皮山地震中框架結(jié)構(gòu)填充墻的震害分析
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賀瑩， 徐勤
（合肥工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，合肥230009）
[摘要] 皮山地震發(fā)生后，框架結(jié)構(gòu)的填充墻開裂嚴(yán)重，震害明顯。分析了震害的特點(diǎn)和原因，對(duì)比計(jì)算不同砌體材料、砂漿等級(jí)和有無構(gòu)造柱的填充墻的抗震受剪承載力，以嵌砌于一榀框架內(nèi)的填充墻為例，計(jì)算分析表明此次皮山地震作用下框架層間位移在填充墻面內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力超過了墻體自身的抗震受剪承載力，基于此并結(jié)合皮山地震的實(shí)際震害，提出對(duì)帶填充墻框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建議，為今后框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。
[關(guān)鍵詞] 框架結(jié)構(gòu)；填充墻；震害；裂縫；砌體抗震受剪承載力
O 引言
2015年7月3日新疆皮山縣發(fā)生6.5級(jí)地震，震源深度10km，震中距皮山縣城（固瑪鎮(zhèn)）7km。經(jīng)中國(guó)地震局確定，皮山縣城此次地震的烈度分布為8度（圖1）。我院在皮山縣城共完成了22個(gè)援疆項(xiàng)目單體，多數(shù)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，取抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0. lOg，Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。在此次地震中這些框架結(jié)構(gòu)主體安全，梁板柱未見裂縫，樓梯構(gòu)件完好；但采用蒸壓加氣混凝土砌塊砌筑的自承重填充墻開裂嚴(yán)重，造成大量的修復(fù)工作量。
1 填充墻震害概述
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，框架填充墻的震害裂縫（圖2）主要表現(xiàn)為以下幾種形式：
(1)斜裂縫或交叉斜向裂縫(圖2(a)~(c))：多出現(xiàn)在端開間的縱橫墻、底部樓層走道兩側(cè)的填充墻處，多數(shù)斜裂縫沿砌塊砌筑的灰縫呈階梯形，局部墻體出現(xiàn)平面外閃出。
填充墻周邊．框架界面裂縫(圖2(d))：在梁底與墻頂出現(xiàn)水平裂縫，或者在柱邊與墻交界面出現(xiàn)豎向裂縫，此種裂縫數(shù)量最多，底部幾層均較嚴(yán)重。
(2)墻體中部裂縫(圖2(e))：走道內(nèi)縱墻帶形高窗下墻體中部的水平裂縫。
(3)門窗洞口角部斜裂縫(圖2(f))：自門窗洞口角部斜向延伸，裂縫寬度由邊角部位最大逐漸延伸減小。
(4)墻面不規(guī)則裂縫(圖2(g))：因留設(shè)施工洞、配電箱、電線管等削弱墻體形成的不規(guī)則裂縫。
從整體來看，填充墻斜裂縫多出現(xiàn)在框架結(jié)構(gòu)的底部幾層及端開間的縱橫墻處，墻頂與框架梁界面的水平裂縫較為普遍，均呈現(xiàn)向上逐層減輕的趨勢(shì)，廚衛(wèi)間及水電管井的120mm厚填充墻破壞較嚴(yán)重、裂縫開展較寬(圖2(h))，無洞口的整片填充墻體多出現(xiàn)X形交叉裂縫或斜裂縫。還有墻紙開裂(圖2(i))和變形縫處裝飾材料脫落(圖2(j))等。
2 框架填充墻的震害特點(diǎn)及原因分析
皮山縣城的基本設(shè)防烈度7度，在本次地震中處于8度區(qū)，地震強(qiáng)度接近大震水平。嵌砌于框架梁柱之間的填充墻作為抗震第一道防線，承擔(dān)了大部分的地震剪力，成為主要的耗能構(gòu)件，故開裂較為普遍，同時(shí)也保護(hù)了框架主體結(jié)構(gòu)的安全。因此導(dǎo)致剛性連接的填充墻的受力或變形也較大，使填充墻底部破壞較上部嚴(yán)重，填充墻的裂縫呈現(xiàn)下部嚴(yán)重、上部較輕的形態(tài)。
框架結(jié)構(gòu)填充墻的有限元分析表明，在面內(nèi)單調(diào)加載下填充墻的裂縫開展過程為：受拉側(cè)出現(xiàn)豎向墻體，框架柱界面裂縫一墻體受拉側(cè)、對(duì)角線以及墻體一框架梁界面的砂漿大面積開裂一砌塊開裂，形成墻體斜向裂縫→墻體斜向裂縫不斷發(fā)展。此次皮山地震的填充墻開裂形態(tài)與以上研究結(jié)果吻合。在反復(fù)水平地震作用下，填充墻一框架界面裂縫出現(xiàn)的情況最為普遍，斜裂縫或交叉斜向裂縫主要出現(xiàn)在端開間的縱橫墻、底部樓層填充墻等承受水平地震剪力較大的部位。
因受皮山當(dāng)?shù)貤l件限制，填充墻多采用蒸壓加氣混凝土砌塊、普通水泥砂漿砌筑，未采用規(guī)范及設(shè)計(jì)要求的專用砂漿，且砂漿用砂為當(dāng)?shù)胤奂?xì)砂，含泥量較高，黏結(jié)度不足，造成砂漿強(qiáng)度小于砌塊強(qiáng)度，故砂漿先開裂，使得多數(shù)斜裂縫呈現(xiàn)出沿砌塊砌筑的灰縫開展而形成的階梯形。另外墻面采用水泥砂漿抹面，部分粉刷層過厚，且無專用界面劑進(jìn)行基底處理，不符合《蒸壓加氣混凝土建筑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》( JGJ/T 17-2008)的要求，粉刷層開裂也從觀感上放大了墻體的裂縫。
3 填充墻的抗震受剪承載力驗(yàn)算
此次皮山地震中框架結(jié)構(gòu)填充墻遭到不同程度的破壞，這種現(xiàn)象應(yīng)該引起設(shè)計(jì)人員的高度重視�，F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)和《非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 339-2015)H1對(duì)屬非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的框架填充墻的地震作用的計(jì)算有詳細(xì)規(guī)定，本文根據(jù)這兩本規(guī)范，以嵌砌于一榀框架內(nèi)的200mm厚填充墻為例（圖3），計(jì)算此次皮山地震的作用效應(yīng)，并驗(yàn)算其抗震受剪承載力。
此次皮山地震烈度為8度，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)對(duì)應(yīng)的多遇地震的影響系數(shù)最大值為0. 16，假設(shè)此墻為中部樓層外圍護(hù)墻，功能級(jí)別為一級(jí)，功能系數(shù)、類別系數(shù)、狀態(tài)系數(shù)及位置系數(shù)分別為1.4，1.0，1.0和1.5，磚砌體為A3.5蒸壓加氣混凝土空心砌塊（容重為8kN/m3），采用M5水泥砂漿。
根據(jù)《非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( JGJ 339-2015)第3.2條，采用等效側(cè)力法，作用于重心處的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值為：
可見，該填充墻自身重力產(chǎn)生的地震作用效應(yīng)未超過其抗震受剪承載力。
本文分別計(jì)算了不同砌體材料、砂漿等級(jí)和有無構(gòu)造柱的填充墻的抗震受剪承載力，具體見表1。
由表1可見，填充墻抗震受剪承載力與砌體材料及砂漿強(qiáng)度有關(guān)，砂漿強(qiáng)度等級(jí)越高，抗震受剪承載力越高，而中部設(shè)置構(gòu)造柱則能有效地提高填充墻的抗震受剪承載力，與砂漿強(qiáng)度提高一級(jí)的效果相當(dāng)。
4 填充墻的變形能力
填充墻在地震作用下，除抗震受剪承載力應(yīng)滿足要求，其變形也不應(yīng)超過自身的變形能力，且應(yīng)符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的層間位移的要求。本文以第3節(jié)的填充墻為例，計(jì)算因框架結(jié)構(gòu)層間相對(duì)位移，在填充墻平面內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力。
首先計(jì)算填充墻的剛度，無洞口框架內(nèi)嵌砌磚墻的彈性側(cè)移剛度為：
填充墻在地震作用下一般將進(jìn)入非彈性變形階段，出現(xiàn)裂縫后，剛度迅速降低，參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)第7.2.5條，對(duì)填充墻的彈性側(cè)移剛度進(jìn)行折減0.2，根據(jù)《非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( JGJ 339-2015)第3.2.4條，計(jì)算因框架結(jié)構(gòu)層間相對(duì)位移在填充墻平面內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力：
對(duì)比表1可見，僅有Ml0.0砂漿砌筑的且中部設(shè)構(gòu)造柱的頁(yè)巖空心磚墻體的抗震受剪承載力能滿足要求。
以援疆項(xiàng)目中的一棟教學(xué)樓為例，墻體采用A3.5蒸壓加氣混凝土空心砌塊、M5水泥砂漿砌筑，按此次皮山地震實(shí)際烈度計(jì)算的底層層間位移角為1/5 92，因此在填充墻面內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力為：
可見，框架變形在填充墻內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力遠(yuǎn)超過了其抗震受剪承載力( 80kN)。
因此顯而易見，填充墻在地震中的裂縫多是因其變形而產(chǎn)生，裂縫開展形態(tài)的底層大、上部樓層小的整體趨勢(shì)也恰恰符合框架結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的剪切變形的特點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)中如何提高填充墻的變形能力尤為重要。
而有限元模擬分析表明：設(shè)置水平拉結(jié)筋、構(gòu)造柱和水平系梁均能減小地震作用下填充墻的裂縫寬度，提高其變形能力。其中，在小震和中震水平下，設(shè)拉結(jié)筋的效果最明顯，達(dá)到大震水平后，同時(shí)設(shè)置構(gòu)造柱和水平系梁的效果越來越明顯，且水平拉結(jié)筋能夠有效防止墻體的倒塌。
填充墻的變形能力與砌體材料也有關(guān)系，由表1可知，同樣條件下的頁(yè)巖空心磚的抗震受剪承載力比蒸壓加氣混凝土砌塊大得多，而現(xiàn)場(chǎng)震害情況也證明了這一點(diǎn)，由MU5.0頁(yè)巖空心磚和M5水泥砂漿砌筑的填充墻體的破壞輕得多，裂縫數(shù)量較少且裂縫寬度小。
5 皮山地震對(duì)帶填充墻框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)啟示與思考
(1)砌體填充墻與框架的連接，影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和抗震能力，建議填充墻優(yōu)先采用輕質(zhì)隔墻，兩者之間首選柔性連接或彼此脫開。填充墻和周邊框架設(shè)縫，隔離兩者的相互作用，變形間隙用柔性防水材料填充，間隙大小由中震時(shí)層間位移量確定。此時(shí)，可只考慮填充墻的重量而不計(jì)入其剛度和強(qiáng)度的影響。
(2)考慮到我國(guó)目前對(duì)柔性連接填充墻的研究和使用現(xiàn)狀，嵌砌填充墻仍是目前框架結(jié)構(gòu)填充墻的通用做法。將填充墻作為抗震設(shè)防的第一道防線有其可取的一面，但應(yīng)注意限制其破壞程度和可維修度，加強(qiáng)墻體中的抗震構(gòu)造措施，加強(qiáng)墻體平面外與框架的連接措施，應(yīng)盡量采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料，砌體強(qiáng)度等級(jí)：砌塊、空心磚不宜低于MU5.0，砂漿不應(yīng)低于M5( Mb5，Ms5)。
(3)對(duì)于帶形高窗下墻體，頂部沒有約束成為自由端，地震時(shí)易發(fā)生開裂甚至失穩(wěn)外閃，在設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)其抗震構(gòu)造措施，減小構(gòu)造柱的布置間距，適當(dāng)增強(qiáng)窗下壓頂梁的剛度，較高的墻體中部按規(guī)范要求增設(shè)水平系梁，避免失穩(wěn)后折斷。
(4)墻體中水電線管等應(yīng)分散設(shè)置，避免水平和斜向敷設(shè)對(duì)墻體的削弱。因集中敷設(shè)水電管線、留設(shè)施工洞、預(yù)留配電箱、消防器材箱等對(duì)填充墻體削弱過多時(shí)，應(yīng)采取補(bǔ)強(qiáng)措施，如加密水平拉結(jié)筋、拉結(jié)筋通長(zhǎng)設(shè)置、采用鋼筋面層補(bǔ)強(qiáng)墻體等。
(5)廚房、衛(wèi)生間、管道井等周邊墻體設(shè)計(jì)中一般采用100mm或120mm厚，地震中這些墻體變形大，破壞一般較嚴(yán)重，設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施，如采取增設(shè)構(gòu)造柱和水平系梁、水平拉結(jié)筋通長(zhǎng)設(shè)置等。
(6)皮山地震中填充墻體的開裂導(dǎo)致裝飾面層如墻紙、面磚等大量開裂、脫落，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失且難以修復(fù)，故采用高檔裝飾時(shí)不宜采用剛性連接的填充墻。
(7)在地震作用下框架結(jié)構(gòu)的變形較大，造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和附屬設(shè)施的變形較大，甚至無法修復(fù)，因此高層建筑不宜采用鋼筋混凝土全框架結(jié)構(gòu)，宜采用框架一剪力墻、框架一支撐結(jié)構(gòu)。
6 結(jié)論
(1)本文根據(jù)皮山地震填充墻的震害調(diào)查，分析了框架填充墻震害的特點(diǎn)及原因，剛接填充墻作為抗震第一道防線，承擔(dān)了大部分的地震剪力，成為主要的耗能構(gòu)件，開裂較為普遍。
(2)驗(yàn)算了填充墻的抗震承載力，計(jì)算對(duì)比表明砂漿強(qiáng)度等級(jí)越高墻體自身的抗震承載力越高，不改變砌體材料及砂漿強(qiáng)度的條件下，中部設(shè)置構(gòu)造柱能有效地提高墻體的抗震承載力。
(3)計(jì)算了框架層間位移在填充墻面內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力，其超過了墻體自身的受剪承載力。填充墻在地震中的裂縫多是因其變形產(chǎn)生，提高砌筑砂漿的強(qiáng)度等級(jí)、設(shè)置水平拉結(jié)筋、構(gòu)造柱和水平系梁等均能提高填充墻的抗裂變形能力。
(4)蒸壓加氣混凝土砌塊在地震區(qū)用作剛接填充墻時(shí)應(yīng)慎重，砌塊強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于A5.0，砂漿強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于Mb5.0，且應(yīng)嚴(yán)格按照《蒸壓加氣混凝土建筑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》( JGJ/T 17-2008)的要求，采用專用砂漿和界面劑，并加強(qiáng)構(gòu)造柱、水平系梁等構(gòu)造措施，以提高墻體的變形能力。
