浏览：次 2019-01-28 12:53
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。
抗震 填充墙 构造翼墙 细部构造
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。
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1米范围）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1米范围）混凝土压碎。
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）构件均没由考虑填充墙的因素，现行结构计算程序也是依据此理论（如PKPM软件）编制的。
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，400X600，C25砼，
则，
填充墙砌体为M5砂浆砌M10多孔粘土砖，200厚。
； ；
砌体依次取1、1.7、3m长作为截面刚度计算单元时，
；
则框架柱与多孔粘土砖砌体的截面刚度之比
； ； （或）；
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1米范围）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；
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、 （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。
构造翼墙的设置比单纯的扩大柱截面或提高配筋率，效果要好的多，这从前面的刚度计算对比中，可以得到应证。是一种经济可行、安全可靠、施工方便的抗震措施。
2、结合当地施工水平，做好细部结构设计
（1）、柱轴压比控制：框架底层柱应≤0.5以下，保证足够的安全储备；
（2）、柱上下端加密箍宜比计算配箍量提高20％或提高一级，且采用搭接焊接，提高框架柱的延性；
（3）、节点配筋：当梁宽为200时，受力筋不宜超过2根；250时，受力筋不宜超过3根；超过时，宜按双排配置；或调整构件尺寸，避免在节点处混凝土浇筑时振捣困难、甚至无法振捣的情况，以实现强节点的目标；
（4）、钢筋强度选配：梁、柱尽量选HRB400强度钢筋，以尽量减少钢筋过密现象，方便施工，保证质量。
3、严格建筑物的管理和使用
1、建筑物使用单位或个人应严格按设计使用说明书使用，禁止擅自改变原有建筑平面布置。
2、特别对于住宅楼，政府主管部门应出台相应政策，鼓励房地产开发企业实行精装修交房，控制商品房二次装修的内容，明确规定装修时不得破坏原有结构，也不得拆除或改动原有填充墙，保证结构的整体抗震性能不致削弱。
鉴于现阶段地震预报的困难，应当大力加强防灾设计工作，毕竟防灾胜于救灾。加强对抗震结构体系的研究，充分研究填充墙在结构抗震中的作用，在按现行抗震规范设计的基础上，通过概念设计在构造措施方面加以补充，以提高受力柱的抗震能力和安全性，如设置构造翼墙等。重视细部节点构造的设计，特别要结合当地的施工水平，设计实用有效的构造做法，既便于施工，又能改善结构性能。另外加强房屋的使用管理也是不容忽视的一个环节。这样，通过技术和管理的综合手段，最终实现房屋结构安全可靠的目的。