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摘要：根据汶川地震震害现场调查记录及欧洲抗震规范的相关抗震条文，探讨了造成钢筋混凝土框架结构震害的原因，对框架结构的震害进行了分析，特别详细介绍了地震中填充墙框架结构的各种表现，分析其破坏机理，在此基础上为该类建筑物的抗震设计提出建议。
关键词：欧洲规范；钢筋混凝土；框架结构；抗震性能
Abstract: according to wenchuan earthquake damage scene investigation records and European seismic code of seismic provisions related, discusses the cause of reinforced concrete frame structure, the causes of the earthquake damage to frame structure of the earthquake damage are analyzed, especially introduced the earthquake in the frame structure of the fill walls of performance, analyzed its failure mechanism, and in this foundation for the building of the seismic design are proposed.
Keywords: European standard; Reinforced concrete; Frame structure; Seismic performance
中图分类号：TU352.1-2文献标识码：A文章编号：
1引言
2008年5月12日14时28分，在四川省汶川县映秀镇附近发生8.0级的地震。此次地震倒塌较多的是砖混结构、底层框架上部砖混结构和钢筋混凝土框架结构的建筑，震害统计资料如表1所示[1]。
从各地震害看，经过抗震设计的房屋基本上经受住地震考验。在倒塌和严重破坏的结构中，钢筋混凝土框架结构一直被认为是抗震性能较好的一种，因此其破坏倒塌的原因受到格外关注。本文通过框架结构震害介绍，探讨其倒塌和破坏的原因及解决办法, 详细介绍了地震中填充墙框架结构的各种表现，分析其破坏机理，在此基础上为该类建筑物的抗震设计提出建议。
表1.建筑震害情况统计(按结构形式分类)
可以使用 加固后可以使用 停止使用 立刻拆除
砌体结构 42(21%） 74(37%） 33(16%） 52(26%）
砌体-框架结构 20(488%） 9(21%） 4(10%） 9(21%）
框架结构 66(54%） 40(32%） 8(7%） 9(7%）
框架-剪力墙结构 5(71%） 2(29%） 0(0%） 0(0%）
钢结构 4(57%） 3(43%） 0(0%） 0(0%）
2框架结构震害浅析
2.1框架结构薄弱层的破坏
（1）强梁弱柱造成。在倒塌的框架中有很多是框架柱的截面小，而梁的截面较大。另外，梁实配钢筋较多，钢筋直径也大；相比而言，柱实配钢筋要少得多，这就是在构件截面上造成的“强梁弱柱”。配筋设计中，跨度越大，梁配筋越多，而框架柱的配筋主要受地震控制，中低设防烈度的框架柱配筋多数是构造配筋或配筋较少。与欧洲规范EN1998第十一章中6.3.2条要求抗震柱的轴压比不大于0.65对比[2]，我国抗震规范规定的柱轴压比限值偏高[3] [4]，许多设计往往紧扣轴压比限值，导致框架柱截面偏小。再加上楼板一般与框架梁现浇，两者共同工作能力强，显著提高框架梁的抗弯刚度和抗弯承载力。
产生未实现强柱弱梁屈服机制的原因：a.填充墙等非结构构件影响；b.楼板对框架梁的承载力和刚度增大影响；c.框架梁跨度和荷载过大，使梁截面尺寸增大，梁端抗弯承载力增大；d.梁端超配筋和钢筋实际强度超强；e.柱轴压比限值规定偏高，柱截面尺寸偏小；f.柱最小配筋率和最小配箍率偏小；g.大震下结构受力状态与结构弹性受力状态存在差异；h.梁柱可靠度的差异。
（2）剛度突变造成。产生刚度突变的因素之一是填充墙。在框架结构设计中，填充墙和隔墙只作为荷载参与结构计算，并且以周期折减系数的设定调整结构的总体刚度。实际上不同材质填充墙或多或少具有一定的刚度和强度，布置密集时会产生较大的楼层刚度和强度，而未设置填充墙的楼层层刚度则相对变小，形成柔弱层。震区中很多这样的低层框架，由于底层为商铺或停车场，填充墙很少；而上部为旅馆或住宅，有较密集的填充墙，这样就形成了上刚下柔的结构，使底层成为柔弱层，导致底层发生层屈服机制。
2.2框架结构节点的破坏
柱剪切破坏，梁柱节点区破坏，大多属于配箍不足，箍筋拉结或弯钩等构造措施不足等原因造成，与欧洲规范EN1998对比[2]，我国规范规定的最小配箍率可能也需要提高[3] [4]。值得注意的是，在柱的强剪弱弯方面，即使柱端首先发生弯曲破坏而形成塑性铰，巨大的轴压容易使混凝土压溃而发生剥离脱落（本次地震竖向振动很大），从而严重削弱柱端的抗剪能力，而柱端出现塑性铰并不会减小其所受到的地震剪力，因而容易引起剪切破坏。因此，需考虑压弯破坏对柱端抗剪承载力降低的影响充分保证“强剪弱弯”。
2.3框架结构底层柱顶的破坏
框架底层柱顶破坏与薄弱层破坏有类似原因，最大不同在于柱根。当底层柱基础及地梁有一定埋深、地面有回填土和建筑面层时，柱根部就不易发生弯曲破坏，框架柱只出现底层柱顶端破坏。但由于填充墙有一定的刚度和强度，地震时对柱顶端产生偏心支撑的作用，可能引起框架柱或节点的剪切破坏。按照规范要求，填充墙与框架应采用柔性连接，但由于设计困难，施工难处理，多数工程没有这样做。
2.4框架结构的楼梯破坏
框架结构在楼梯设计时只考虑静荷载和活荷载的作用，目前使用较多的板式楼梯通常只在梯板下配置受弯钢筋。但是，楼梯在地震中会起一定的支撑作用，承受地震产生的拉力和压力，当地震较大、楼梯板配筋不足时，就会出现受拉屈服或拉断，受压时出现压弯破坏。楼梯梁也会因楼梯的支撑作用而承担更多的地震作用，产生相应的破坏。
3填充墙框架结构抗震性能
3.1汶川地震中填充墙框架结构的破坏情况
目前设计采用的结构分析方法对于填充墙所作的贡献通常用刚度增大系数体现,与地震发生时结构所表现出的抗震性能有一定差异。地震作用下,填充墙与框架共同工作,一方面墙体受到框架的约束,另一方面框架受到填充墙所提供的支撑作用。由于填充墙早期的刚度大,吸收了较大的地震作用,而其强度相对较低,所以填充墙的震害重于框架梁柱。填充墙的震害大部分是墙面产生单斜裂缝或者是交叉裂缝;在填充墙和框架梁界面上出现水平裂缝的情况也较为普遍；当填充墙与框架梁柱缺少连接或连接很弱时,填充墙可能发生平面外倒塌。由于框架变形属于剪切型,下部的层间位移大,填充墙的震害规律一般是上轻下重,空心砌体墙重于实心砌体墙[5]。
（1）填充墙沿竖向布置不均形成软弱层。底层作商业用途或停车场、上部作为住宅的框架结构建筑物的底层遭受了不同程度的破坏。在这些框架结构中广泛的采用页岩空心砖和加气混凝土砌块作为填充墙,上部因用于住宅而使用了较多的填充墙来分隔空间,底层为了追求商业空间和停车空间,填充墙或其他抗侧力构件布置很少。底层几乎无填充墙,底层抗侧刚度很低。汶川地震使该栋建筑在纵向方向发生了30 cm左右的水平侧移,侧移主要集中在底层,其他层基本完好,底层形成软弱层。
（2）填充墙和框架结构的相互作用所造成的柱破坏。造成框架柱破坏的原因有很多,如地震作用下表现出来的弱柱强梁,由于建筑功能要求而在结构布置时形成的短柱,由于窗下填充墙形成的短柱等。由于短柱的刚度大于框架结构中的其他非短柱,地震作用下短柱会吸收更多的地震作用,而相比于同层其他非短柱,短柱的耗能能力相对较低,因此在地震作用下先发生破坏。加之短柱的破坏具有明显的脆性性质,短柱破坏有明显的压、弯、剪破坏特征。框架在水平地震作用下发生侧向变形时,填充墙将对一侧框架柱产生斜向的压力,即类似于斜压杆的作用,因而会加大斜裂缝和梁底之间一段柱所承受的地震剪力,从而导致剪切破坏形态。而且填充墙也会将一部分剪力传递给柱。这样就增加了柱破坏的可能性[6] [7]。
（3）填充墙和框架结构的相互作用所造成的梁的破坏。框架梁的破坏主要是由于填充墙对框架梁底部产生向上的压力从而使框架梁发生弯剪破壞。
3.2填充墙对框架结构抗震性能的影响
(1)与框架梁共同受力，显著减小框架梁弯曲变形，增大框架梁的刚度和抗弯承载力。
(2)直接参与整体结构的抗震受力，增加结构层刚度，造成结构层刚度不均匀，使未设置填充墙的楼层形成薄弱层（通常是底层），导致形成层屈服机制，无法实现“强柱弱梁”屈服机制；或造成平面刚度分布不规则，引起扭转效应。
(3)结构总体刚度增大，基本周期减小约40％至60％，地震力增大。
(4)影响框架结构的内力分布，如约束框架柱部分柱段的侧移变形，形成短柱，使得局部抗侧刚度过大，地震剪力增大，进而导致短柱剪切破坏，影响整体结构的破坏模式。
3.3填充墙框架结构破坏过程分析
采用离散单元建立单片墙模型，运用ANSYS有限元软件进行非线性有限元分析，根据文献[8]所选取的单元和材料参数，采用标准尺寸为240 115 53mm的实心粘土砖，材料参数如表2所示，以一顺一丁砌式建立1250 240 882mm的单片墙，离散单元采用单元类型是ANSYS中的SOLID65模拟砖块和砂浆，以MKIN-CONCRETE准则作为砌体的破坏准则。
表2 砖块和砂浆的材料参数
弹性
模量
（Pa） 泊松比 密度
（kg/ ）
单轴抗压强度（Pa） 单轴抗拉强度（Pa）
砖块 11E+9 0.15 1837 10E+6 0.813E+6
砂浆 2.2E+9 0.15 1837 5 E+6 0.333E+6
对单片墙在竖向压力和水平力作用下的力学特性进行分析，模型四周加以约束以模拟框架作用，左侧增设水平加载钢板。加载时第一荷载步设定一次性将竖向荷载以均布荷载的形式加载在弹性梁顶部，再进行水平加载，水平荷载分为多个荷载步，每荷载步增加100kN，并以均布形式施加于水平加载钢板侧面，剪压破坏时，单片墙开裂图如图1所示。
图1 离散单元单片墙剪压破坏开裂图
图2是湖南大学进行混凝土小型空心砌块墙体剪压破坏时的有限元开裂图以及实际试验开裂图[9]，与图1相比，开裂缝走向相似，但图2的空心砌块压碎状况更严重，这是因为进行混凝土小型空心砌块墙体的极限承载力模拟计算时，由于设置了墙内钢筋，承载能力增强，钢筋屈服时空心砌块压碎程度明显比本文砖砌体大。
图2混凝土小型空心砌块墙体剪压破坏开裂图
根据有限元分析过程，得出填充墙的破坏过程如下：
(1)弹性阶段,填充墙和框架均处于弹性状态两者共同作用,填充墙与框架周边相接触的地方产生界面裂缝。
(2)随着侧力的加大,界面裂缝也不断扩展,填充墙和框架对角接触部分出现局部的破裂现象,墙面未出现贯穿的X型裂缝。此时,框架仍处于弹性工作状态,这时填充墙承担了大部分的侧向力。
(3)随着侧力继续加大,填充墙的中间部分出现微裂缝并发展成贯通的斜裂缝,框架柱也出现裂缝并开始扩大。此时,填充墙的抗侧能力达到极限值,整个结构呈弹塑性状态。
(4) 填充墙框架结构达到承载能力极限状态时,框架梁柱形成明显的塑性铰,整个结构表现出明显的塑性特点。
由填充墙和框架共同作用的原理可以看出,地震过程中,填充墙起到抵抗侧向力的作用主要发生在前两个阶段。多数地震(小震)下,填充墙分担了一部分抗侧力;在强震作用下,填充墙也可起到吸收地震能量的作用。但是遇到罕遇地震情况,填充墙即使与框架柱间设有可靠的连接也会出现破坏和倒塌。
3.4改善措施
(1)填充墙的布置应尽量考虑整体结构竖向刚度分布均匀,避免形成软弱层；
(2)尽量避免形成窗间墙短柱；
(3)建筑平面上填充墙的布置应使结构刚度分布均匀对称,尽量使质量中心和刚度中心重合,以免结构发生扭转；
(4)为了避免小震和中震下,填充墙倒塌,填充墙体和框架柱之间宜采取可靠的连接措施；
(5)对于不同材料的填充墙的刚度和强度贡献应有不同的考虑；
(6)当建筑物遭遇相当于本地区设防烈度或低于本地区设防烈度时,应避免填充墙发生破坏,尤其是对于公共建筑。
4框架结构震害的启示
(1)增加柱的抗震能力，真正实现“强柱弱梁”。规范实现“强柱弱梁”采取的办法是框架结构的抗震等级调整设计内力，再进行配筋。但是小震下的弹性设计内力与大震下的结构弹塑性内力的不一致，造成了即使按调整后的弹性内力进行配筋，柱的实际抗弯承载力也不一定比梁的大，也就无法实现“强柱弱梁”的要求。规范要求的按梁柱实配钢筋验算，其承载力只针对９度区的一级框架，因此大部分框架结构设计时实际未按这一条执行。汶川地震中一些７层以上的框架结构柱截面较大，配筋较多，震害较轻。这说明柱截面和配筋是钢筋混凝土框架抗倒塌的关键。
(2)重视填充墙产生的刚度突变。填充墙或隔墙在框架抗震设计时应得到充分重视。当填充墙或隔墙各层布置均匀时，可不考虑；如果各层布置不均匀，尤其是底层少填充墙或隔墙时，应考虑其设置对结构抗震的不利影响，避免设置不合理而导致主体结构的破坏。
(3)采用抗震新技术。采用抗震新技术是框架结构抗倒塌最有效的方法，尤其有助于框架结构抵御超烈度的地震影响。消能减震技术是在框架中安置消能器，通过消能器消耗地震作用结构的震动能量，达到结构抗倒塌的目的。
参考文献(Reference)：
[1]清华大学.北京交通大学土木工程结构专家组.汶川地震建筑震害分析[J].2008年
[2]EN1998：Eurocode 8-Design of structures for earthquake resistance[S]．2005
[3] GB50011—2010建筑抗震设计规范[S]．中国建筑工业出版社，2010
[4]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]．中国建筑工业出版社，2010
[5]黄靓,施楚贤,吕伟荣.对框架填充墙结构抗震设计的思考[J].建筑结构，2005
[6]苗凤.填充墙对钢筋混凝土框架结构动力性能的影响[D].湖南大学，2006
[7]王旋，薛永亮等.汶川地震中填充墙钢筋混凝土框架结构抗震性能思考[J].2008年
[8]王达诠．应用RVE均质化方法的砌体非线性分析[M]，重庆大学硕士学位论文，2002
[9]闫一江．混凝土小型空心砌块墙体数值模拟及刚度分析[M]．湖南大学硕士学位论文，2007
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：欧洲规范；钢筋混凝土；框架结构；抗震性能
Abstract: according to wenchuan earthquake damage scene investigation records and European seismic code of seismic provisions related, discusses the cause of reinforced concrete frame structure, the causes of the earthquake damage to frame structure of the earthquake damage are analyzed, especially introduced the earthquake in the frame structure of the fill walls of performance, analyzed its failure mechanism, and in this foundation for the building of the seismic design are proposed.
Keywords: European standard; Reinforced concrete; Frame structure; Seismic performance
中图分类号：TU352.1-2文献标识码：A文章编号：
1引言
2008年5月12日14时28分，在四川省汶川县映秀镇附近发生8.0级的地震。此次地震倒塌较多的是砖混结构、底层框架上部砖混结构和钢筋混凝土框架结构的建筑，震害统计资料如表1所示[1]。
从各地震害看，经过抗震设计的房屋基本上经受住地震考验。在倒塌和严重破坏的结构中，钢筋混凝土框架结构一直被认为是抗震性能较好的一种，因此其破坏倒塌的原因受到格外关注。本文通过框架结构震害介绍，探讨其倒塌和破坏的原因及解决办法, 详细介绍了地震中填充墙框架结构的各种表现，分析其破坏机理，在此基础上为该类建筑物的抗震设计提出建议。
表1.建筑震害情况统计(按结构形式分类)
可以使用 加固后可以使用 停止使用 立刻拆除
砌体结构 42(21%） 74(37%） 33(16%） 52(26%）
砌体-框架结构 20(488%） 9(21%） 4(10%） 9(21%）
框架结构 66(54%） 40(32%） 8(7%） 9(7%）
框架-剪力墙结构 5(71%） 2(29%） 0(0%） 0(0%）
钢结构 4(57%） 3(43%） 0(0%） 0(0%）
2框架结构震害浅析
2.1框架结构薄弱层的破坏
（1）强梁弱柱造成。在倒塌的框架中有很多是框架柱的截面小，而梁的截面较大。另外，梁实配钢筋较多，钢筋直径也大；相比而言，柱实配钢筋要少得多，这就是在构件截面上造成的“强梁弱柱”。配筋设计中，跨度越大，梁配筋越多，而框架柱的配筋主要受地震控制，中低设防烈度的框架柱配筋多数是构造配筋或配筋较少。与欧洲规范EN1998第十一章中6.3.2条要求抗震柱的轴压比不大于0.65对比[2]，我国抗震规范规定的柱轴压比限值偏高[3] [4]，许多设计往往紧扣轴压比限值，导致框架柱截面偏小。再加上楼板一般与框架梁现浇，两者共同工作能力强，显著提高框架梁的抗弯刚度和抗弯承载力。
产生未实现强柱弱梁屈服机制的原因：a.填充墙等非结构构件影响；b.楼板对框架梁的承载力和刚度增大影响；c.框架梁跨度和荷载过大，使梁截面尺寸增大，梁端抗弯承载力增大；d.梁端超配筋和钢筋实际强度超强；e.柱轴压比限值规定偏高，柱截面尺寸偏小；f.柱最小配筋率和最小配箍率偏小；g.大震下结构受力状态与结构弹性受力状态存在差异；h.梁柱可靠度的差异。
（2）剛度突变造成。产生刚度突变的因素之一是填充墙。在框架结构设计中，填充墙和隔墙只作为荷载参与结构计算，并且以周期折减系数的设定调整结构的总体刚度。实际上不同材质填充墙或多或少具有一定的刚度和强度，布置密集时会产生较大的楼层刚度和强度，而未设置填充墙的楼层层刚度则相对变小，形成柔弱层。震区中很多这样的低层框架，由于底层为商铺或停车场，填充墙很少；而上部为旅馆或住宅，有较密集的填充墙，这样就形成了上刚下柔的结构，使底层成为柔弱层，导致底层发生层屈服机制。
2.2框架结构节点的破坏
柱剪切破坏，梁柱节点区破坏，大多属于配箍不足，箍筋拉结或弯钩等构造措施不足等原因造成，与欧洲规范EN1998对比[2]，我国规范规定的最小配箍率可能也需要提高[3] [4]。值得注意的是，在柱的强剪弱弯方面，即使柱端首先发生弯曲破坏而形成塑性铰，巨大的轴压容易使混凝土压溃而发生剥离脱落（本次地震竖向振动很大），从而严重削弱柱端的抗剪能力，而柱端出现塑性铰并不会减小其所受到的地震剪力，因而容易引起剪切破坏。因此，需考虑压弯破坏对柱端抗剪承载力降低的影响充分保证“强剪弱弯”。
2.3框架结构底层柱顶的破坏
框架底层柱顶破坏与薄弱层破坏有类似原因，最大不同在于柱根。当底层柱基础及地梁有一定埋深、地面有回填土和建筑面层时，柱根部就不易发生弯曲破坏，框架柱只出现底层柱顶端破坏。但由于填充墙有一定的刚度和强度，地震时对柱顶端产生偏心支撑的作用，可能引起框架柱或节点的剪切破坏。按照规范要求，填充墙与框架应采用柔性连接，但由于设计困难，施工难处理，多数工程没有这样做。
2.4框架结构的楼梯破坏
框架结构在楼梯设计时只考虑静荷载和活荷载的作用，目前使用较多的板式楼梯通常只在梯板下配置受弯钢筋。但是，楼梯在地震中会起一定的支撑作用，承受地震产生的拉力和压力，当地震较大、楼梯板配筋不足时，就会出现受拉屈服或拉断，受压时出现压弯破坏。楼梯梁也会因楼梯的支撑作用而承担更多的地震作用，产生相应的破坏。
3填充墙框架结构抗震性能
3.1汶川地震中填充墙框架结构的破坏情况
目前设计采用的结构分析方法对于填充墙所作的贡献通常用刚度增大系数体现,与地震发生时结构所表现出的抗震性能有一定差异。地震作用下,填充墙与框架共同工作,一方面墙体受到框架的约束,另一方面框架受到填充墙所提供的支撑作用。由于填充墙早期的刚度大,吸收了较大的地震作用,而其强度相对较低,所以填充墙的震害重于框架梁柱。填充墙的震害大部分是墙面产生单斜裂缝或者是交叉裂缝;在填充墙和框架梁界面上出现水平裂缝的情况也较为普遍；当填充墙与框架梁柱缺少连接或连接很弱时,填充墙可能发生平面外倒塌。由于框架变形属于剪切型,下部的层间位移大,填充墙的震害规律一般是上轻下重,空心砌体墙重于实心砌体墙[5]。
（1）填充墙沿竖向布置不均形成软弱层。底层作商业用途或停车场、上部作为住宅的框架结构建筑物的底层遭受了不同程度的破坏。在这些框架结构中广泛的采用页岩空心砖和加气混凝土砌块作为填充墙,上部因用于住宅而使用了较多的填充墙来分隔空间,底层为了追求商业空间和停车空间,填充墙或其他抗侧力构件布置很少。底层几乎无填充墙,底层抗侧刚度很低。汶川地震使该栋建筑在纵向方向发生了30 cm左右的水平侧移,侧移主要集中在底层,其他层基本完好,底层形成软弱层。
（2）填充墙和框架结构的相互作用所造成的柱破坏。造成框架柱破坏的原因有很多,如地震作用下表现出来的弱柱强梁,由于建筑功能要求而在结构布置时形成的短柱,由于窗下填充墙形成的短柱等。由于短柱的刚度大于框架结构中的其他非短柱,地震作用下短柱会吸收更多的地震作用,而相比于同层其他非短柱,短柱的耗能能力相对较低,因此在地震作用下先发生破坏。加之短柱的破坏具有明显的脆性性质,短柱破坏有明显的压、弯、剪破坏特征。框架在水平地震作用下发生侧向变形时,填充墙将对一侧框架柱产生斜向的压力,即类似于斜压杆的作用,因而会加大斜裂缝和梁底之间一段柱所承受的地震剪力,从而导致剪切破坏形态。而且填充墙也会将一部分剪力传递给柱。这样就增加了柱破坏的可能性[6] [7]。
（3）填充墙和框架结构的相互作用所造成的梁的破坏。框架梁的破坏主要是由于填充墙对框架梁底部产生向上的压力从而使框架梁发生弯剪破壞。
3.2填充墙对框架结构抗震性能的影响
(1)与框架梁共同受力，显著减小框架梁弯曲变形，增大框架梁的刚度和抗弯承载力。
(2)直接参与整体结构的抗震受力，增加结构层刚度，造成结构层刚度不均匀，使未设置填充墙的楼层形成薄弱层（通常是底层），导致形成层屈服机制，无法实现“强柱弱梁”屈服机制；或造成平面刚度分布不规则，引起扭转效应。
(3)结构总体刚度增大，基本周期减小约40％至60％，地震力增大。
(4)影响框架结构的内力分布，如约束框架柱部分柱段的侧移变形，形成短柱，使得局部抗侧刚度过大，地震剪力增大，进而导致短柱剪切破坏，影响整体结构的破坏模式。
3.3填充墙框架结构破坏过程分析
采用离散单元建立单片墙模型，运用ANSYS有限元软件进行非线性有限元分析，根据文献[8]所选取的单元和材料参数，采用标准尺寸为240 115 53mm的实心粘土砖，材料参数如表2所示，以一顺一丁砌式建立1250 240 882mm的单片墙，离散单元采用单元类型是ANSYS中的SOLID65模拟砖块和砂浆，以MKIN-CONCRETE准则作为砌体的破坏准则。
表2 砖块和砂浆的材料参数
弹性
模量
（Pa） 泊松比 密度
（kg/ ）
单轴抗压强度（Pa） 单轴抗拉强度（Pa）
砖块 11E+9 0.15 1837 10E+6 0.813E+6
砂浆 2.2E+9 0.15 1837 5 E+6 0.333E+6
对单片墙在竖向压力和水平力作用下的力学特性进行分析，模型四周加以约束以模拟框架作用，左侧增设水平加载钢板。加载时第一荷载步设定一次性将竖向荷载以均布荷载的形式加载在弹性梁顶部，再进行水平加载，水平荷载分为多个荷载步，每荷载步增加100kN，并以均布形式施加于水平加载钢板侧面，剪压破坏时，单片墙开裂图如图1所示。
图1 离散单元单片墙剪压破坏开裂图
图2是湖南大学进行混凝土小型空心砌块墙体剪压破坏时的有限元开裂图以及实际试验开裂图[9]，与图1相比，开裂缝走向相似，但图2的空心砌块压碎状况更严重，这是因为进行混凝土小型空心砌块墙体的极限承载力模拟计算时，由于设置了墙内钢筋，承载能力增强，钢筋屈服时空心砌块压碎程度明显比本文砖砌体大。
图2混凝土小型空心砌块墙体剪压破坏开裂图
根据有限元分析过程，得出填充墙的破坏过程如下：
(1)弹性阶段,填充墙和框架均处于弹性状态两者共同作用,填充墙与框架周边相接触的地方产生界面裂缝。
(2)随着侧力的加大,界面裂缝也不断扩展,填充墙和框架对角接触部分出现局部的破裂现象,墙面未出现贯穿的X型裂缝。此时,框架仍处于弹性工作状态,这时填充墙承担了大部分的侧向力。
(3)随着侧力继续加大,填充墙的中间部分出现微裂缝并发展成贯通的斜裂缝,框架柱也出现裂缝并开始扩大。此时,填充墙的抗侧能力达到极限值,整个结构呈弹塑性状态。
(4) 填充墙框架结构达到承载能力极限状态时,框架梁柱形成明显的塑性铰,整个结构表现出明显的塑性特点。
由填充墙和框架共同作用的原理可以看出,地震过程中,填充墙起到抵抗侧向力的作用主要发生在前两个阶段。多数地震(小震)下,填充墙分担了一部分抗侧力;在强震作用下,填充墙也可起到吸收地震能量的作用。但是遇到罕遇地震情况,填充墙即使与框架柱间设有可靠的连接也会出现破坏和倒塌。
3.4改善措施
(1)填充墙的布置应尽量考虑整体结构竖向刚度分布均匀,避免形成软弱层；
(2)尽量避免形成窗间墙短柱；
(3)建筑平面上填充墙的布置应使结构刚度分布均匀对称,尽量使质量中心和刚度中心重合,以免结构发生扭转；
(4)为了避免小震和中震下,填充墙倒塌,填充墙体和框架柱之间宜采取可靠的连接措施；
(5)对于不同材料的填充墙的刚度和强度贡献应有不同的考虑；
(6)当建筑物遭遇相当于本地区设防烈度或低于本地区设防烈度时,应避免填充墙发生破坏,尤其是对于公共建筑。
4框架结构震害的启示
(1)增加柱的抗震能力，真正实现“强柱弱梁”。规范实现“强柱弱梁”采取的办法是框架结构的抗震等级调整设计内力，再进行配筋。但是小震下的弹性设计内力与大震下的结构弹塑性内力的不一致，造成了即使按调整后的弹性内力进行配筋，柱的实际抗弯承载力也不一定比梁的大，也就无法实现“强柱弱梁”的要求。规范要求的按梁柱实配钢筋验算，其承载力只针对９度区的一级框架，因此大部分框架结构设计时实际未按这一条执行。汶川地震中一些７层以上的框架结构柱截面较大，配筋较多，震害较轻。这说明柱截面和配筋是钢筋混凝土框架抗倒塌的关键。
(2)重视填充墙产生的刚度突变。填充墙或隔墙在框架抗震设计时应得到充分重视。当填充墙或隔墙各层布置均匀时，可不考虑；如果各层布置不均匀，尤其是底层少填充墙或隔墙时，应考虑其设置对结构抗震的不利影响，避免设置不合理而导致主体结构的破坏。
(3)采用抗震新技术。采用抗震新技术是框架结构抗倒塌最有效的方法，尤其有助于框架结构抵御超烈度的地震影响。消能减震技术是在框架中安置消能器，通过消能器消耗地震作用结构的震动能量，达到结构抗倒塌的目的。
参考文献(Reference)：
[1]清华大学.北京交通大学土木工程结构专家组.汶川地震建筑震害分析[J].2008年
[2]EN1998：Eurocode 8-Design of structures for earthquake resistance[S]．2005
[3] GB50011—2010建筑抗震设计规范[S]．中国建筑工业出版社，2010
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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。