摘要:本文针对规范中统一考虑填充墙对结构自震周期的影响,即折减系数做法,不能真实反映填充墙不均匀布置下结构的实际刚度变化。并因此结构可能产生薄弱层,对此提出设计建议及技术措施。
关键词:周期折减系数;刚度变化;薄弱层
一、引言
在地震作用下,框架、框剪、或框筒结构中的填充墙一般砌在主体框架上,但其质量、刚度对结构有不可忽视的影响。有关试验结果表明,即使采用轻质隔墙,带填充墙的框架刚度也可以比纯框架结构的大5～10倍,刚度效应十分明显。这种刚度效应会使地震下结构实际承受的地震作用大于实际计算值,故《抗震规范》(08版)13.2.1条第2款规定:对嵌入抗侧力构件平面内的刚性建筑非结构构件,可采用周期调整等简化方法计入其刚度影响。并按折减后的自震周期计算水平地震作用。周期折减的目的是为了充分考虑非承重填充砖墙刚度对结构自振周期的影响。因为周期小的结构,其刚度较大,相应吸收的地震力也较大。若不做周期折减,则结构偏于不安全。而且,这个放大的地震作用全部由结构主体框架的抗侧刚度来承担,这就使填充墙的抗侧刚度作为安全储备,使结构设计偏于安全。
周期折减系数的取值,与结构中的非承重墙体的材料性质、多寡、构造方式等有关,具体可参考《建筑抗震设计手册》,参见表1。
注:1、ψC为有填充墙框架榀数与框架总榀数之比;
2、无括号的数值用于一片填充墙长6m左右时;括号内的数值用于一片填充墙长为5m左右时;
3、填充墙为轻质材料或外挂墙板时周期折减系数ψT取0.8～0.9。
但是,规范这种周期折减系数做法,是适用于填充墙均匀布置情况下,或者说是对填充墙作用的大致估计,不能真实反映填充墙不均匀布置下结构的实际刚度变化。故《抗震规范》(08版)3.7.4条规定:框架结构的维护墙和隔墙,应考虑其设置对结构抗震的不利影响,避免不合理设置而导致主体结构的破坏。
二、产生薄弱层的原因
上下楼层的墙体数量相差很大,导致上刚下柔,采用普通砖、空心砖的砌体填充墙尤其明显。例如,在底层设置商场或车库,或作景观架空层,上部作住宅或办公用时。此种情况,按周期折减系数法,据《高规》条文解释中明确指出,高层建筑结构在进行内力分析时,只考虑了主要结构构件(梁、柱、剪力墙和筒体)的刚度,没有考虑非承重结构的刚度。故设计人员就会把填充墙作为线荷载考虑,导致计算出的各楼层刚度与有无填充墙无关。然而,因底层无填充墙,地震作用下,底层的弹性位移远大于上层,而且结构的倾覆力矩几乎全部由底层框架承当。底层框架柱的弹塑性变形集中会非常明显,导致结构产生竖向薄弱层破坏,强震时甚至倒塌。台湾9.21大地震,大量临街房因底层作商铺,这种震害十分普遍。
三、设计建议
1、因产生薄弱层的最主要原因是填充墙沿竖向分布不均匀造成的结构层间刚度不均匀。薄弱层上部楼层(设置较多的填充墙)与薄弱层所在的楼层(基本不设或少设填充墙)的侧移刚度比很易达到5～10以上,这种“头重脚轻”的框架或框剪等结构的抗震性能和底部框架剪力墙结构区别不大,在地震中的表现也趋于一致。因我国规范未考虑填充墙的刚度效应,为了保证抗震安全,应参考抗震规范中处理框支剪力墙或底部框架抗震墙的竖向刚度不归则的办法,即控制结构在薄弱层附近的侧移刚度比,使其不应大于2(底部为薄弱层)或1.3(上部其他层为薄弱层)。
2、从概念上把握,因填充墙对主体结构的影响,实际上就是考虑填充墙刚度对主体结构刚度的影响程度。主体结构刚度越大,填充墙对主体结构刚度的影响就越小,反之就越大;填充墙的自身刚度越大,对主体结构周期影响也越大,反之就越小。
底层空旷(上部填充墙较多)的结构,填充墙后施工的施工工艺决定了在结构小变形阶段其对结构的侧向刚度的贡献不大,此时结构的相邻层侧向刚度比为主体结构的侧向刚度比,也就是结构抗震设计计算中的楼层侧向刚度比;当结构变形继续加大时,框架与填充墙形成带边框的砌体剪力墙,填充墙对主体结构侧向刚度的贡献很大,从而引起结构相邻层侧向刚度的急剧变化(这个变化在结构抗震设计计算中无法真实反映)。
鉴于以上分析,对底层空旷框架结构设计提出下列建议:
(1)在强震区宜少用或不用;
(2)必须采用时,宜采取措施加大底层侧向刚度,如在底层加设一定数量的剪力墙等,还可以增强构件的延性,如柱箍筋全截面加密等,避免剪切破坏
(3)可采取减小上部填充墙刚度的相应技术措施,如减少填充墙的数量、尽量采用轻质填充墙等;
(4)对此类结构应更加注重概念和构造设计。填充墙布置宜均匀、对称,避免形成薄弱层或短柱。
3、电算中的处理措施。
因程序只能自动判断《抗震规范》(08版)竖向不规则类型中的侧向刚度不规则情况为薄弱层,但此刚度比计算方法采用的是地震力与层间位移比,而并非剪弯刚度和剪切刚度。而竖向抗侧力构件不连续、楼层受剪承载力突变情况则无法自动判断,这时就要人为指定薄弱层调整。另外,依据美国UBC(1997)的规定中,对竖向不规则尚有相邻楼层质量比大于150%情况。最新版的程序在WMASS.OUT文件中输出了相邻楼层质量比,但没有做薄弱层的判断,需要设计人员人为指定。对于前面讨论的底层空旷、上部填充墙较多的结构,一般情况下相邻层的质量比都大于150%,就应定义为薄弱层。
四、结语
在特定情况下,考虑填充墙的不利影响,关键是把握住结构的真实刚度变化对结构的动力反映不利影响,并从真实情况进行结构设计、分析,对于保证结构安全,减轻震害,是十分必要的。
参考文献
〔1〕《建筑抗震设计手册》(第二版) 龚思礼 中国建筑工业出版社2003
〔2〕GB50011-2001 建筑抗震设计规范(2008年版)
〔3〕JGJ3-2002 高层建筑混凝土结构技术规程