框架结构中, 填充墙有助于形成独立的使用空间, 满足不同的使用要求, 然而不合理的填充墙布置会引起结构的破坏^[1,2], 如薄弱层破坏、结构扭转破坏、柱铰破坏, 以及由于形成短柱而引起的剪切脆性破坏等。研究表明, 填充墙与主体框架间的刚性连接方式是导致以上破坏的主要原因之一。刚性连接时, 墙-框之间相互顶推作用明显, 改变了结构传力机制, 影响了结构的抗震性能。而墙-框柔性连接, 即填充墙与框架脱开的连接方法可有效减弱相互作用, 改善结构抗震性能^[3,4,5]。为满足采光和通风要求, 填充墙通常需要开窗, 因此与窗台短墙刚性连接的框架柱受其侧向约束的影响, 有效长度减小, 极易形成短柱, 从而改变柱的破坏形态, 造成结构抗震隐患。本文结合前期试验^[4], 针对半墙填充框架结构, 进行了半墙填充、墙-框柔性连接和刚性连接框架结构有限元分析, 探讨了墙-框连接方式对半墙填充框架结构破坏形态的影响。

　　 进行了3榀砌体填充墙框架结构水平往复荷载试验。采用粉煤灰自保温空心砌块为填充墙体材料, 砌块强度等级为MU3.5, 砌筑砂浆强度等级为M5, 主体框架混凝土强度等级为C30, 芯柱灌孔混凝土强度等级为C20, 箍筋采用HPB300级, 纵筋采用HRB335级, 框架柱设计轴压比为0.25。柔性连接方案中, 填充墙与主体框架间设置30mm预留缝, 缝内填充32mm厚泡沫聚苯板。试件设计情况见表1, 框架外形尺寸及配筋情况见图1, 具体试验过程及结果见文献[4]。

　　 基于ABAQUS有限元软件进行半墙填充框架结构在单调水平荷载作用下的非线性有限元分析。混凝土梁柱、填充墙、芯柱、泡沫板等均采用8节点C3D8R单元, 钢筋采用T3D2桁架单元, 钢筋内置于混凝土, 带筋芯柱内置于墙体, 填充墙、框架及泡沫板之间均采用绑定约束, 有限元模型剖面 (以试件RWF为例, 沿X方向对称面剖切) 如图2所示, 芯柱设置及配筋情况同试验。材料强度参数和弹性参数取值分别见表2和表3。

　　 钢筋采用双线性理想弹塑性模型, 混凝土采用ABAQUS自带的塑性损伤模型及现行《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) 中推荐的混凝土本构关系, 砌体采用文献[6]提出的粉煤灰自保温空心砌块砌体受压本构关系, 依据文献[7]取砌体受拉本构关系, 依据文献[8]近似取砌体受拉初始弹性模量等于受压初始弹性模量。泡沫板只考虑受压特性, 可挤压泡沫模型的应力-应变曲线如图3所示^[9]。

　　 各试件的计算与试验所得荷载-位移骨架曲线对比见图4。因为试验骨架曲线由水平往复荷载试验得到, 而计算骨架曲线由单调水平加载得到, 即有限元模拟没有考虑往复加载下材料累积损伤带来的影响, 因而试验值与模拟值有一定偏差, 但从总体上讲, 二者的曲线发展趋势基本吻合。模拟结果与试验结果能得到相同的结论:针对半墙填充情况, 填充墙的加入提高了试件的水平承载力, 刚性连接和柔性连接对承载力的提高程度相近;柔性连接试件的位移延性优于刚性连接。

　　 模型压缩塑性损伤云图与试验试件破坏情况对比见图5, 可以看出, 模拟结果与试验现象基本一致。首先, 由于试验采用的填充砌体强度较低, 没能形成对框架的有效侧向约束, 因此框架结构基本属于弯曲型破坏, 损伤主要出现在梁端和柱底;其次, 柔性连接方案减缓了墙体及结构损伤的出现。

　　 提取沿框架柱高度1/3, 1/2和2/3处右柱纵筋应变, 计算值和试验值对比见图6。试验中, 当加载至水平位移大于h/150 (h=1 380mm, 为底梁上表面至顶梁中心线间的距离) 时, 纵筋应变片大都损坏, 所以试验值数据仅提供至位移角为1/150。

　　 由图6可知, 纵筋应变计算值和试验值具有相近的发展变化规律:对纯框架, 沿框架柱高度方向的纵筋应变近似于线性变化, 最不利截面为柱底截面;对刚性连接试件, 由于受到半墙侧向约束及墙-框相互作用的影响, 框架柱内力沿高度方向变化不再均匀和连续, 最不利截面发生改变;对柔性连接试件, 墙-框之间刚度效应和约束效应减弱, 沿柱高度方向纵筋应变恢复均匀、连续和近似线性, 最不利截面仍为柱底截面。

　　 右柱非填充部位的柱中 (距底梁上表面800mm处) 箍筋应力与柱纵筋应力对比见图7。可以看出, 对刚性连接试件GWF, 位移角在1/100以内时, 箍筋和纵筋应力均较小, 超过1/100时, 箍筋和纵筋应力均大幅度增长, 位移角为1/70~1/50时, 箍筋先屈服随后纵筋屈服, 二者几乎同步, 说明试件发生剪切弯曲型破坏;而对于空框架试件PF和柔性连接试件RWF, 箍筋应力基本没有变化, 纵筋应力随位移角的增大持续增大, 至位移角为1/100时纵筋屈服, 说明试件发生弯曲型破坏, 即墙-框柔性连接有效避免了刚性连接时的剪切破坏趋势, 与试验结果吻合。

　　 以上计算结果及分析验证了本文模型建立方法的有效性。

　　 墙-框连接方式以及框架与填充墙的受剪承载力之比是影响结构破坏形态的主要因素^[10]。针对半墙填充且墙-框刚性连接情况, 填充墙体相对于主体框架的受剪承载力越大, 其对框架柱的约束效应和短柱效应越明显, 越易造成脆性剪切破坏。上述试验中, 由于填充墙采用抗剪强度较低的粉煤灰自保温空心砌块砌体, 所以试件GWF虽带有剪切破坏特点, 但并没有出现明显短柱效应, 墙-框柔性连接对短柱效应的改善也没有得到明确体现。

　　 根据文献[11], 粉煤灰蒸压砖砌体和粘土砖砌体对框架柱的侧向约束作用较大, 半墙填充且墙-框刚性连接情况下易导致框架柱的短柱破坏, 因此, 本文改变填充墙体材料, 采用粉煤灰蒸压砖砌体 (材料参数设置见表4) , 运用上述有限元模型重新进行计算和分析, 新试件编号分别为GWF-1和RWF-1, 探讨框架柱破坏形态及墙-框连接方式对破坏形态的影响。

　　 砌体强度提高后, 试件GWF-1和试件RWF-1的压缩塑性损伤云图如图8所示。可以看出, 刚性连接试件非填充部位的右柱柱中出现剪切破坏, 而柔性连接破坏形式与空框架相似, 破坏主要出现在柱底。

　　 提取各试件右柱非填充部位的柱中截面 (距底梁上表面800mm处) 的剪力, 得到剪力-位移变化曲线如图9所示。各试件框架柱的受剪承载力计算值约为220k N, 由图9可以看出, 试件PF和试件RWF-1中上述截面 (距底梁上表面800mm处) 剪力峰值均小于柱受剪承载力计算值, 且曲线始终处于单调上升状态, 说明框架柱的抗剪能力足够;而试件GWF-1中相应截面的剪力峰值接近或大于柱受剪承载力计算值, 且曲线达到峰值后开始下降, 说明该截面因抗剪承载力不足引起剪切破坏。

　　 右柱非填充部位的柱中 (距底梁上表面800mm处) 箍筋应力与柱纵筋应力对比见图10, 各试件钢筋应力云图见图11。可以看出, 位移角为1/100时, 试件GWF-1箍筋屈服, 而纵筋并未屈服, 结合图8判定该试件出现短柱效应并发生剪切破坏;位移角为1/100时, 墙-框柔性连接试件RWF-1纵筋屈服, 箍筋应力比空框架PF有所增长, 但并未屈服, 说明柔性连接避免了短柱效应, 试件发生弯曲破坏。

　　 本文在前期试验研究的基础上, 利用有限元分析软件, 研究了半墙填充情况下, 墙-框连接方式对结构破坏形态和抗震性能的影响, 所得结论对实际工程应用有着重要的指导意义。

　　 (1) 有限元计算结果基本与试验结果吻合, 说明提出的有限元建模方法是有效的。

　　 (2) 半墙填充情况下, 填充砌体抗剪强度较高时, 墙-框刚性连接易导致短柱效应, 甚至发生脆性剪切破坏, 而墙-框柔性连接减小了填充墙对框架柱的侧向约束, 避免了短柱效应及短柱破坏, 同时填充墙破损程度减轻。

　　 (3) 为避免半墙填充框架结构出现短柱效应, 砌体强度不宜太高, 否则应采用墙-框柔性连接方案。