毛 銳，李兆惠，李 可

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010;2.四川省建筑設(shè)計(jì)院，四川成都610036)

2008年5月12日發(fā)生在汶川的8.0級(jí)大地震造成了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，也帶給了人們沉痛的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。通過(guò)對(duì)汶川大地震震害的分析，發(fā)現(xiàn)了很多框架結(jié)構(gòu)中由于填充墻的原因而造成破壞。目前的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常只考慮填充墻的重力以及填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)周期的影響。然而，在側(cè)向力作用下，填充墻的“剛度效應(yīng)”和“約束效應(yīng)”會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能造成影響。填充墻在豎向分布不均勻會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在薄弱層;填充墻在水平面內(nèi)分布不均勻可能造成“扭轉(zhuǎn)效應(yīng)”;窗下填充墻對(duì)附近框架柱的約束作用導(dǎo)致“短柱效應(yīng)”［1］。因此，在設(shè)計(jì)中若忽略填充墻剛度貢獻(xiàn)則存在較大的安全隱患。本文運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，分析了填充墻在框架結(jié)構(gòu)抗震性能方面的影響［2］。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 計(jì)算模型平面布置

計(jì)算模型選取某六層框架結(jié)構(gòu)房屋，第一層層高為5 m，以上各層均為3 m，抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，框架柱截面尺寸為500 mm×500 mm，框架梁為250 mm×500 mm，樓板厚度為120 mm。結(jié)構(gòu)中鋼筋均采用Ⅱ級(jí)鋼筋，混凝土剪力墻墻體縱、橫向配筋率均為0.5%。各種計(jì)算模型平面示意圖如圖1。

圖1 計(jì)算模型平面示意圖

1.2 計(jì)算單元參數(shù)

本文三維實(shí)體模型中墻體采用Shell63單元，框架柱和框架梁采用Beam188單元。文中的混凝土構(gòu)件根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［3］、［4］中關(guān)于材料屬性的規(guī)定，鋼筋混凝土構(gòu)件采用剛度EI等效的整體式模型［5］。其具體參數(shù)如表1。

計(jì)算模型采用三維有限元模型，采用的方法為由低圖元向高圖元建模。在網(wǎng)格劃分中，本文劃分成的單元均為四面體。圖2～圖5為整體模型單元?jiǎng)澐忠约斑吔鐥l件示意圖。

表1 各構(gòu)件的單元選用及相關(guān)參數(shù)

1.3 計(jì)算模型的選取

1.3.1 傳統(tǒng)框架模型

模型只建框架柱、框架梁和樓板，填充墻視為線(xiàn)荷載加在梁上，不考慮填充墻的剛度，模型如圖2。

1.3.2 等效單桿模型

等效單桿模型是將填充墻視為與墻材性相同的桿單元，對(duì)角斜撐桿鉸接于框架平面，與填充墻厚度相同，有效寬度取對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)的1/10。此斜桿只承受壓力不承受拉力，形成斜撐桿與框架共同工作的抗側(cè)力體系。等效單桿模型簡(jiǎn)圖如圖3。

1.3.3 等效三桿模型

等效三桿模型模擬實(shí)際的框架填充墻結(jié)構(gòu)，可以反映框架梁、柱的剛度、變形和內(nèi)力分布特點(diǎn)，以及填充墻約束框架側(cè)向變形時(shí)所發(fā)揮的對(duì)角支撐作用。等效三桿模型如圖4，支撐面積計(jì)算公式如式(1):

圖2 傳統(tǒng)框架模型

圖3 等效單桿模型

圖4 等效三桿模型

1.3.4 填充墻元模型

填充墻元模型是用有限元的方法對(duì)框架結(jié)構(gòu)中的填充墻進(jìn)行模擬。這種計(jì)算模型除能較好地反應(yīng)整體的結(jié)構(gòu)性能，這種方法需要進(jìn)行大量的計(jì)算和時(shí)間，由于仿真條件的限制，此種方法的計(jì)算也無(wú)法完全反映實(shí)際的結(jié)果。填充墻元模型簡(jiǎn)圖如圖5。

1.4 模態(tài)分析

本文運(yùn)用ANSYS中的子空間法，對(duì)上述4種有限元分析模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到了各種模型的前6階陣型的周期，見(jiàn)表2。

2 結(jié)論

圖5 填充墻墻元模型

表2 各模型不同振型周期對(duì)比

(1)通過(guò)對(duì)四種模型的計(jì)算，填充墻等代成斜支撐后剛度減小，而周期也隨之增大。

(2)將填充墻等代為斜桿支撐后，等效單桿模型與傳統(tǒng)框架模型的周期比值為0.7左右;等效三桿模型與傳統(tǒng)框架模型的周期比值為0.6左右;填充墻元模型與傳統(tǒng)框架模型的周期比值為0.4左右。故對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算方法中周期折減系數(shù)在本算例中應(yīng)取0.4～0.7。

(3)在設(shè)計(jì)中忽略填充墻剛度貢獻(xiàn)會(huì)存在較大的安全隱患;而在設(shè)計(jì)中考慮的周期折減系數(shù)應(yīng)該由框架結(jié)構(gòu)中的填充墻具體數(shù)量具體分析，不應(yīng)概而論之。

［1］淡浩，張瀑，魯兆紅.填充墻剛度對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響的定量分析初探［J］.四川建筑科學(xué)研究，2010(5)

［2］童岳生，錢(qián)國(guó)芳.磚填充墻鋼筋混凝土框架房屋實(shí)用抗震計(jì)算方法［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1987(1)

［3］GBJ11－89建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［4］GB50009－2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］

［5］呂西林，金國(guó)芳，吳曉涵.鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性有限元理論與應(yīng)用［M］.同濟(jì)大學(xué)出版社，1997:72