填充墙对框架结构抗震性能影响的数值模拟研究

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1、填充墙对框架结构抗震性能影响的数值模拟研究1绪论1.1引言目前，填充墙框架结构是最重要的建筑结构形式之一，因其具有建筑平面布置灵活、砌体填充墙自重轻等优点，广泛的应用于各种办公楼、居民住宅楼、医院、教学楼及商场等建筑中。在框架结构体系中，填充墙虽然是非结构构件之一，但是，填充墙对框架结构抗震性能的影响在结构设计中却不能被忽视。然而，设计人员对填充墙框架结构进行结构设计时，建立的是空框架模型，然后将填充墙以梁间荷载的形式附加于框架梁、次梁上，对填充墙对框架结构刚度的影响考虑的并不是很充分。同时，工程设计

2、人员对于框架结构侧移刚度因填充墙的加入而变化的情况考虑的也不是很充分，只是通过规范中规定的框架结构周期折减系数来考虑填充墙对其的影响。这就使得所选取计算模型的计算结果与实际工程结构的受力情况有很大误差，不仅容易埋下严重的安全隐患，还会因为增加结构配筋，造成经济浪费。事实上，当地震发生时，填充墙与框架主体是共同工作的，框架主体不仅会约束砌体填充墙的变形，同时还会受到填充墙对其的支撑作用。由于填充墙的支撑作用，使填充墙框架结构的刚度大于纯框架结构，减小了结构的自振周期。当发生强烈地震时，因为填充墙会发生破

3、坏并消耗一部分地震能量，所以框架主体承担的地震力也就相应的减少了。填充墙的存在也增加了框架结构的抗侧刚度，同时框架结构的侧向变形也随之减弱，使框架结构不会过早的发生破坏。但是，填充墙在框架结构内的不均匀布置及梁、柱对填充墙的约束作用，在地震作用下都容易使主体结构发生扭转破坏和剪切破坏，造成重大人员伤亡和财产损失。因此，如何降低填充墙对框架结构的危害，并最大限度地发挥填充墙对框架结构的优势，研究填充墙对框架结构抗震性能的影响，就具有重大的理论意义和工程价值。.........1.2填充墙框架结构的国内外

4、研究现状国外对于填充墙框架结构的研究要比我国早。起初主要是进行关于填充墙的试验研究，而现在国外学者首不仅进行试验研究，还利用有限元软件对计算模型进行分析，具体的研究情况如下所示：1956年，Polyakov[1]通过建立大比例填充墙框架结构，在结构上施加荷载，通过观察发现在填充墙墙体的对角处首先出现裂缝，随着荷载的逐渐增加，新的墙体裂缝也会随之出现，直至墙体发生破坏。通过最后的试验分析发现当填充墙框架结构承受荷载作用时，水平荷载力主要由斜对角墙体承担。1984年，Riddington[2]研究了八个填

5、充墙钢框架结构，通过水平承载力的测试试验，证明填充墙墙体初始裂缝的形成会降低构件的初始刚度，但是对结构的极限承载能力影响不大。1994年，Angel和Abrams[3]建立了按1:2比例缩减的带混凝土砌块的填充墙-框架结构，通过平面外加载试验，证明了墙体发生开裂对结构的平面外刚度有较大的影响。1995年，Saneinejad[4]建立了几种填充墙-框架结构的计算模型，经过分析模型的计算结果以及前期的试验数据，推导出极限状态下的侧向荷载以及开裂荷载计算公式。1996年，Mehrabi[5]通过分析前人的

6、试验数据以及在荷载作用下填充墙的破坏形式，提出了介于填充墙单元与混凝土单元之间的砂浆界面模型。以此模型建立了几个计算模型，通过分析计算模型的计算结果可知框架结构的层间刚度与最大极限承载力与试验测得的结果吻合。1999年,Chaker和Cherifati[6]通过试验研究了填充墙在框架结构内布置方式不同时框架结构自振频率的变化情况，同时也做了填充墙框架结构和空框架结构关于振动加载试验的研究。结果表明当填充墙在框架内部布置方式不同时会使框架结构的自振频率相差50%以上；并根据不同简化填充墙墙体模型建立了几

7、个对比计算模型，通过分析计算结果可知：在模拟填充墙初始刚度对框架结构自振周期的影响方面，平面板单元模型要比撑杆模型更准确。.........2填充墙对框架结构抗震性能的影响2.1填充墙与框架协同作用的原理依据大量填充墙框架结构震害调查结果和模型试验结果分析表明[28-32]，填充墙和框架结构协同作用可以分为以下四个阶段：（1）整体工作阶段：此阶段的特点是填充墙与框架结构的接触部位及其周围部分未出现裂缝，填充墙与框架结构刚性连接，共同工作。（2）弹性工作阶段：随着荷载的增加，填充墙与框架结构的对角接触部

8、位出现裂缝，墙面出现未贯通的斜裂缝，填充墙和框架均处在弹性工作阶段，此阶段填充墙为主要抗侧力构件。（3）弹塑性工作阶段：随着荷载的进一步增加，填充墙初裂逐步发展至各段裂缝水平投影长度沿整个墙宽连续贯通，此时，主体框架成为结构体系的主要抗侧里构件。（4）塑性阶段（破坏阶段）：荷载继续增加，主要由框架主体承担荷载力，填充墙完全丧失承载能力，框架柱、梁两端陆续开始出现塑性铰，此时结构的侧移增长较快，荷载逐渐下降，结构趋于破坏，结构体系达到极限状态。根据填充墙与