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填充墙对轻型钢框架结构抗震性能的影响分析

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   【摘要】作为我国目前房屋住宅建筑中使用最为广泛的一种建筑结构,填充墙结构有着自身的优点和不足。设计单位越来越关注填充墙对钢框架结构抗震性能的影响,结合大量的震灾实例研究和相关模型试验,我们发现填充墙对轻型钢框架结构的承载力、刚度和变形能力都有一定程度的影响。
  【关键词】填充墙钢框架结构 抗震 影响
  中图分类号:U452.2+8 文献标识码:A 文章编号:
  改革开放以来,我国居民的生活水平显著提高,大量的住宅楼也在建设施工过程中,不同的建筑工程可能会采取不同的结构方式,但得到普遍应用的是框架填充墙结构方式,由于我国的建筑行业在近些年才得到发展,对结构体系的研究更是远远落后国际水平,对于钢结构的很多研究都还处于起步阶段,对钢结构的破坏机理也无法进行准确的分析。在这个结构体系中,填充墙的作用只是围护和隔断,并不承受承重、支撑和抗剪切的作用。受力的主体是钢架结构,但大量的研究和实例表明,填充墙的不合理处理会降低轻型钢框架结构的抗震性能。本文作者结合自身的实际施工经验,参考钢架结构受力分析,并研究了大量的震害实例,分析了填充墙对轻型钢框架结构抗震性能的影响。
  填充墙对钢架结构抗震性能的影响
  1.1 对结构承载力的影响
  由于填充墙在构造上是与框架联系在一起共同作用的,因此改变了整个结构的抗侧力,两者相互作用,直至结构破坏,所以填充墙始终都在承担一定程度的水平荷载,虽然不大,但确实存在。经过大量的震害调查,我们通过理论分析结合模型试验,发现填充墙钢架结构远比空框架结构的抗震性能出色,他有一定的抗侧压力作用。将填充墙和钢架结构联合在一块进行试验,结构整体的抗侧力总承载力大于单独的填充墙和框架结构抗侧力之和,如果墙面不存在洞口的话,填充墙将会使钢框架结构的抗侧力总承载力至少提高百分之二十五以上。
  1.2填充墙对结构刚度的影响
  填充墙的加入可以有效的增加钢框架结构的刚度,在早期的时候效果最为显著,因此在水平荷载作用下结构侧移较小,可以提高正常工作阶段的建筑物的使用效果;另外在强震或遇到强风的时候由于结构刚度增加,侧移减少,结构中的柱子轴力也就随之减少了。也就是说在一定程度上,填充墙增加了钢框架结构的抗震性能。
  1.3 填充墙对结构变形能力的影响
  由于填充墙与钢框架结构之间的相互作用,填充墙框架结构具有良好的变形性能,结构从开始加载直到破坏的整个受力和变形过程比较平缓,与填充墙的脆性不同,钢框架结构具有较好的延展性。如果只是填充墙的话只要发生一点点的结构变形,就会对填充墙造成严重甚至毁灭性的的损害。但是将填充墙和钢框架结构结合起来使用就可以大大的增加填充墙的延展性能,结果研究和大量的试验发现延性框架加上脆性砌体是开裂后的荷载和位移值也比纯砌体结构的值要大的多,填充墙在很大程度上改善了钢框架结构的变形性能。除此之外,在钢框架结构中加入填充墙之后,由于填充墙中裂缝之间的摩擦、材料内部阻尼以及墙体与框架之间的滑移等,结构耗能能力大为增加;而且填充墙的存在大大的减少了结构倒塌的可能性,这就是填充墙对钢框架结构变形能力的一个好的影响。
  1.4 填充墙布置不合理会使结构存在薄弱层
  填充墙延竖直方向的分布不均匀时,由于填充墙的刚度效应往往会在填充墙布置较少的楼层产生沿竖向的软弱层。例如为了满足底层大开间的建筑功能要求,现行的建筑物在底层设置商场货车库,上部作为住宅或办公用途,如此使得底层刚度发生突变,造成底层为薄弱层。在地震作用下本来底层的层间剪力最大,而底层由于填充墙数量较少而导致刚度较小,会产生比较大的层间弹性变形,同时结构的倾覆力矩作用几乎全部由底层框架柱来承担。
  要控制薄弱层的出现,应该首先控制结构在薄弱层附近的侧移刚度比。在涉及带填充墙的钢框架结构时,应该充分考虑填充墙的刚度效应并使薄弱层附近上下层侧移刚度比在底部为薄弱层的时候不大于1.8,在其它层为薄弱层时不应大于1.3。对已经建成的各种带填充墙结构的房屋建筑要进行侧移刚度比的验算,对不满足条件的要进行抗震加固,加固时可以通过在薄弱层设置混凝土剪力墙或大型钢支撑来降低刚度比。
  二、洞口对轻钢框架抗震性能的影响
  2.1 有限元模型的建立
  建立4 种不同洞口面积的模型,洞口系列模型均称之为WAF 系列模型,分别为WAF -600、WAF - 1800、WAF - 3000、WAF - 4200 ( 见图1) . 模型AF 为未开洞实体填充墙钢框架.
  
  
  图一:WAF系列模型
  2.2单调荷载作用下荷载-位移曲线
  表二为在单调荷载作用下WAF系列模型的极限位移和极限承载力数值。图三为WAF系列模型的极限位移和极限承载力的对比曲线。
   表二:WAF系列模型的极限承载力
  
  
  从表二可以看出,墙体洞口对结构的极限承载力和极限位移影响较大,洞口面积不同,结构的承载力和位移也大不相同。总体来说结构的极限承载力随着洞口面积的增大而降低,极限位移随着洞口面积的增大而升高。这是因为墙体在整个结构中作为主要的抗侧力构件,开洞率越大,墙体的削弱就越大,那么墙体能承受的强度和提供的抗侧向能力随之降低,因此结构的极限位移和极限承载力变化明显。开洞率为6%的WAF-600模型的极限承载力为729.6kN,变化程度不大,约为AF模型极限承载力的91%,其中洞洞率为18%时。模型WAF-1800的承载力变化较为明显,降为AF试件的69.1%,开洞率为30%的WAF-3000模型承载力降为AF模型的56.7%,而开洞率为42%的WAF-4200模型承载力降为AF模型的59%,承载能力降低现象较为严重。
  WAF-600框架在单调位移加载的情况下,结构的位移达到15.9mm时,ALC墙板JT始出现裂缝。此时在钢框架的约束作用下,墙板继续工作,在整个结构中提供抗侧向力,使承载力在墙体出现裂缝之后依然随着位移荷载的逐步增加而逐级增大;当位移达到86.3mm时,结构发生破坏。随着WAF系列模型洞口面积的加大,墙板产生裂缝的时间逐渐延后,屈服时,屈服位移的数值逐渐增大,极限位移也随之增加,WAF-1800框架的极限位移是AF框架极限位移的1.32倍。其中WAF-4200的极限位移最大,为226mm,是AF框架极限位移的3倍。
  
   图三:荷载——位移曲线
  随着WAF系列模型洞口面积的加大,极限位移随之增加,延性系数随之增大,可以说明延性性能随着洞口面积的加大提高。这是因为墙板可以提供侧向力的支持,使试件的整体刚度得到大幅的增加,墙体削弱的越严重,墙体和框架之间的相互作用削弱的就越严重,墙板提供的抗侧向作用也越小,其中WAF-600、WAF-1800和AF框架的延性系数相差不大,而WAF-3000、WAF-4200模型的延性显著提高,WAF-4200模型的延性系数最大。
  结语:
  随着基础设施建设和房屋住宅建筑的大量建设,轻型钢框架结构被越来越多的运用到各种各样的建筑中。一般都是填充墙和钢框架结构联合使用,但是我国对钢框架结构的性能和结构研究还处于刚刚起步阶段,为了房屋建筑的使用安全考虑,设计单位越来越注意这种结构的抗震性能,本文作者结合自身实际施工经验,针对填充墙对轻型钢框架结构抗震性能的影响这个课题进行了仔细的分析和研究。尤其是填充墙对钢框架结构承载力、刚度、变形能力的影响,本文进行了详细的介绍和分析,随着填充墙和钢框架结构的使用越来越频繁,关于填充墙对轻型钢框架结构抗震性能的研究也必将会更加深入。
  
  【参考文献】
  [1]李国华,郁银泉,顾强.钢框架内填混凝土墙结构体系有限元分析[J]. 四川建筑科学研究, 2007, 33( s) : 17 - 20.
  [2 ]胡庆添.钢结构在住宅中应用的探讨[J]. 广东科技, 2006( 9) : 149 - 150.

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