这方面做的一些研究成果。1961年，Holmes建议等效角撑的宽度为填充墙板对角线长的三分之一【比】。1966年，StaffordSmith第一次引入了反映框架与填充墙刚度比的特征参数来计算等效角撑的宽度【131。1969年，StaffordSmith和Cater认为等效角撑的宽度也受框架的平面比的影响。此外，作者认为接触长度、角撑面积不是一个常数，这些参数的大小与结构所处的状态是密切相关的[141。1990年，Hendry将单个等效支撑的宽度计算与填充墙和框架柱、梁之间的接触长度联系起来(tsl。1995年，Saneinejad和Hobbs修正了单个等效支撑的面积公式，考虑了结构的非线性性质，并给出了钢填充墙框架结构具体的非线性设计步骤【161。1999年，RogerD．Flanagan认为角撑的面积与结构所处的状态有关，并通过试验给出了随结构所处状态的面积公式，详见文献【17】。1983年，刘耀新提出了整体简化模型，如图1．2所示。作者认为如果在填充墙周边与框架之间未发生裂缝时，结构体系可视为一个由两种材料组合的整体构件。基本上该模型只能对结构在初始阶段的性能进行分析[18】。西南交通大学硕士研究生学位论文第5页整体横墼剪切变形整体横墼弯曲变形图1．2整体模型的变形模式1985年，ThiruvengadamV提出了等效平面框架模型，如图1．3所示。作者认为对于有中心开洞的填充墙可简化为等效平面框架模型，此模型类似于壁式框架模型【19I。该模型也是只能进行弹性阶段的分析，且对于开洞不在中心的情况无法解决。1995年，曹万林等提出了并联简化模型1201，如图1-4所示。当填充墙周边与框架之间存在裂缝时，结构就接近于空框架和填充墙两种构件的并联体系。此时，框架部分按刚架计算，填充墙视为在各层梁处与框架用连杆相连接的悬臂杆，刚度和强度分别是二者叠加。这种模型的根据是横梁处框架与填充墙的侧移相等，见图1．4。图1．3等效平面框架模型图1．4并联模型1999年，BuonopaneS．G和WhiteR．N．研究了两层两跨砌体填充的钢筋混凝土框架结构【211，其中第二层的填充墙中有窗洞。建议了如下图1．5所示的带有窗洞的模型。根据BuonopaneS．G的研究，角撑的位置由开洞具体的位置而定；要确定模型中角撑的宽度，先以角撑为对角线将填充板分为两个小填充板，然后按照完全填充即没有开洞的情况进行支撑宽度的计算。2003年，Wale将完全填充钢框架简化为三个等效支撑模型，见图1．6。该模型考虑了结构的非线性122]，但该模型中的参数计算是通过对结构极限状态西南交通大学硕士研究生学位论文第6页分析而得到的，不符合结构的实际受力情况，大大低估了填充墙的作用。{Il《’＼iiii＼＼『⋯＼≮、，r一、，＼＼图1-5Buonopane建议的带窗洞的填充图1-6三个等效支撑模型从以上的分析可知，Wale的三角撑模型是最合理的模型，但该模型中的参数计算是通过对结构极限状态分析而得到的，不符合结构的实际受力情况，大大低估了填充墙的作用。因此，有必要对角撑模型中参数的计算做进一步的研究。此外，由于Wale分析的对象是填充墙钢框架结构，对于该模型在填充墙钢筋混凝土框架结构的有效性还有待验证。1．2．3．2有限元模型的研究除了通过简化模型对填充墙框架结构进行理论研究之外，为了更细致的描过其性能，一些研究人员也发展了一些有限元模型。1977年，Riddington和Smith用弹性有限元模型模拟了无配筋砌体填充的邻筋混凝土框架结构1231。该模型考虑了填充墙和框架之间的相互作用。通过该有限元模型分析，填充墙中心的应力随着框架的高宽比的改变而改变；框架的刚度和填充墙与框架之间的摩擦对应力的大小几乎没有影响；框架梁的刚度对整个经构的性能影响很小。基本上，该有限元模型只能进行弹性分析，无法实现非线性阶段的分析。1991年，ElHaddad发展了一种有限元模型，该模型考虑了裂缝的大小和位置、填充墙与框架之间的相对刚度、框架的几何尺寸和填充墙与框架之际的接触长度[241。其中，框架构件采用带裂缝的梁单元，砌体填充墙采用四结点的双线性平面应力单元。ElHaddad用这个有限元分析了混凝土框架开裂和填充墙与枢架之间的分离对结构的影响。该模型虽然考虑了结构的非线性性质，但是没有结出填充墙与框架接触部分的接触单元给出具体的解决，不能很好的考虑两者之间的相互作用。1994年，刘建新提出了一种墙元简化模型【25】。作者认为，实际工程中填充墙各层不连续，填充墙和框架接触面之间只能传递剪力不能传递弯矩且在西南交通大学硕士研究生学位论文第7页横梁处框架与填充墙的侧移相等，墙的上、下设刚性横梁，四个角结点为只传递水平剪力而不传递竖向力，并与四周的梁、柱结点铰接。该模型把填充墙分为四结点单元，每片墙体按梁柱划分为若干个矩形单元，墙体周边的结点与梁柱结点相对应。梁柱相交处仍为刚结点，墙与梁柱边界考虑为结点处法向线位移相等。该墙面模型的假定本身就存在着缺陷，横梁处框架与填充墙的侧移只是在接触的范围内才相等。一般来说，两者接触的长度大致等于梁长的一半。因此，该模型不能很好的模拟结构实际的受力情况。1996年，Asteris126]等基于“接触点"的有限元方法研究了一层一跨填充墙开洞的大小和位置对结构刚度的影响。这个有限元虽然能较好的描述填充墙和框架的接触情况，但只能用来分析弹性阶段的情况，而且要依靠一个很复杂的有限元程序，具体的步骤可参见文献[27】。1997年，Mehrabi和Shingt2SJ先测试了14个1：2比例的混凝土砌体填充的钢筋混凝土框架。作者从试验的结果提出了一种有限元模型。该模型采用了一种叫做“内聚性的膨胀接触单元"来模拟连接砌块之间的砂浆和框架与填充墙之间的接触部分；用裂缝单元来模拟混凝土和砌体单元。虽然该有限元更能分析到填充墙框架的细部受力情况，精度较高，但过于复杂，不能应用于实际。从以上的分析可知，有限元模型虽然在一定的程度上能描述填充墙框架结构实际的受力情况，但或多或少都存在着一定的缺陷，虽然有些有限元模型精度较高，但过于复杂，不能应用于实际。1．3本文的主要研究内容框架结构一般使用填充墙来进行房屋的分割。目前，主要使用的填充墙材料为空心砖砌体和轻质混凝土砌块。无论是空心砖砌体还是轻质混凝土砌块，框架结构的受力性能都会随着它们的加入发生改变。整个框架房屋的质量、刚度、自振周期以及整体变形和位移比较于纯框架都会有较大的不同。虽然国内外的学者对其进行了研究，但是总的来说，对填充墙框架的研究还是处于初步阶段，仍需要做大量的工作。按现行结构规范设计规范，明确指出：在竖向荷载作用下框架内力可以采用分层法进行简化计算、在风荷载和水平地震作用下框架内力可以用D值法进行简化计算、高层框架结构可以分别按平面框架和空间框架，采用矩阵位西南交通大学硕士研究生学位论文第8页移法由计算机进行内力和位移分析计算。所以在具体的建筑结构设计中，无论分析框架承受水平荷载或竖向荷载的抗力反应，均未考虑填充墙的作用，认为填充墙只起到维护和隔断的作用。应用此计算方法得出的计算结果进行截面选择和配筋计算，有可能造成构件的截面过大和钢筋用量增多，从而使工程的单位造价过大。实际上填充墙是和框架一起协同作用，共同抵抗外荷载的。随着建筑材料的规范化和施工质量监督的完善以及施工水平的提高，填充墙砌体完全可以保证和框架的协同工作。而计算机的普及和计算技术的发展，计算框架、填充墙两者对建筑物的协同作用以及各自对建筑物的影响已成为可能。另外，填充墙刚度效应的存在使得结构自振周期减小，从而使作用与整个建筑上的水平地震作用增大。其刚度的影响，抗震规范规定，在按空框架分析的基础上乘以小于1的周期修正系数来体现填充墙对结构的刚度贡献，而不去计算填充墙的刚度。周期修正系数的取值将直接影响地震作用下钢筋混凝土框架的反应。所以合理地确定周期修正系数是框架填充墙结构抗震计算分析中一个较重要地问题。而规范只是规定了在一个范围内变化的周期修正系数。实际上，周期折减系数的取值与很多因素有关，不能采用同一个系数。基于上述对在填充墙框架结构研究上存在问题的分析，本文主要进行了下列内容的研究：1．本文首先对已有的模型进行了总结与分析。对于不开洞时的填充墙，文采用了框架．填充砌体剪力墙模型，把填充墙视为抗水平地震作用的剪力墙，与框架并联计算，基于sap2000结构分析软件，考虑填充墙的数量、布置及楼层位置等不同情况下，建立了合理的结构模型。2．在已经研究理论的基础上，综述了填充墙的工作性能及其对框架结构的影响。3．讨论了钢筋混凝土框架结构地震反应分析方法，并进行了综合比较，确定了本文采用的分析方法。4．本文对填充墙框架结构自振周期的取值方法进行了探讨。与以往方法不同的是，本文在计算结构自振周期时，没有采用填充墙的初始刚度，而是考虑了填充墙刚度折减的影响，这样得出的周期比较符合实际，即考虑了填充墙在地震中的作用又不至于因刚度取值过大而使地震作用加大。通过模态分析，得出了填充墙加入对结构的自振周期的影响，并与规范所给的设计方法进行了比较。分别概述了填充墙的布置方式和数量对结构自西南交通大学硕士研究生学位论文第9页振周期的影响，得出了在不同填充率下填充墙对结构的周期的影响趋势。给出了不同情况下填充墙对结构自振周期的折减系数的参考建议。并通过对自振周期的观察，认识到了填充墙对结构抗，扭刚度的影响。5．对结构采用振型反应谱分析方法，通过对多个模型楼层最大水平位移和层间位移的分析比较，得出了填充墙对结构抗侧移刚度的影响，并且找出了在填充墙影响下各个结构的层间位移最大的层；对各模型的最大位移楼层及层间位移最大的层进行了时程分析，更准确详细的反应了在填充墙影响下，这些楼层的位移及加速度随时间变化的情况。6．填充墙刚度效应的存在使得结构自振周期减小，从而使作用与整个建筑上的水平地震作用增大。基于本文提出的模型，通过振型反应谱法及时程分析法，对结构的层剪力进行了分析比较，反映出填充墙对结构地震力的影响，并对两种计算方法得出的结论进行比较。西南交通大学硕士研究生学位论文第10页第二章填充墙对框架结构受力性能的影响2．1填充墙与框架的互相影响为了有所比较，首先扼要说明单独墙、单独框架的工作情况。砖墙单独试验时，当水平荷载较小时即已开始出现裂缝(墙体不承受竖直荷载)，对于不配筋的混凝土墙也是属于这种情况。裂缝一经出现后，发展甚为迅速，很快形成连贯的斜向裂缝段或水平裂缝段。裂缝投影在整个墙的宽度方向连续贯通以后，试件即趋于破坏，不再能承受水平荷载。试件破坏后，墙面上仅主要的几条连续贯通裂缝，即裂缝颇为集中而开展较宽。所以单独墙体抵抗侧力的承载能力主要取决于墙体的抗裂能力，一般数值较低，而且破坏比较突然，变形能力小。钢筋混凝土框架或钢框架具有相当塑性。这类框架单独试验时，随着水平荷载的增加，构件陆续出现裂缝(钢筋混凝土框架)及塑性铰，当梁柱节点处(柱端或梁端截面)出现足够数量的塑性铰而使框架成为机动体系时，框架即趋于倒一塌。从加荷开始直至结构破坏，过程比较缓和，结构的变形能力较大。对于填充墙框架，墙体开始出现裂缝后，仍能继续负担水平荷载，这是因为墙体受到架的约束作用而具有相当的摩阻力，同时墙体本身也能继续负担一部分荷载而不断出现新的裂缝。在试验过程中框架横梁向上微拱，以及试验后期墙面局部地方出现竖向裂缝，均说明墙体受到框架的很大约束作用。墙面裂缝不仅是少数几条，而是随着水平荷载的增加陆续出现，在一定范围内形成～系列的裂缝。在填充墙框架中，一方面是墙体受到框架的约束，另一方面是框架受到填充墙的支撑。因为填充墙的这种支撑作用，使结构的早期刚度大为增加，同时使框架构件中的内力分布与一般空框架颇为不同。在试验中发现，填充墙框架中柱的塑性铰并不全部位于柱端截面处，而是部份塑性铰出现在柱高范围内，这充分说明了填充墙对框架的支撑作用及改变了框架内力的分布情况。同时在试验中还发现，由于填充墙的存在，即使框架内出现足够数量的塑性铰而且墙体严重开裂甚至滑移，但框架仍然是不易倒塌的。西南交通大学硕士研究生学位论文第11页2．2填充墙对框架结构的优势多次地震灾害的现场资料表明：框架建筑由于填充墙的存在，在地震中有明显优势，填充墙在破坏的过程中，吸收了塑性发展后的很大一部分能量。这对抗震的设计是有很大优势的。而且，延性框架加上脆性砌体使得开裂后的荷载和位移比纯框架结构达到的最大位移值要大。作为填充墙材料的实心粘土砖、空心粘土砖、实心或空心的轻质砌块砌体墙或轻质隔断墙板，都有着其竖向和水平力作用下的物理力学性能，在构造上与框架联系在一起共同作用的时候，都或多或少的改变了整个框架体系的竖向承重能力和抗侧力。实验表明，同时，由于框架对填充墙的约束作用，也提高了墙体的力学性能。2．2．1填充墙对结构承载能力的影响填充墙框架结构由于填充墙与框架结构的相互作用，直至结构倒塌破坏以前，填充墙始终能够承担一部分水平荷载作用。因此，填充墙框架结构的承载能力比纯框架结构有明显的提高。1996年，朱荣华等【291对1：2．5比例的填充墙框架结构进行了拟动力地震反应试验，研究了砖填充墙框架结构模型在弹性、开裂和破坏各个阶段的地震反应和破坏状态，并与纯框架的拟动力地震反应试验结果进行了比较。试验表明，无门洞砖填充墙框架模型拟动力试验所测得的水平承载能力是294kN，而相同尺寸和配筋的纯框架模型低周反复荷载作用下测得的水平承载能力为191kN。所以，填充墙框架的承载能力比纯框架提高了54％。2．．2．2填充墙对结构变形能力的影响一些试验研究资料指出，由于填充墙框架结构中填充墙与框架之间的相互作用，填充墙框架结构具有较好的变形能力。结构从开始加载直到破坏的整个受力和变形过程比较平缓，与填充墙的脆性不同，结构具有较好的延性。文献[30】的研究表明，填充墙框架结构整体屈服时的层间位移角均值为1／275，而框架自身明显屈服时的位移角为1／150左右，延性框架加上脆性砌体使开裂后的荷载和位移也比纯砌体结构所能达到的值大的多，这说明填充墙对框架西南交通大学硕士研究生学位论文第12页结构的变形性能也有明显的改善。2．3填充墙对框架结构的劣势填充墙加入影响了结构的刚度变化，导致了结构层间刚度的不均匀。填充墙的加入使整个框架体系的整体刚度增大，结构承受的水平地震力会增加；同时，不同结构层内，填充墙的数量或布置方式的差异，形成了上下层的填充墙的不连续，这可能导致相临层间的刚度突变，这对结构的抗震十分不利。填充墙造成框架柱的附加作用。附着框架柱的填充墙对框架柱造成了应力集中。而且同一结构层内，由于填充墙的分布方式不同，使得竖向力的分配和水平地震剪力的分配也发生变化，造成同一层内框架柱的竖向受力和水平受力不均匀。填充墙造成框架结构刚度中心偏移。框架结构因为填充墙的加入有可能产生较大的扭转。一个本来均匀规整的框架结构由于加入了填充墙，造成结构的刚度发生变化，从而使结构在地震作用下因刚度中心偏移发生扭转破坏。开洞的填充墙框可能对框架柱造成“短柱”效应。填充墙的布置和洞口的开设使得框架柱的计算高度减少，形成“短柱’’，在水平力作用下，容易提前发生塑性铰破坏，在抗震中非常不利。这些不利影响的危害程度取决于填充墙的材料、层间填充墙的布置方式和构造方法等等因素。2．3．2带填充墙结构的薄弱层破坏由于填充墙的刚度效应的存在使带填充墙结构在一些情况下易产生沿竖向的薄弱层。以下是房屋在进行房屋设计中，由于建筑功能的要求，而使房屋产生沿竖向的薄弱层的几种情况。在房屋的底层设置商场或车库，上部作住宅办公的房屋使底层产生薄弱层。在地震作用下，底层的层间弹性位移较上层的大的多，加上由于上部结构的倾覆力矩作用几乎全部由底层框架柱承担。因此，底部框架柱的弹塑性变形集中会非常明显，薄弱层处的框架柱不但需要很大的延性，还需要抵抗由于p．．△效应引起的倾覆力矩，这使得结构很难保证大震不倒。例如，天津第二毛纺厂主厂房，是一座3层钢筋混凝土框架结构。1976年7月26日唐山地震时，2层严重破坏；2层框架柱的上、下端混凝土压碎剥落，主筋弯钩拉脱。震后，对2层框架柱进行局部修复，将2层柱用外包钢筋混凝土加固。由于西南交通大学硕士研究生学位论文第13页加固后的2层框架柱的截面尺寸增大，2层的屈服强度和抗推刚度均大于底层，使底层相对于2层来说，变成薄弱楼层。以致在同年11月15日宁河地震时，因底层发生塑性变形集中而严重破坏后，整座厂房倒塌。这一事例告诉我们，检验结构变形时，应特别注意结构中相对薄弱楼层的变形情况；而且在计算结构变形时，一定要考虑到在薄弱楼层中可能发生的塑性变形集中。同时，在结构设计中还应注意，不要任意加大某一楼层的强度或刚度，以免照成临近楼层因相对薄弱而发生变形集中。由于装修的原因中间层住户取消部分填充墙可能使结构在结构中部产生薄弱层。唐山大地震就有这种情况而使上部几层全部坍塌的例子。这对结构的整体抗震性能十分不利。由于功能上的原因，如房屋的顶部需作大型会议室，而下面各层均为办公室需密布填充墙，因此使项层产生薄弱层。塑性变形集中会在顶层出现，而且，顶层的鞭稍效应也会进一步增强。2．3．3带填充墙结构的扭转破坏纯框架结构在历次地震中都有不佳的表现，究其原因，主要是因为这种结构的刚度不足，特别是抗扭刚度不足。在框架结构的周边沿竖向和水平均匀布置填充墙能够极大地提高框架结构的抗扭强度和刚度，可以防止结构因扭转振动使构件产生不均匀应力。但是如果增加的填充墙在结构中布置不当，负作用将会更大将会使结构的扭转反应迸一步加大。一个本来均匀规整的框架结构由于加入了填充墙，造成结构的刚度中心偏移，从而使结构在地震作用下发生较大的扭转。2．3．4砌体填充墙的约束效应除了刚度效应外，填充墙还会对主体结构的梁柱墙产生约束效应[321。由于填充墙的存在，使得主体结构构件(梁、柱、墙)的变形受到一定程度的限值。并且可能减小梁、柱、墙的计算高度．填充墙的约束效应很多时候会使结构产生安全隐患。2⋯34．1带填充墙结构的短柱破坏(矮承重墙破坏)填充墙的存在会对框架柱形成约束作用使柱子形成短柱。柱子形成短柱以后，变形能力差，延性也大大降低，而且柱子本身所受的剪力也大大增加，在地西南交通大学硕士研究生学位论文第14页震作用下极易发生脆性的剪切破坏。很多大地震均发生过因为短柱形成而使房屋整个楼层垮塌的现象，所以抗震规范已明确表示要避免短柱形成。2．3．4．2带填充墙结构的短梁破坏填充墙的存在会对建筑结构的受力性能产生的另一种干扰就是使框架梁形成短梁，承重墙间的肩墙形成短墙[321。由于填充墙的存在，使原有框架梁的计算跨度发生了改变。使得梁跨高比大大减小，形成短梁。而试验证明1331，短梁是一极具脆性的梁，延性差，抗剪能力弱，破坏时易成剪切破坏。短梁的出现还带来了一个问题，就是原期望的强柱弱梁的抗震体系的梁进一步减弱，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。这意味着因为短梁的存在，本希望由延性梁消耗的大部分能量不得不由框架柱的破坏来消耗，这无疑增加了结构在地震中的危险性。2．4填充墙对结构刚度的影响在填充墙框架结构体系中，填充墙的存在使得结构的刚度明显增大，特别是结构的早期刚度提高显著。早在20世纪60年代，Holmes就对填充墙钢框架进行了试验研究，并明确指出了填充墙存在刚度效应Ⅲ】。由于现在国内外推广轻质砌体材料作为结构的填充墙，近几年国内外做了一些这方面的试验，结果表明，即算采用的是轻质填充墙，带填充墙的框架结构的刚度也可以比纯框架结构大5．10倍，刚度效应十分明显。AmarA．C．和ArslanC。于1999年对一个三层五跨的框架空心砖填充墙结构(中间跨未设置填充墙)和一个同样的纯框架结构进行刚度测试后发现前者的侧移刚度是后者的7倍。1995年，曹万林、王光远等在进行了框架轻质砌块填充墙结构刚度的试验研究。从试验得到的数据可以知道，一个三层两跨的框架轻质砌块填充墙结构(填充墙满跨布置)的侧移刚度是同样的纯框架结构的10倍左右。可见填充墙的刚度效应十分明显。结构刚度的增大致使结构自振周期减短，从而使作用与整个建筑上的水平地震作用增大，增加的幅度可达30％一50％。此外，这种刚度效应将使带填充墙结构在地震作用下产生薄弱层破坏、扭转破坏，使结构严重受损甚至倒塌。西南交通大学硕士研究生学位论文第15页2．5结构在地震作用下的振动对填充墙的影响在土耳其地震中顶部填充墙或者连接不好的填充墙整体垮塌和整片甩出的情形大量出现，直接导致了室内人员、在建筑物旁行走的人、地震救援人员的伤亡和路上车辆的损毁，并使得地震中的救援路线受到影响。造成这种现象的根本原因是因为结构在地震作用下的振动使得填充墙受到了平面外的地震作用。试验研究表明，平面外的强度主要依靠环绕墙体的边界条件。填充墙与框架或剪力墙是否连接牢靠是填充墙在地震作用下是否破坏的重要原因。2000年，德国学者AthanasiosD．，HolgerK．等进行了以德国普遍采用的一种灰砂砖为材料的填充墙的平面外抗震性能的振动台试验【341。他们认为，填充墙与结构成有效连接，能使填充墙产生拱效应，从而大大提高填充墙的平面外强度和抗震性能。而填充墙与结构脱离，将使拱效应丧失。另外，试验还表明填充墙应具有一定的抗压强度，且填充墙的高厚比不宜太小。1996年，DanielP．A．，RichardA．等探讨了框架砌体填充墙在平面内荷载作用先开裂的情况下的平面外强度【，s】。他们一共进行了8片框架填充墙的试验，其中6片粘土砖墙以及2片砌块墙。试验结果表明，己开裂填充墙的高厚比和原有砌体的抗压强度对填充墙的抵抗水平力的能力有重大影响，高厚比为17的填充墙的平面外强度约是高厚比为34的填充墙的5倍。并且，填充墙的平面外强度随着砌体的抗压强度的增加而增加。西南交通大学硕士研究生学位论文第16页第三章钢筋混凝土框架结构地震反应分析方法3．1结构地震作用的分析模型随着国民经济的高速发展，我国的建筑业发展十分迅速，设计思想不断更新。结构体系日趋多样化，建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂，并涉及多种构件类型，是非常复杂的三维空间结构。钢筋混凝土框架是钢筋混凝土结构中应用最为广泛的结构体系之一，同时又是其它结构体系形式如框架剪力墙结构、框架筒体结构的重要组成部分，因而一直是国内外进行结构抗震研究的主要对象。3．1．1结构整体动力分析模型(a)层间模型对于框架结构，由于其质量的分布特点，很容易形成以框架楼层为质点，层间抗侧力体系为非线性弹簧单元的多质点串联体系分析模型的思路，这就是最初的层间模型。层间模型是一种利用力学等效方法的简化，将结构按层静力等效成质量弹簧串。利用层模型分析，主要用于确定在罕遇地震作用下结构的薄弱层位置、层间位移是否超过允许值及层间剪力是否超过该层的极限承载力等。层间模型的基本假定是：1、楼板在自身平面内的刚度无限大，由此在抗震缝区段内每层竖向构件的项部没相对变形；2、房屋刚度中心与质量中心重合，在水平地震作用下结构不会产生绕竖向的扭转。层模型的计算特点为：1、每一层间的所有竖向构件合并为一根竖杆，只需计算各层的综合刚度、开裂剪力、屈服剪力及刚度降低系数；2、刚度矩阵和阻尼矩阵均为三阶对角阵；3、当不计楼层的转动惯性效应，只考虑一个水平方向振动时，则自由度西南交通大学硕士研究生学位论文第17页数等于结构的层数；4、按层模型只能求出结构层间剪力与层间位移，而不能求出竖向各杆件的内力和变形，该内力和变形还需按其它如按刚度分配内力方法进行计算。层模型中采用最多的是层间剪切型模型，该模型假定框架结构层问变形以剪切变形为主，忽略弯曲变形的影响，因而比较适用于层数不多的框架。高层建筑结构中的框架结构，特别是其横梁与柱的刚度比比较大时，即“强梁弱柱”型的框架结构，结构的变形是剪切型的，在剪切型层模型中，结构的刚度用每层的剪切刚度ki来表示，结构每层的质量mi集中于楼层处。为了进一步拓宽此模型的适用范围，在此基础上又发展了层间弯剪型模型。剪力墙结构、框架一剪力墙结构和“强柱弱梁"型的框架结构，即横梁与柱的刚度比很小的框架结构，结构的变形包含有弯曲和剪切两种成分。弯剪型层模型第i层的弯曲刚度为EIi，剪切刚度为GAi，结构每层的质量mi集中于楼层处。其侧向刚度矩阵[K】可由结构在楼层处侧移和转角相等的条件，折算出模型的GAi和EIi也可以先求出柔度矩阵，再求逆得出侧向刚度矩阵【K】。层模型在历史上的最大贡献就是引出了至今抗震规范都还在使用的薄弱楼层的概念，反映了结构物在地震作用下会出现非弹性变形集中于某些楼层的现象。层模型简单明了，在进行楼层参数分析，研究结构地震反应宏观规律方面优势明显。但用于实际工程结构的分析和设计时，却存在着比较大的困难，这主要反映在如何具体确定层间的剪切和弯曲刚度，以及剪弯耦合问题上。这一问题层间模型自身是无法解决的，因为同一楼层的构件其屈服和破坏的时间并不是一致的，其先后顺序受不同地面运动的影响很大。(b)杆系模型杆系模型以构件为基本分析单元，梁柱墙均简化为以其轴线表示的杆件，将其质量集中在两端节点处或采用考虑杆件质量分布的单元质量矩阵，构件间以刚接或铰接连接，利用连接处变形的协调条件建立各构件的变形关系。单个结构构件的弹塑性性质由试验确定，整个结构的弹塑性性质由单个构件的弹塑性性质通过变形协调确定。杆系分析模型的出现不仅仅解决了层模型所面临的层间刚度无法确定的困难，而且它还解决了层模型所固有的两个缺陷。其一，如果说层模型从宏观(层单元)角度向人们展示了结构总体动力反应规律，那么由于结构各杆件进入非弹性阶段的先后次序不同所造成的整个框架动力反应规律的不同，则是层模型所不能解释或反映的。其二，无论从抗震研究还是设计角度来看，结构的梁、柱构件在地震作用下的反应规律西南交通大学硕士研究生学位论文第18页到底如何也是人们所关心的，因为结构的设计最终要落实到构件的设计。如柱端弯矩增大系数应如何取值等，这些问题采用层模型是无法回答的，从这个角度看也必须将结构细化到至少是构件层次才有可能解决这些问题。杆系模型比较适用于强柱弱梁型框架或混合型框架，对于框一墙体系，其中的实体抗震墙和大开洞抗震墙均可采用线性杆件来代表，大开洞抗震墙可以转化为带刚域框架，从而形成杆模型。，杆系模型使得从构件层次研究和掌握结构的地震反应规律成为可能，其适用范围较层间模型有了很大的拓展。层间模型从宏观(层单元)角度向人们展示了结构物沿竖向布置的不同所造成的结构总体动力反应规律的差异，而对于由平面布置不同所引起的结构强度、刚度及质量等的变化，并由此引起的框架各杆件进入非弹性阶段的先后次序及破坏程度的差异等，则只能采用杆系模型才能解释和反映。根据适用的范围，杆系分析模型分为两大类：平面杆系分析模型与空间杆系分析模型。(c)杆系一层模型杆系一层模型比杆模型的计算量减少了很多，但准确性较层模型有所提高。该模型引进了楼板刚性膜假定，即楼板根据平面布置整块或分块地被看成是其平面内绝对刚性、而平面外绝对柔性的理想薄膜，结构每层的质量mi都集中于楼层处，是一种介于杆系模型与层模型之间的计算模型。杆系一层模型的优点是每层只有三个动力自由度(u，v’晓，)，动力计算工作量大大减小，准确性较层模型有所提高；此外，该模型对杆截面进行滞回，能指出时程分析中屈服、破坏的梁、柱的具体位置，可以找出结构的薄弱环节。3．1．2单元分析模型分析中所采用的单元分析模型关系到分析的精度和可靠度，可采用的模型有杆模型、纤维模型等【36·37,3s,391a杆模型集中塑性铰杆系模型建立在经典的弹塑性力学屈服面模型基础上，具有计算简单的优点，但只能考虑双线型的力一位移关系，不能考虑刚度和强度退化等效应，而刚度退化效应又是影响结构非线性分析精度的重要因素(M．J．N。Priestley等，1994)。1987年Park提出了分布塑性铰杆系模型，以反映钢筋混凝土从开裂、屈服到形成塑性铰的整个塑性区发展过程。该模型可西南交通大学硕士研究生学位论文第19页以考虑开裂、屈服、硬化、刚度退化等钢筋混凝土特性，并且与损伤指数挂钩。b纤维模型纤维单元模型由G．H．Powell和EC．Filippou等提出并完善，这种模型一般做法是对钢筋和混凝土分别划分单元，中间联以连接单元反应二者粘结特性，然后按考虑二者约束关系的本构方程建立各自的柔度方程，再通过一定算法转化为通用的有限元方程。该模型可以很好地模拟双向弯曲和轴力相互作用及包括软化段在内的强非线性效应，并且无需事先建立恢复力模型，但不能反映剪切和钢筋握裹滑移影响。3．1．3恢复力模型严格来说，恢复力模型所涉及的内容应属于单元分析模型的一部分，二者是难以分割的整体。结构或构件在承受外力产生变形后企图恢复到原有形状的能力。一般情况下，恢复力模型是以拟采用的单元分析模型为目标，根据大量构件或结构试验数据总结归纳提出。同时它又是一个广义的概念，它既可以用于层间模型，描述结构的层间位移与层间剪力的关系，亦可以用于杆系模型描述弯矩与曲率的关系。在已提出的平面恢复力模型中，较为有名的有Clough(1965)双线型f40】、Takeda(1970)刚度退化三线型[4H、Aoyama(1971)考虑捏缩效应及强度退化三线型、Muto(1973)刚度退化三线型、Nakata(1978)考虑捏缩效应及强度与刚度退化曲线型、Roufaie(1987)考虑捏缩效应及强度与刚度退化曲线型【·：】等等。3．1．4塑性铰出现的位置对于塑性铰的出现位置，理论上，当采用不同数量钢筋使各截面的极限承载力等于该处所有外荷载产生的内力时，则任何一个截面都可能产生塑性铰。但在实际配筋中，因构造关系各截面配筋很难和内力分布完全一致，只是对于构件端部截面和跨内弯矩最大处截面，即所谓的控制截面，其配筋通常和作用内力相适应，其它截面配筋一般都有富余，因此，塑性较可能发生的部位是杆件端部截面及跨内最大弯矩截面处。一般情况下可用杆端塑性变形来考虑杆中塑性区的影响，采用塑性只出现在端部的假定。在钢筋屈服以西南交通大学硕士研究生学位论文第20页前，把任意截面处的曲率和构件的挠度看成“弹性的"，而在塑性铰形成以后，由于塑性铰区外的钢筋并未超过极限，所以认为构件所增加的变形全部来自塑性铰的转动，因此可把变形看成塑性的。从而把杆件的弹塑性状态对单元刚度的影响集中在杆件两端的塑性铰区域。当截面弯矩达到屈服弯矩My时，此截面出现屈服塑性铰，当截面弯矩达到极限值Mu时，此截面出现极限塑性‘-L钗。3．2抗震分析基本理论3．2．1静力理论静力理论起源于日本，是国际上最早形成的抗震分析理论，该法假定整个上部结构随地面做刚体平移运动，结构各个质点上的水平地震作用最大值即为该点质量与地面运动最大加速度的乘积，于是有只=聊似f)I一：聊磐睦：硒g(3．1)式中：Gi——房屋第i质点的重量，∞5朋学K——地面运动最大加速度胁(f)l一和重力加速度g的比值，定义为水平烈度。因此，静力法又称为烈度法，由式(3．1)可知，将房屋各楼层的集中质量Gi放大K倍后水平施加于结构，即构成了结构所受到的水平地震力作用，然后按静力方法即可求出地震效应，因此，静力法属于一种等效静力分析方法。静力法将上部结构看作刚体，未考虑上部结构变形对地震作用的影响，也未考虑地震力作用随时间作用的变化及其与结构动力特性的关系，这使得静力法的结果具有较大的近似性。静力法的产生在抗震领域具有划时代的意义，它使结构抗震理论从无到有。但此方法虽然简单易算，但由于未考虑结构本身以及地基的动力特性与实际地震反应出入较大，已逐渐被淘汰。西南交通大学硕士研究生学位论文第21页3．2．2反应谱理论反应谱理论是建立在强震观测基础上的，20世纪40年代，美国学者M．A．Biot首先提出从实测记录中计算反应谱的概念，到50年代初由美国学者Hous