一种用于框架结构的阻尼抗震填充墙板

摘要

本发明涉及一种用于框架结构的阻尼抗震填充墙板，该墙板具有填充于框架梁柱所围成的空间内的砌体(1)，其特征在于，所述的砌体(1)由若干块砌体单元(2)垂直垒成，其相邻的两砌体单元(2)间和顶层的砌体单元(2)与上框架梁(7)间以及底层的砌体单元(2)与下框架梁(7′)间分别设有粘弹性层(3)；所述的相邻的两砌体单元(2)中，一块砌体单元(2)的一端与左框架柱(6)之间采用钢筋(4)固定连接成一体，另一端与右框架柱(6′)之间预留有缝隙(5)，另一块砌体单元(2)的一端与右框架柱(6′)之间采用钢筋(4)固定连接成一体，另一端与左框架柱(6)之间预留有缝隙(5)。本发明所述的墙板既能减小结构的地震反应，又能保护墙体安全。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑物的墙，具体涉及框架结构的墙，特别涉及抗震填充墙的构造。

背景技术

框架结构因其具有平面布置灵活、室内空间大等优点，而广泛用于多层住宅、厂房、商 店、办公楼、医院、教学楼及宾馆等建筑中。框架结构一般砌筑填充墙进行功能分割和外部 围护。由于砌块和砂浆的抗拉强度不高，砂浆与砌块交界面的粘结强度也较低；墙体早期刚 度大，在地震的作用下，承受较大的地震作用，因此，地震发生时，填充墙破坏较早也较为 严重。我国汶川地震后的框架结构类建筑损坏调研表明(孙景江，马强，石宏彬，等.汶川地 震高烈度区乘镇房屋震害简介[J].地震工程与工程振动，2008，28(3)：7-15.)，填充墙体 普遍呈现贯通对角的X型剪切斜裂缝，主要裂缝的形成导致墙体只能按照摩擦耗能方式消耗 地震能量，耗能能力有限。而且，填充墙破坏不仅影响建筑的使用功能，也增加了修复费用， 其严重破坏甚至危及人身安全。

2009年7月8日国知局公开了名称为“一种用于框架结构的新型耗能减震填充墙板”(公 开号为：CN 101476360A)的发明专利申请，其构造方案为(见说明书附图1)：密肋复合墙 板为网格状建筑构件，由肋梁柱进行划分，其特征在于，密肋复合墙板的两侧与框架柱相连 接，并在密肋复合墙板与框架柱之间添加柔性填充材料，密肋复合墙板的顶部通过一个或多 个滑移器装置与框架梁相连接，密肋复合墙板的底部直接与框架梁连接；其中，密肋复合墙 板是以混凝土框格为骨架，内嵌以炉渣、粉煤灰为主要原料的加气硅酸盐砌块制作而成。该 填充墙板是通过加入的混凝土框格将砌体墙划分为若干块来把裂缝限制在各个框格单元内 部，依靠框格内部砌块的反复张开、闭合，以及砌块沿裂缝、砌块与框格之间的摩擦耗能将 耗能部位均匀分布到整个墙体，从而使墙体的耗能能力提高。但是，由于混凝土框格的存在， 密肋复合墙板的刚度很大，在地震作用中，主体框架受到墙板巨大的支撑力，在柱端部、柱 底和节点区往往产生应力集中的现象，易导致上述部位过早地破坏，从而对结构抗震产生不 利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种既具有良好延性和耗能能力，又能避免因墙体刚度大而导致框 架柱、节点等过早破坏的填充墙板。

本发明所采取的技术方案具体如下：

一种用于框架结构的阻尼抗震填充墙板，该墙板具有填充于框架梁柱所围成的空间内的 砌体，其特征在于，所述的砌体由若干块砌体单元垂直垒成，其相邻的两砌体单元间和位于 最上一层的砌体单元与上框架梁间以及最下一层的砌体单元与下框架梁间分别设有粘弹性 层；所述的相邻的两砌体单元中，一块砌体单元的一端与左框架柱之间采用钢筋固定连接成 一体，另一端与右框架柱之间预留有缝隙，另一块砌体单元的一端与右框架柱之间采用钢筋 固定连接成一体，另一端与左框架柱之间预留有缝隙。

本发明所述的墙板，其中所述的砌体单元与框架柱之间采用钢筋固定连接成一体方法可 根据施工情况决定，可以是建框架柱时预留钢筋，然后将其砌于砌体单元内，也可以是在建 砌体时将预埋于砌体单元内钢筋采用化学植筋法锚固在框架柱上。

本发明所述的墙板，其中所述的缝隙可采用软砂浆或其它性质类似的软材料填充，以满 足建筑使用要求。当框架结构受到地震作用发生层间变形时，填充材料能够迅速被挤碎或压 缩，释放出足够的空间，保证相邻的两砌体单元能相对自由运动，迫使粘弹性层剪切变形， 吸收和耗散地震的能量。

本发明所述的墙板，其中所述的砌体单元可以采用国家提倡使用的各种砌块材料砌筑， 也可以是预制墙板，当采用砌块材料砌筑时，砌筑砂浆建议采用高标号的水泥砂浆，以保证 砌体单元的整体性。

本发明所述的墙板，其中所述的粘弹性层可以是具有粘弹性的低硬度高阻尼的橡胶、沥 青或者高性能砂浆，也可以是性质类似的其它粘弹性材料。所述的粘弹性层的厚度通常为2～ 30cm即满足要求。

本发明所述的阻尼抗震填充墙板，其中，所述的砌体与上下框架梁之间也设有粘弹性层， 同时，垂直垒成砌体的砌体单元交替地一端与框架柱固定连接，另一端与框架柱之间留缝隙， 相邻的两砌体单元之间设有粘弹性层，形成类似于一层钢板一层粘弹性材料的粘弹性阻尼器 的构造(如附图2所示构造)，因此，在地震作用下产生层间变形时，应力和变形将主要集 中在刚度较小的粘弹性层，从而起到了保护墙体的作用；不同位置的砌体单元可产生往复相 对运动，迫使粘弹性材料产生剪切滞回变形，吸收和耗散地震的能量，从而减小结构的地震 反应。此外，本发明所述的阻尼抗震填充墙板较现有技术还具有以下优点：

1、阻尼填充墙既能够给结构提供一定的抗侧刚度，保证正常使用，但和普通框架填充墙 结构相比，框架阻尼填充墙结构的抗侧刚度明显降低，因此，减小了地震作用；

2、阻尼填充墙对框架梁的刚度增强作用很小，有利于“强柱弱梁”破坏机制的实现，而 且阻尼填充墙的侧向刚度较小，避免了梁柱节点在结构发生层间侧移时承受巨大的墙体支撑 力而过早地发生破坏，从而提高了结构体系的延性；

3、由于阻尼填充墙抗侧刚度较普通填充墙抗侧刚度大为减小，且阻尼填充墙单元有一端 与柱柔性连接，因此，阻尼填充墙对柱的侧向约束也大为减小，当不同结构层的阻尼填充墙 的数量及布置形式有差异时，造成的相邻层刚度突变大大减小，当开门、窗洞口时，短柱效 应不明显，当平面布置不均匀时，扭转效应也不会明显。

附图说明

图1为发明专利CN101476360A所公开的新型耗能减震填充墙的构造示意图。

图2为粘弹性阻尼器的构造示意图。

图3～6为本发明所述的墙板的一个具体实施例的结构示意图，其中，图3为主视图(立 面图)，图4为图3的A-A剖面图，图5为图3的B-B剖面图，图6为图3的C-C剖面 图。

图7为本发明所述的墙板的另一个具体实施例的结构示意图(立面图)。

图8为图7所示实施例中砌体单元的一种具体结构示意图。

图9为本发明所述的墙板的有限元模型。

图10为CN 101476360A专利申请所述的新型耗能减震填充墙的有限元模型。

图11为例3(效果试验)的加载示意图。

图12为例3效果试验中当水平荷载升至350KN时，使用密肋复合墙板填充的框架的裂 缝分布示意图。

图13为例3效果试验中当水平荷载升至350KN时，使用阻尼填充墙填充的框架的裂缝 分布示意图。

具体实施方式

例1

本例为一榀混凝土框架，其跨度4200mm，层高3300mm，框架柱的截面尺寸为 500mm*500mm，框架梁的截面尺寸为300*500mm；混凝土强度等级为C30；梁柱配筋根据 《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)确定。 参见图3～6，采用小型混凝土实心砌块现场构筑的阻尼抗震填充墙，其结构如下所述：

整个砌体1设在由左框架柱6、右框架柱6′、上框架梁7和下框架梁7′围成的空间内，厚 度为240mm，并由三块砌体单元2垂直垒成，上下两块砌体单元2之间，以及自上框架梁7 数的第一块砌体单元2与上框架梁7之间和第三块砌体单元2与下框架梁7′之间分别设有由 橡胶制成的粘弹性层3，其中，自上框架梁7数的第一块砌体单元2与上框架梁7之间的粘 弹性层3厚度为150mm，其它粘弹性层3的厚度为50mm。自上框架梁7数的第一块砌体单 元2的一端与左框架柱6之间采用钢筋4锚固连接成一体，另一端与右框架柱6′之间预留有 35mm宽的缝隙5；自上框架梁7数的第二块砌体单元2的一端与右框架柱6′之间采用钢筋锚 4固连接成一体，另一端与左框架柱6之间预留有35mm宽的缝隙5；自上框架梁7数的第三 块砌体单元2的一端与左框架柱6之间采用钢筋锚4固连接成一体，另一端与右框架柱6′之 间预留有35mm宽的缝隙5。

参见图3和图4或图5，所述的钢筋4的一头预埋在砌筑砌体单元2的加气混凝土空心 砌块的灰缝中，另一头锚固在框架柱内。钢筋4的拉结长度均按《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2010)的规定确定。

参见图3，整个阻尼抗震填充墙板建好后，所述的缝隙5采用软橡胶填充，以满足建筑 使用要求。

例2

本例所述阻尼抗震填充墙采用预制混凝土墙板，下述以外的结构和构筑方法与例1相同。

参见图7，整个砌体1由四块砌体单元2垂直垒成，上下两块砌体单元2之间，以及自 上框架梁7数的第一块砌体单元2与上框架梁7之间和第四块砌体单元2与下框架梁7′之间 分别设有浇灌沥青形成的厚度为5cm的粘弹性层3。其中，自上框架梁7数的第一和第三块 砌体单元2的一端与左框架柱6之间采用钢筋4锚固连接成一体，另一端与右框架柱6′之间 预留有4cm宽的缝隙5；自上框架梁7数的第二块和第四块砌体单元2的一端与右框架柱6′ 之间采用钢筋锚4固连接成一体，另一端与左框架柱6之间预留有5cm宽的缝隙5。

参见图7，所述的钢筋4的一头预埋在砌筑砌体单元2的混凝土中，另一头采用化学植 筋法锚固在框架柱内。砌体单元2可在现场建模浇铸，也可在工厂预制成图8所示的形状。

例3(效果试验)

1、试件设计

A、样品试件为上述实施例1所属的填充墙板；

B、对照品试件按公开号为CN101476360A的专利申请具体实施方式中所述方案构建(以 下简称为密肋复合墙板)，其中，主体框架与实施例1的完全相同；密肋复合墙板以混 凝土框格为骨架；与框架柱的间隙取为10mm；与框架梁的间隙取为150mm；与下侧框 架梁之间采用固定支座连接；密肋复合墙板顶部与上侧框架梁之间设置4个钢板-橡胶 滑动支座；密肋复合墙板与框架柱之间的间隙填充聚苯乙烯泡沫塑料板。

2、构建有限元模型

根据样品试件和对照试件的实际尺寸及细部构造，采用大型通用有限元软件ANSYS，按 照常规方法分别构建样品试件和对照品试件的有限元模型，其中，样品试件的有限元模型如 图9所示，对照品试件的有限元模型如图10所示。

以下对构建图9和图10所示有限元模型的要点进行简要描述。

2.1主体框架

钢筋混凝土主体框架采用三维非线性实体单元SOLID65划分，并采用弥散钢筋模型，即 将钢筋连续均匀地分布于整个单元中。主体框架由混凝土和钢筋两种材料组成，其中，混凝 土本构关系的上升段根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)规定的公式(1)确定， 下降段则采用Hongnestad建议的公式(2)确定；钢筋的本构关系采用理想弹塑性模型，如 式(3)和式(4)所示。所输入的材料参数值如表1所示。

当ε_c≤ε₀时，${\sigma }_c=f_c[1-{(1-\frac{{ϵ}_c}{{ϵ}_0})}^n]---\left(1\right)$

当ε₀＜ε_c≤ε_cu时，${\sigma }_c=f_c[1-0.15\left(\frac{{ϵ}_c-{ϵ}_0}{{ϵ}_{\mathrm{cu}}-{ϵ}_0}\right)]---\left(2\right)$

式中(1)和(2)中，σ_c、ε_c分别为混凝土压应力和压应变；f_c为混凝土轴心抗压强度 设计值；ε₀为混凝土压应力刚达到f_c时的混凝土压应变，当计算的ε₀小于0.002时，取为0.002； ε_cu为混凝土的极限压应变，当计算的ε_cu大于0.0033时，取为0.0033。

当ε_s≤ε_y时，                        σ_s＝E_sε_s     (3)

当ε_s＞ε_y时，                        σ_s＝f_y        (4)

式中(3)和(4)中，σ_s、ε_s分别为钢筋的应力和应变；E_s为钢筋的弹性模量；f_y为钢 筋的屈服强度。

表1主体框架的材料参数取信

2.2填充墙

两种类型填充墙的砌体部分均采用SOLID65划分，砌体本构关系根据同济大学朱伯龙教 授提出的公式(下式5和6)确定。砌体的材料参数取值如下表2所示。

阻尼填充墙的粘弹性层和柔性填充层均采用三维实体单元SOLID45划分，其材料本构分 别采用ANSYS提供的粘弹性本构模型和线弹性本构模型，输入的材料模型参数如表3所示； 耗能减震填充墙板的钢筋混凝土框格采用SOLID65划分，并采用弥散钢筋模型，混凝土和钢 筋的本构关系按照上式(1)～(2)和(3)～(4)确定，而柔性填充层和滑动支座(滑动支 座由两块钢板夹着一层橡胶构成)采用SOLID45划分，其材料本构均采用线弹性本构模型， 其材料模型参数取值如表4所示。

当ε_q≤ε₀时，${\sigma }_q=f_m\frac{\frac{{ϵ}_q}{{ϵ}_0}}{0.2+0.8\frac{{ϵ}_q}{{ϵ}_0}}---\left(5\right)$

当ε₀＜ε_q≤ε_cu时，${\sigma }_q=f_m(1.2-0.2\frac{{ϵ}_q}{{ϵ}_0})---\left(6\right)$

式中，σ_q、ε_q分别为砌体的应力和应变；f_m为砌体的抗压强度，按照《砌体结构设计规 范》(GB 50003-2001)第3.2条的相关规定确定；ε₀为砌体压应力刚达到f_m时的砌体压应变。

表2砌体的材料参数取值

表3阻尼填充墙的粘弹性层和柔性填充层的材料参数取值

表4密肋复合墙板的滑动支座和柔性填充层的材料参数取值

2.3补充说明

(1)填充墙与主体框架的接触。在填充墙与主体框架之间使用软件提供的接触对 CONTA170和CONTA173模拟墙体与框架的联系，接触类型为Bound Contact。

(2)底部框架梁理想为刚性梁，底部固定；框架柱与刚性底梁固定连接。

3、试验加载

有限元仿真试验的加载分三步进行：

(1)施加重力。

(2)框架柱顶施加轴向压力(如图11所示)，其中，轴向压力的取值根据《混凝土结 构设计规范》(GB50010-2002)按照轴压比为0.15确定。

(3)在梁端施加单向单调侧向荷载直至结构破坏(如图11所示)。

4、试验结果

当水平荷载加至350KN时，使用密肋复合墙板填充的框架节点出现裂缝(如图12所示)， 而使用阻尼填充墙填充的框架仅在梁端开裂，节点区并未出现开裂现象(如图13所示)。这 表明使用阻尼填充墙填充的框架可以避免因墙体刚度大而造成框架柱或节点等过早破坏的不 良后果，从而更有效地保护主体框架的安全。