皮山地震中框架结构填充墙的震害分析

 贺莹，  徐勤

  （合肥工业大学建筑设计研究院，合肥230009）

[摘要]  皮山地震发生后，框架结构的填充墙开裂严重，震害明显。分析了震害的特点和原因，对比计算不同砌体材料、砂浆等级和有无构造柱的填充墙的抗震受剪承载力，以嵌砌于一榀框架内的填充墙为例，计算分析表明此次皮山地震作用下框架层间位移在填充墙面内产生的内力超过了墙体自身的抗震受剪承载力，基于此并结合皮山地震的实际震害，提出对带填充墙框架结构的设计建议，为今后框架结构设计提供参考。

[关键词]  框架结构；填充墙；震害；裂缝；砌体抗震受剪承载力

O  引言

2015年7月3日新疆皮山县发生6.5级地震，震源深度10km，震中距皮山县城（固玛镇）7km。经中国地震局确定，皮山县城此次地震的烈度分布为8度（图1）。我院在皮山县城共完成了22个援疆项目单体，多数为钢筋混凝土框架结构，取抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0. lOg，Ⅱ类场地，设计地震分组为第三组。在此次地震中这些框架结构主体安全，梁板柱未见裂缝，楼梯构件完好；但采用蒸压加气混凝土砌块砌筑的自承重填充墙开裂严重，造成大量的修复工作量。

1  填充墙震害概述

 根据现场勘察，框架填充墙的震害裂缝（图2）主要表现为以下几种形式：

 (1)斜裂缝或交叉斜向裂缝(图2(a)~(c))：多出现在端开间的纵横墙、底部楼层走道两侧的填充墙处，多数斜裂缝沿砌块砌筑的灰缝呈阶梯形，局部墙体出现平面外闪出。

 填充墙周边．框架界面裂缝(图2(d))：在梁底与墙顶出现水平裂缝，或者在柱边与墙交界面出现竖向裂缝，此种裂缝数量最多，底部几层均较严重。

 (2)墙体中部裂缝(图2(e))：走道内纵墙带形高窗下墙体中部的水平裂缝。

 (3)门窗洞口角部斜裂缝(图2(f))：自门窗洞口角部斜向延伸，裂缝宽度由边角部位最大逐渐延伸减小。

(4)墙面不规则裂缝(图2(g))：因留设施工洞、配电箱、电线管等削弱墙体形成的不规则裂缝。

 从整体来看，填充墙斜裂缝多出现在框架结构的底部几层及端开间的纵横墙处，墙顶与框架梁界面的水平裂缝较为普遍，均呈现向上逐层减轻的趋势，厨卫间及水电管井的120mm厚填充墙破坏较严重、裂缝开展较宽(图2(h))，无洞口的整片填充墙体多出现X形交叉裂缝或斜裂缝。还有墙纸开裂(图2(i))和变形缝处装饰材料脱落(图2(j))等。

2  框架填充墙的震害特点及原因分析

 皮山县城的基本设防烈度7度，在本次地震中处于8度区，地震强度接近大震水平。嵌砌于框架梁柱之间的填充墙作为抗震第一道防线，承担了大部分的地震剪力，成为主要的耗能构件，故开裂较为普遍，同时也保护了框架主体结构的安全。因此导致刚性连接的填充墙的受力或变形也较大，使填充墙底部破坏较上部严重，填充墙的裂缝呈现下部严重、上部较轻的形态。

 框架结构填充墙的有限元分析表明，在面内单调加载下填充墙的裂缝开展过程为：受拉侧出现竖向墙体，框架柱界面裂缝一墙体受拉侧、对角线以及墙体一框架梁界面的砂浆大面积开裂一砌块开裂，形成墙体斜向裂缝→墙体斜向裂缝不断发展。此次皮山地震的填充墙开裂形态与以上研究结果吻合。在反复水平地震作用下，填充墙一框架界面裂缝出现的情况最为普遍，斜裂缝或交叉斜向裂缝主要出现在端开间的纵横墙、底部楼层填充墙等承受水平地震剪力较大的部位。

 因受皮山当地条件限制，填充墙多采用蒸压加气混凝土砌块、普通水泥砂浆砌筑，未采用规范及设计要求的专用砂浆，且砂浆用砂为当地粉细砂，含泥量较高，黏结度不足，造成砂浆强度小于砌块强度，故砂浆先开裂，使得多数斜裂缝呈现出沿砌块砌筑的灰缝开展而形成的阶梯形。另外墙面采用水泥砂浆抹面，部分粉刷层过厚，且无专用界面剂进行基底处理，不符合《蒸压加气混凝土建筑应用技术规程》( JGJ/T 17-2008)的要求，粉刷层开裂也从观感上放大了墙体的裂缝。

3  填充墙的抗震受剪承载力验算

此次皮山地震中框架结构填充墙遭到不同程度的破坏，这种现象应该引起设计人员的高度重视。现行国家标准《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)和《非结构构件抗震设计规范》(JGJ 339-2015)H1对属非结构构件的框架填充墙的地震作用的计算有详细规定，本文根据这两本规范，以嵌砌于一榀框架内的200mm厚填充墙为例（图3），计算此次皮山地震的作用效应，并验算其抗震受剪承载力。

 此次皮山地震烈度为8度，《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)对应的多遇地震的影响系数最大值为0. 16，假设此墙为中部楼层外围护墙，功能级别为一级，功能系数、类别系数、状态系数及位置系数分别为1.4，1.0，1.0和1.5，砖砌体为A3.5蒸压加气混凝土空心砌块（容重为8kN/m3），采用M5水泥砂浆。

根据《非结构构件抗震设计规范》( JGJ 339-2015)第3.2条，采用等效侧力法，作用于重心处的水平地震作用标准值为：

 可见，该填充墙自身重力产生的地震作用效应未超过其抗震受剪承载力。

本文分别计算了不同砌体材料、砂浆等级和有无构造柱的填充墙的抗震受剪承载力，具体见表1。

 由表1可见，填充墙抗震受剪承载力与砌体材料及砂浆强度有关，砂浆强度等级越高，抗震受剪承载力越高，而中部设置构造柱则能有效地提高填充墙的抗震受剪承载力，与砂浆强度提高一级的效果相当。

4  填充墙的变形能力

 填充墙在地震作用下，除抗震受剪承载力应满足要求，其变形也不应超过自身的变形能力，且应符合《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)对主体结构的层间位移的要求。本文以第3节的填充墙为例，计算因框架结构层间相对位移，在填充墙平面内产生的内力。

首先计算填充墙的刚度，无洞口框架内嵌砌砖墙的弹性侧移刚度为：

填充墙在地震作用下一般将进入非弹性变形阶段，出现裂缝后，刚度迅速降低，参考《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)第7.2.5条，对填充墙的弹性侧移刚度进行折减0.2，根据《非结构构件抗震设计规范》( JGJ 339-2015)第3.2.4条，计算因框架结构层间相对位移在填充墙平面内产生的内力：

 对比表1可见，仅有Ml0.0砂浆砌筑的且中部设构造柱的页岩空心砖墙体的抗震受剪承载力能满足要求。

以援疆项目中的一栋教学楼为例，墙体采用A3.5蒸压加气混凝土空心砌块、M5水泥砂浆砌筑，按此次皮山地震实际烈度计算的底层层间位移角为1/5 92，因此在填充墙面内产生的内力为：

 可见，框架变形在填充墙内产生的内力远超过了其抗震受剪承载力( 80kN)。

 因此显而易见，填充墙在地震中的裂缝多是因其变形而产生，裂缝开展形态的底层大、上部楼层小的整体趋势也恰恰符合框架结构在水平地震作用下的剪切变形的特点。因此，在设计中如何提高填充墙的变形能力尤为重要。

 而有限元模拟分析表明：设置水平拉结筋、构造柱和水平系梁均能减小地震作用下填充墙的裂缝宽度，提高其变形能力。其中，在小震和中震水平下，设拉结筋的效果最明显，达到大震水平后，同时设置构造柱和水平系梁的效果越来越明显，且水平拉结筋能够有效防止墙体的倒塌。

 填充墙的变形能力与砌体材料也有关系，由表1可知，同样条件下的页岩空心砖的抗震受剪承载力比蒸压加气混凝土砌块大得多，而现场震害情况也证明了这一点，由MU5.0页岩空心砖和M5水泥砂浆砌筑的填充墙体的破坏轻得多，裂缝数量较少且裂缝宽度小。

5  皮山地震对带填充墙框架结构设计启示与思考

 (1)砌体填充墙与框架的连接，影响整个结构的动力特性和抗震能力，建议填充墙优先采用轻质隔墙，两者之间首选柔性连接或彼此脱开。填充墙和周边框架设缝，隔离两者的相互作用，变形间隙用柔性防水材料填充，间隙大小由中震时层间位移量确定。此时，可只考虑填充墙的重量而不计入其刚度和强度的影响。

 (2)考虑到我国目前对柔性连接填充墙的研究和使用现状，嵌砌填充墙仍是目前框架结构填充墙的通用做法。将填充墙作为抗震设防的第一道防线有其可取的一面，但应注意限制其破坏程度和可维修度，加强墙体中的抗震构造措施，加强墙体平面外与框架的连接措施，应尽量采用轻质高强材料，砌体强度等级：砌块、空心砖不宜低于MU5.0，砂浆不应低于M5( Mb5，Ms5)。

 (3)对于带形高窗下墙体，顶部没有约束成为自由端，地震时易发生开裂甚至失稳外闪，在设计中应加强其抗震构造措施，减小构造柱的布置间距，适当增强窗下压顶梁的刚度，较高的墙体中部按规范要求增设水平系梁，避免失稳后折断。

 (4)墙体中水电线管等应分散设置，避免水平和斜向敷设对墙体的削弱。因集中敷设水电管线、留设施工洞、预留配电箱、消防器材箱等对填充墙体削弱过多时，应采取补强措施，如加密水平拉结筋、拉结筋通长设置、采用钢筋面层补强墙体等。

 (5)厨房、卫生间、管道井等周边墙体设计中一般采用100mm或120mm厚，地震中这些墙体变形大，破坏一般较严重，设计中应加强构造措施，如采取增设构造柱和水平系梁、水平拉结筋通长设置等。

 (6)皮山地震中填充墙体的开裂导致装饰面层如墙纸、面砖等大量开裂、脱落，造成大量的经济损失且难以修复，故采用高档装饰时不宜采用刚性连接的填充墙。

 (7)在地震作用下框架结构的变形较大，造成非结构构件和附属设施的变形较大，甚至无法修复，因此高层建筑不宜采用钢筋混凝土全框架结构，宜采用框架一剪力墙、框架一支撑结构。

6  结论

 (1)本文根据皮山地震填充墙的震害调查，分析了框架填充墙震害的特点及原因，刚接填充墙作为抗震第一道防线，承担了大部分的地震剪力，成为主要的耗能构件，开裂较为普遍。

 (2)验算了填充墙的抗震承载力，计算对比表明砂浆强度等级越高墙体自身的抗震承载力越高，不改变砌体材料及砂浆强度的条件下，中部设置构造柱能有效地提高墙体的抗震承载力。

 (3)计算了框架层间位移在填充墙面内产生的内力，其超过了墙体自身的受剪承载力。填充墙在地震中的裂缝多是因其变形产生，提高砌筑砂浆的强度等级、设置水平拉结筋、构造柱和水平系梁等均能提高填充墙的抗裂变形能力。

 (4)蒸压加气混凝土砌块在地震区用作刚接填充墙时应慎重，砌块强度等级不应低于A5.0，砂浆强度等级不应低于Mb5.0，且应严格按照《蒸压加气混凝土建筑应用技术规程》( JGJ/T 17-2008)的要求，采用专用砂浆和界面剂，并加强构造柱、水平系梁等构造措施，以提高墙体的变形能力。