含填充墙的框架结构抗震性能研究

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大量含填充墙的框架结构的震害表明,填充墙对框架结构的抗震性能有较大影响,在地震的作用下,填充墙和框架结构之间存在相互作用,对结构的抗震性能的影响也在于此。现行规范规定[1,2],可将填充墙作为荷载施加到框架主体结构中,并且对结构的自振周期进行折减来考虑填充墙的不利影响,这是考虑填充墙对框架结构抗震性能影响的简化计算,在一定程度上给设计人员带来很大便利,但随着各种先进算法的涌现,相对准确地考虑填充墙对框架结构抗震性能的影响越来越受到关注。因此,开展含填充墙的框架结构抗震性能研究,考虑填充墙对框架结构的实际影响以及进一步相对准确地确定结构的周期折减系数是很有必要的。本文首先对含填充墙的框架结构震害进行分析,分析其破坏机理,并总结了国内对该问题的研究方法和研究成果,然后从工程常用的结构周期折减系数入手研究含填充墙的框架结构的抗震性能。在含填充墙的框架结构模型振动台试验的基础上,以填充墙数量(填充率)、填充墙材料以及填充墙的布置方式等为参数构建不同的分析模型,分析总结了不同参数变化引起的自振周期及周期折减系数变化规律,并通过反应谱分析和时程分析,研究了有填充墙加入的框架结构的地震效应差异。主要得到的结论如下:(1)对于含填充墙的框架结构,填充墙对结构自振周期的影响很大,填充墙的存在,使结构自振周期缩短,随着填充墙填充率的增大,结构周期折减系数呈逐渐减小的趋势。(2)对于含填充墙的框架结构,在填充墙填充率相同的情况下,改变同一楼层的填充墙布置方式,不同于平面偏置布置,每层平面均匀随机布置对结构的周期折减系数影响较小,这种影响随着填充率的增大越来越小,近似为无影响。(3)对于含填充墙的框架结构,在结构整体填充率一致的前提下,填充墙竖向不连续布置时,整体结构周期折减系数计算值偏大,但用该周期折减系数无法考虑薄弱层的破坏,故在工程实际中,对于填充墙竖向不连续布置的结构,建议考虑将填充墙建入整个结构中共同分析计算来考虑实际影响;结构整体填充率一致的前提下,填充墙平面偏置布置会导致周期折减系数偏小,在工程实际中,可考虑其周期折减系数比规范建议的适当偏小选取。(4)对于含填充墙的框架结构,填充墙体的材料类型不同时,弹模亦不同,周期折减系数受这一变量影响较大,如果弹模较小则对周期的影响小,折减系数大;当弹模较大时,折减系数反之。当各填充墙材料结构随填充墙填充率从100%~15%变化时,对应其周期折减系数的变化范围为0.40~0.85,相比规范中的建议取值范围0.6~0.7略宽。因此在工程实际中,可针对实际情况适当放宽结构的周期折减范围或者将填充墙建入整个结构中共同分析。(5)在进行反应谱分析和不同地震波下的时程分析时,对于有填充墙加入的结构,结构的最大水平位移和层间位移角等参数要明显小于不含填充墙的结构,且会随着结构填充墙填充率的增加越来越小;含填充墙的结构的基底剪力比无填充墙的结构大,且填充墙填充率越大,其结构整体刚度越大,结构的基底剪力越大。(6)在时程分析罕遇地震作用下,对于同一填充墙填充率,填充墙竖向不连续布置结构的顶点位移比填充墙竖向连续均匀布置结构的偏大,且前者易在未布置填充墙的楼层形成薄弱层,层间位移发生突变,对结构的整体抗震性能非常不利,结构容易在薄弱层发生破坏。故在实际工程中,对于含填充墙的框架结构,要避免填充墙竖向不连续布置的情况。(7)综合以上结论,在对含填充墙的框架结构进行抗震分析设计时,应尽量避免填充墙竖向不连续或者平面偏置布置,当填充墙填充率从100%~15%变化时,建议结构周期折减系数的取值范围为0.40~0.85,当条件允许时,可将填充墙建入整个结构中共同分析来考虑填充区与框架结构之间的相互作用,还应采用时程分析法进行补充计算。
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