干砌填充墙框架结构抗侧性能及简化计算

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1、干砌填充墙框架结构抗侧性能及简化计算　　摘要：利用拟静力试验结果和有限元结果对干砌填充墙框架结构的受力机理进行分析。在充分考虑并联模型和等效斜支撑模型后，把钢筋混凝土框架及干砌填充墙抗侧力贡献单独分析，研究填充墙内砌块密度、摩擦系数及砌块层数等对结构抗侧力的影响。研究表明：1）平面应力单元及界面单元能够模拟干砌填充墙的受力性能。根据该模型，试验对应工况下，无浆填充墙框架最终失效由框架破坏产生；2）无浆填充墙抗侧力贡献主要源于内部砌块之间的相互摩擦力，且该抗侧力分为恒定段、加强段以及极限承载力3段；3）提出了无浆填充墙抗侧力分段公式并得到了试验及有限元结果的验证。　

2、　关键词：无浆填充墙框架结构；有限元分析；并联模型；等效斜撑模型；抗侧力　　中图分类号：TU398.5文献标志码：A　　文章编号：16744764（2013）02002107　　填充墙框架结构是中国常用的结构形式。该类型结构设计时通常采用框架承担全部结构荷载，填充墙构件并不作为结构的一部分参与工作。历次震害调查表明，填充墙与框架结构之间相互作用，不但改变了结构体系的强度以及设计时的刚度分布，使结构发生薄弱层破坏和扭转破坏；同时，填充墙的约束效应使框架发生短柱破坏，导致结构严重受损甚至出现倒塌[14]。文献[57]研究表明填充墙对框架具有明显的刚度增强作用，即使采用

3、轻质材料如加气混凝土等砌筑填充墙，其结构刚度仍比纯框架结构高出4～9倍[8]。这表明了填充墙框架结构的刚度与填充墙材料无关，而主要受填充墙与框架之间的复杂相互作用以及填充墙内部受力机理的影响。　　林坤，等：干砌填充墙框架结构抗侧性能及简化计算　　近年来，为提高框架结构内部填充墙的耗能能力，研究人员提出了新型的干砌填充墙框架结构[9]。该结构采用砌块无浆堆砌填充墙，利用砌块之间的相互摩擦作用消耗能量。为加强对该结构受力性能的分析，作者在澳大利亚纽卡斯尔大学基础设施性能与可靠度中心进行了一系列的拟静力面内荷载试验。试验得到了不同填充墙形式对应的力位移滞回曲线、骨架曲线

4、以及各自的破坏模式。试验结果表明，不同于传统砌体填充墙框架，新型结构中填充墙对框架整体结构的刚度增强作用很小。新型结构中填充墙抗侧能力主要源自砌块间的相互摩擦力，该摩擦力与框架对填充墙的约束状态有关。笔者利用纯框架及干砌填充墙面内拟静力试验得到填充墙对应的力位移曲线，结合有限元数值仿真，从受力机理层面对干砌填充墙抗侧能力进行分析。探讨了影响抗侧能力及结构刚度的因素，提出结构整体水平抗侧能力计算方法并提出简化公式，为该类型结构的设计及分析提供参考。　　1试验研究和有限元分析　　1.1试验简介　　为了考察填充墙对框架的影响，分别建立了纯框架、干砌填充框架进行拟静力试验

5、。试验装置如图1所示，具体试验过程及结果见参考文献[9]。填充墙上端与连梁之间初始状态下有1mm的非均匀缝隙。首先对结构施加0.3MPa的恒定竖向压力[10]，然后采用位移控制进行反复加载。为保证钢筋混凝土框架始终处于弹性工作阶段，在对纯框架进行加载时，加载位移最大值为10mm；对于填充墙框架，加载位移最大值为16mm。试验得到测点P1的力位移滞回曲线如图2所示。可以发现纯框架的滞回曲线具有良好的对称性；干砌填充墙框架的滞回曲线具有明显的非对称性，这是由于填充墙上端与连梁之间初始缝隙不均匀造成的。利用力位移滞回曲线，得到各自对应的骨架曲线（图3）并结合有限元仿真进

6、行分析。　　1.2有限元仿真及对比　　采用DIANA有限元软件对试验建立细观模型。混凝土框架和砌块都采用平面应力单元，砌块之间的连接以及框架及填充墙之间的连接采用界面单元，如图4（a）所示。采用8节点连续单元CQ16M模拟砌块，6节点零厚度界面单元CL12I模拟接缝。　　因为试验过程中，砌块几乎未发生破坏，因此材料特性采用弹性，弹性模量26365MPa，密度为2250kg?m-3，泊松比为0.2。界面单元材料特性采用理想塑性摩尔库仑摩擦准则，初始粘结力为0，摩擦系数为05。图4（e）所示为有限元模型计算的测点1的水平位移和试验结果的对比。结果表明，该有限元模型能够

7、准确地模拟纯框架及干砌填充墙框架的受力特性。在对干砌填充墙框架进行加载时，结构最大侧向位移仅为14mm（图2（b）），此时试验框架并未发生最终破坏。因此，为全面考察无浆填充墙框架的力学性能，有必要采用有限元模型对其进行极限承载力分析。　　根据有限元模型结果，无浆填充墙框架极限承载力为62kN，对应的水平位移为17mm。图4（b）所示为水平位移20mm时无浆填充墙内部压应力分布情况。此时填充墙内部压应力最大值为16.4MPa，远低于砌块抗压强度；而框架中钢筋进入塑性阶段以及混凝土表面出现的大量裂缝是结构整体刚度降低的根本原因，如图4（c）、4（d）所示。因此该结构的

8、最终承载力