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    第六期:關于框架結構填充墻,您違反強條了嗎?

    • 抗震規范 框架結構
    2021年03月29日

    本次“解說”《建筑抗震設計規范》、《建筑抗震鑒定標準》等抗震防災技術標準的若干熱點技術問題,由規范(標準)的主要編修人員我公司建研設計院羅開海研究員、毋劍平研究員進行詳細的技術解讀。


    解說第六期:

    關于框架結構填充墻,您違反強條了嗎?

        框架結構剛性填充墻設置的合理與否,會直接關系到結構的動力特性和房屋的地震安全。為此,抗規08年局部修訂時將3.7.4條提升為強制性條文,然而,從十幾年執行情況看,該條并未引起工程各方的足夠重視。本文將細數框架結構剛性填充墻設置不當引發的震害和需采取的相應對策,希望能對您有所幫助!

    1、 規范要求的沿革與變化

    我國89規范在第2.4.2條規定,“圍護墻和隔墻應考慮對結構抗震的不利或有利影響,應避免不合理的設置而導致主體結構的破壞”。

    01規范修訂時,將其中的“有利影響”字樣取消,在第3.7.4條中規定,“圍護墻和隔墻應估計對結構抗震的不利影響,避免不合理的設置而導致主體結構的破壞”。

    08年局部修訂時,鑒于1999年臺灣地震和2008年汶川地震中大量框架結構的破壞或倒塌情況,將01規范的上述規定進行了調整,側重強調框架結構中圍護墻和隔墻不合理設置導致的不良后果,并且將此條提升為強制性條文。

    3.7.4框架結構的圍護墻和隔墻,應考慮其設置對結構抗震的不利影響,避免不合理設置而導致主體結構的破壞。

    10版規范修訂時,此條繼續保持了08年局修的規定。


    2、 合理布置剛性填充墻對房屋抗震性能的影響

    在框架結構中,隔墻和圍護墻采用普通磚、多孔磚和混凝土小型空心砌塊砌筑時,這些剛性填充墻將在很大程度上改變結構的動力特性,給整個結構的抗震性能帶來一些影響,合理利用會對結構抗震性能有所提升。

    總的來說,剛性填充墻對框架結構抗震性能的影響主要包括以下幾個方面:

    (1) 增大建筑物抗側剛度,縮短自振周期。由于這個原因,作用于整個建筑上的地震作用會增大,增加的幅度可達30%~50%。

    (2) 改變結構的地震剪力分布狀況,減輕主體結構的抗震“負擔”。由于剛性填充墻參與抗震,分擔了很大一部分水平地震剪力,使框架所承擔的樓層地震剪力大大減小。

    (3) 增大建筑物抗側剛度,減小框架結構側向變形。由于剛性填充墻自身具有較大的抗側剛度,它的存在提高了建筑物整體剛度,降低了建筑物側向位移,從而減小了框架結構的地震側移幅值。

    (4) 增加建筑抗震防線的層次,有利于形成多道防線。相對于框架而言,剛性填充墻具有較大的初期剛度,建筑物遭受地震前幾次較大的脈沖時,填充墻承擔了大部分地震作用,隨著填充墻剛度退化和強度劣化,框架所承擔的地震剪力逐漸增多,框架才漸漸變為主要抗震構件。從這一過程可以看出,剛性填充墻充當了建筑抗震的第一道防線,使框架退居為第二道防線。所以,單就此而論,剛性填充墻的存在,增加了框架結構抗震防線的層次,形成了事實上的多道防線。

    (5) 增加建筑物吸收和耗散地震能量的能力,提高整個建筑的抗震能力。1985年墨西哥地震,墨西哥市一些純框架高層建筑發生倒塌,而帶有磚填充墻的框架結構高層建筑,不但沒有倒塌,而且破壞程度較輕。很大程度上因為剛性填充墻通過自身的變形及墻面裂縫的出現和開展,消耗了大量輸入建筑物的地震能量,保護了主體結構,從而提升了建筑的抗震安全性能。


    3、 不合理布置的剛性填充墻導致的震害表現與處置對策

    剛性填充墻不同于輕質隔墻,雖然也是非承重構件,但由于它具有較大的抗側剛度,所以不能隨意布置。它的布置合理與否,關系到框架的剪力分布以及整個房屋的抗震安全。震害調查表明,如果剛性連接的剛性填充墻不合理布置,會造成主體結構不同程度的破壞,甚至倒塌??偨Y近幾十年的震害經驗,框架結構剛性填充墻不合理布置的不利影響主要有以下四種表現: 

    表現1:豎向布置不均勻,形成薄弱樓層,地震作用導致結構變形集中進而破壞。

    剛性填充墻沿建筑豎向上下布置不均勻,導致結構局部樓層的實際剛度明顯小于上部樓層,形成薄弱樓層,地震中因變形集中而破壞。比較常見的一種布局形式是上剛下柔,類似于底部純框架的底部框架-抗震墻砌體房屋(圖1)。

    圖1  不合理布置簡圖(一)

    此類房屋目前在我國中小城鎮的沿街商住樓中比較常見,震害調查發現,強烈地震中此類房屋的底層破壞嚴重(圖2、3)。

    圖2  1999年臺灣地震,沿街底商,橫墻多,縱向無墻,倒塌

    圖3  1999臺灣地震,南投縣埔里大飯店,7層框架,底層大空間,基本無填充墻,地震中底層破壞嚴重


    設計對策與建議

    當實際工程中,出現這種上下樓層剛性填充墻布置差異較大的情況時,作為結構工程師,應注意采取以下措施:

    (1) 按底部框架-抗震墻砌體房屋的要求,驗算并控制上下樓層的實際剛度比值。

    1) 按照抗震規范GB 50011-2010第7.1.8條的要求,驗算上部(二層)與底部(一層)的剛度比值K2/K1,6、7度不應大于2.5,8度不應大于1.5;

    2) 計算時,填充墻應作為砌體抗震墻考慮,計入其剛度;

    3) 當不滿足上述剛度比的控制要求時,應與建筑師溝通協調,調整上下墻體的布局,在底部設置必要的抗震墻(混凝土或砌體),同時加強構造措施?;蛘吒淖儤菍犹畛鋲Σ馁|,由剛性填充墻改為輕質隔墻。

    (2) 加強底部樓層框架柱的配筋與構造,避免形成樓層承載力突變。

    1) 底部樓層的地震剪力,應按抗震規范7.2.3條的規定,乘以1.2~1.5的放大系數,剛度比值K2/K1越大,放大系數的取值越大;

    2) 上部樓層的受剪承載力,應按抗震規范GB 50011-2010第7.2.9條的規定計入墻體的貢獻;

    3) 底部樓層的承載力突變控制,按抗震規范第3.4.3條的“不小于相鄰上層80%”控制。


    表現2:平面布置不均勻,導致偏心過大,地震時建筑發生嚴重的扭轉破壞

    剛性填充墻在平面上布置不均勻(圖4),造成結構扭轉不規則,地震中結構扭轉破壞(圖5)



    圖4  不合理布置簡圖(二)

    圖5  2008汶川地震,安縣某辦公樓,填充墻不當布置導致扭轉破壞

    設計對策與建議
    ①結合其他專業需要,調整墻體布置,或者將部分剛性填充墻改為輕質隔墻,盡量使剛性填充墻均勻、對稱分布;

    ②按《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010第5.2.3條第1款的要求,設計時不考慮剛性填充墻對結構規則性的影響,按規則結構考慮,不進行扭轉耦聯計算時,建筑的邊榀構件的地震作用效應應乘以扭轉效應增大系數。

    表現3:局部砌筑不到頂,形成短柱破壞

    剛性填充墻砌筑不到頂(圖6),使框架柱形成短柱,地震中易產生剪切或彎曲破壞(圖7、8)。

    圖6  不合理布置簡圖(三)

    圖7  汶川地震,都江堰某三層框架結構,填充墻不合理砌筑導致短柱破壞

    圖8  1999臺灣地震,某加油站,由于墻體約束形成短柱破壞


    設計對策:對局部填充墻砌筑不到頂的框架柱,應考慮填充墻的約束作用,重新核算框架柱的剪跨比,按短柱或極短柱的相關要求進行設計,箍筋全高加密;若抗剪承載能力不足,尚可增加交叉斜向配筋。


    表現4:柱單側布置填充墻,地震時,支撐效應下,柱上端沖剪破壞

    由于后砌填充墻的墻底與樓面梁結合緊密,墻體剪力可通過結合面傳遞,柱下端附加剪力很小,一般不致引起震害;但后砌填充墻的頂面與框架梁底面接觸不緊密,來自上部樓層的大部分地震剪力需要通過柱的上端(圖10),途經填充墻向下部傳遞,這就給柱上端帶來很大的附加剪力,造成柱上端的沖剪破壞(圖11、12)。

    圖9  不合理布置簡圖(四)


    圖10  樓層柱上端沖剪破壞機理

    圖11  汶川地震柱上端沖剪破壞

    圖12  玉樹地震,玉樹賓館柱沖剪破壞


    設計對策:

    (1) 在進行結構內力分析時應考慮填充墻剛度對地震剪力分配的影響,合理確定柱各部位所受的剪力和彎距并進行截面承載能力驗算。

    (2) 考慮填充墻對框架柱產生的附加內力,具體計算方法,可參考《建筑抗震規范》GB 50011-2010第7.2.9條第1款關于底框柱附加內力的計算規定。

    (3) 單側有填充墻的框架柱,樓層上端除需要考慮上述附加內力進行設計外,尚應加密箍筋,增設45度方向抗沖切鋼筋,一般而言,不宜少于;而對于角柱,沿縱橫兩個方向均應配置斜向配筋。


    4、 強制性要求的檢查與控制

    在鋼筋混凝土框架結構中,隔墻和圍護墻采用實心磚、空心磚、硅酸鹽砌塊、加氣混凝土砌塊砌筑時,這些剛性填充墻將在很大程度上改變結構的動力特性,對整個結構的抗震性能帶來一些有利的或不利的影響。規范對這些隔墻和維護墻的總體設計要求是,在工程設計中考慮其有利的一面,防止其不利的一面。

    3.7.4條作為強制性條文,其檢查要求如下:

    檢查項目:框架結構填充墻的布置

    檢查對象:建筑、結構專業設計圖紙等

    檢查內容:填充墻的平面、立面布置以及局部設置情況,是否存在對主體結構抗震性能不利的情況,結構專業采取的處理措施是否恰當等。


    5、 友情提示

    5.1  作為建筑師的注意事項

    方案設計時圍護墻和隔墻優先考慮輕質墻體,慎重布置剛性圍護墻和隔墻。若必須布置時,盡可能滿足以下要求:平面內圍護墻和隔墻的布置應大致對稱;每層數量不宜有顯著變化;且上下層基本在同一位置,不應錯位??!


    5.2  作為結構工程師的注意事項

    應仔細檢查、核對建筑專業圖紙,確認填充墻的平面、立面布置以及局部設置情況,是否存在對主體結構抗震性能不利的情況,并采取的相應的處理措施。



         切      記   

      隔墻危害需記牢,

      周期折減不全包。

      建筑結構通盤計,

      以免違規犯強條。


    延伸閱讀

    [1] 羅開海,毋劍平. 建筑工程常用抗震規范應用詳解[M]. 北京:中國建筑工業出版社,2014.11.


    END


     可轉載,轉載需標明圖文來源!





    羅開海

    研究員,工學博士,碩士生導師

    國家一級注冊結構工程師

    我國結構與抗震知名專家



    毋劍平

    研究員

    國家一級注冊結構工程師

    一級注冊建筑師





    往期回顧:

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