第 1 章 緒論
1.1 引言
1.1.1 研究背景
近年來，世界範圍之內地震頻發，地震產生的傷亡越來越大，怎樣減少地震造成的損失越來越受到人們的重視。國內近幾年影響比較大的地震就有 2008 年汶川地震、2009 年玉樹地震、2011年雲南地震以及 2014 年松原地震等多起。地震造成的災難是多方面的，包括自然和社會等多方面。在人員傷亡中學校、商場等公共場所占很大一部分。公共場所的主要傷亡原因是沒有及時疏散，包括疏散過程中人員的擁擠和疏散通道被堵塞或是破壞。疏散通道包括豎向和水平兩部分，豎向疏散通道安全就是要求樓梯在地震作用時能保持良好的安全性，水平向疏散通道安全就是要求走廊兩側的牆體不發生倒塌，既不能有掉落的砌塊傷人又不能堵塞通道。地震是一種經常發生的自然現象，也是一種突發的災害，並由於其產生原因多樣、位置未知等多種影響因素而不能被人們準確地提前預知，這使得人們對地震的預防非常困難，就要求人們儘可能地重視抗震設計，從抗震措施上減少地震的傷亡。公共建築是人員比較集中的場所，能保證公共建築疏散通道的安全勢必會大大減少地震的傷亡。疏散通道作為人們逃生的道路越來越需要受到人們的重視。
震害調查表明，公共建築疏散通道的抗震技術還沒有引起人們的足夠重視，我國的抗震設計還主要是集中在建築物的本身。因此對疏散通道抗震技術的研究是非常迫切的，是人命關天的大事。填充牆作為框架結構的重要組成部分在地震的作用下破壞是非常嚴重的，不能達到設計時對非結構構件的要求。本課題的目的就是研究框架填充牆抗平面外倒塌的技術，提出可行的框架結構填充牆抗平面外倒塌的技術。
框架結構填充牆抗平面外倒塌技術研究對保障人民生命財產安全、減少地震造成的損失具有重要意義。
1.1.2 填充牆震害破壞調查
框架結構由於其空間布置靈活、施工方便等原因被廣泛使用。填充牆是框架結構的分割構件，框架結構中必然存在填充牆。在進行結構設計的時候，填充牆被視為非結構構件，只通過採取折減自振周期的方法來考慮填充牆對框架結構的影響。但是，在實際施工過程中為保證填充牆的穩定會採取一系列的構造措施，這些措施會使框架與填充牆形成一個複雜的整體，在地震力作用下框架與填充牆會出現一系列的複雜破壞狀態，填充牆作為非結構構件可能比框架結構本身受到的破壞更加嚴重。
1.2 框架結構填充牆平面外受力性能的國內外現狀
1.2.1 目前填充牆砌築的施工工藝
根據目前的施工工藝來看，填充牆與框架之間的連接方式主要有剛性連接和柔性連接兩種。所謂剛性連接就是採用頂部用磚塊斜砌頂緊的砌築方式，這樣可以使填充牆與框架接觸較緊密，也因此在地震作用下與框架一起成為了框架結構抗震的第一道防線，可以提高框架結構的安全儲備，本身破壞卻較嚴重。柔性連接是在填充牆與框架之間留有一定的空隙，使牆體與框架脫開，這樣在設計時不考慮填充牆對結構剛度及周期的影響，地震作用時牆體不與框架一起抵抗地震力，但其抗倒塌能力較弱。
與現行規範相適應的 12G614-1《砌體填充牆結構構造標準圖集》採用了框架柱與填充牆脫開或柔性連接的連接方法。現行規範要求填充牆每隔 500~600mm設 2A6mm 的拉結筋，6 度、7 度時宜全牆貫通，8 度時應全長貫通。填充牆高度大於 5m 或牆長大於 2 倍層高時牆體中部應設置構造柱。在樓梯間與人流通道處採用鋼絲網砂漿面層加強。
但走訪施工現場，大部分的填充牆還是採用的頂部斜砌頂緊的砌築方式。填充牆砌至接近梁、板底時，留一定空隙，待砌體變形穩定後並應至少間隔 7d 後，再將其補砌擠緊。發生這種現象的原因之一也是規範沒有給出具體的砌築方式和方法，因此探尋可行的方法，規範砌築方式也是迫在眉睫的。
第 2 章 填充牆的非線性分析及有限元模型
2.1 填充牆分析模型簡介
用軟體對結構或是材料進行非線性分析的時候，首要工作是建立模型，模型的準確性是分析準確性的基礎只有相對準確地選擇模型建立的方法才能有效地進行數值分析，分析結果才有參考價值。填充牆是由砌塊與砂漿砌築而成的，填充牆建模的時候選擇砌體結構模型。現階段砌體結構的數值分析模型主要採用整體式和分離式兩類，其中整體式建模也稱為宏觀模型，分離式建模稱為微觀模型。
宏觀模型是視砌塊與砂漿為相同的材料，不考慮它們的性能區別及其相互作用。在建立宏觀模型的時候把要分析的構件作為勻質構件，砂漿散布於整個構件，並將單元看作是連續均勻的。用這種建模的方法進行分析時不需考慮牆體的幾何參數信息，只採用非線性彈簧或塑性鉸單元來模擬牆體的力學性能，模型分析採用砌體的名義應力應變關係建立的本構方程。牆體材料的屬性參數取自多次力學性能試驗所得到的數據，也就是設計規範所採用的指標。宏觀模型需要體現砌塊沿主軸方向的抗拉和抗壓強度還有砌塊的非線性性能，除此之外，砌塊在不同應力狀態時的力學性能也是模型需要體現的內容。近年來，勻質化的建模方法作為整體式建模方法之一得到了廣泛的應用比如重慶大學的王達詮曾經用勻質化的建模方法來分析砌體結構的非線性性能。
分離式模型是將砂漿與砌塊設置不同的屬性，作為性能不同的單元進行考慮的，這樣能更加真實地反映牆體的性能，除此外還需建立塊體和砂漿交界處的滑移破壞方程模擬塊體和砂漿的相互作用。分離式模型更注重裂縫等局部破壞現象的產生和發展，如圖 2-1 所示的情況。
2.ABAQUS 軟體的簡介
ABAQUS 是一套基於有限元法的工程分析軟體，它既可以完成簡單的有限元分析，也可以用來模擬非常龐大複雜的模型，解決工程實際中大中型結構的非線性問題。ABAQUS 是由世界知名的有限元分析軟體公司 ABAQUS 公司於 1978年推出的。ABAQUS 可以完成多種類型的分析，如靜態分析、動態分析、非線性分析、熱傳導分析、流體運動分析、流固耦合分析、多場耦合分析、疲勞分析、海洋工程結構分析、衝擊動力學分析、設計靈敏度分析等。
ABAQUS 由多個模塊組成，包括前處理模塊（ABAQUS/CAE）、主求解器模 塊 （ ABAQUS/Standard 、 ABAQUS/Explicit 、 ABAQUS/CFD ） ， 以 及ABAQUS/Aqua、ABAQUS/Design、MOLDFLOW 等接口專用模塊。ABAQUS/CAE是 ABAQUS 的交互式圖形環境，可以方便地構建模型、提交作業和顯示分析結果。ABAQUS/Standard 是一個通用的分析模塊，它使用的是隱式算法，能夠求解廣泛領域的非線性和線性問題。
第 3 章 試驗設計及試件製作.................27
3.1 試驗方案..................27
3.1.1 研究的內容及目的...............27
3.1.2 試件設計.......................28
第 4 章 試驗結果及分析....................37
4.1 試驗結果.......................37
第 5 章 框架填充牆的設計及施工..............49
5.1 填充牆結構設計......................49
第 5 章 框架填充牆的設計及施工
5.1 填充牆結構設計
現階段我國針對框架填充牆沒有具體的設計方法，填充牆只是作為框架的非結構構件簡化成框架的線荷載。只在《建築抗震設計規範》中規定了填充牆的材料選擇和結構布置等原則，並建議採用牆與柱脫開或柔性連接，但並沒有具體的設計方法與構造措施。
在經歷過幾次破壞性較大的地震後，越來越多的研究人員開始關注填充牆的平面外穩定問題，填充牆也需要進行必要的結構設計，來滿足其穩定性。框架結構設計的時候需要考慮填充牆的影響，同時填充牆本身的穩定性也考慮。
我們說填充牆屬於非結構構件，就是說在框架結構中填充牆不需要承受上部傳來的荷載，只需考慮自身的重力，這就是要求我們把每片填充牆作為單獨的構件進行設計，對其受到的力進行分析。因規範建議填充牆與柱脫開或是柔性連接，所以設計的重點是牆體與框架的連接構造。
影響填充牆的平面外穩定性的因素主要有牆的高厚比、長寬比、與框架的連接方式、牆體本身強度等因素。本章是在理論分析的基礎上對框架填充牆的設計進行研究。首先探討一下牆體在地震作用下的受力情況，進行抗震設計。
第 6 章 結論與展望
6.1 結論
本論文主要研究目的是研究填充牆抗平面外倒塌的技術。通過理論分析與試驗研究總結出該技術指標主要包括填充牆拉結筋設置方式、角鋼尺寸選擇和作為連接件的膨脹螺栓的數量這三方面。
（1）拉結筋設置方式：拉結筋通長時可以有效提高牆體的整體性，建議設防烈度較低的地區填充牆至少設置 2A6 通長拉結筋，位置在牆體頂部 1~2 皮磚的位置。
（2）角鋼尺寸：角鋼尺寸太大會造成材料的浪費，尺寸太小又起不到預設的作用，建議選用市面上最常見的等邊角鋼，角鋼尺寸為 63×5mm。
（3）膨脹螺栓數量：每塊角鋼的長度與所用砌塊尺寸相似，2 個螺栓的設計強度即可以滿足抗剪要求又能使角鋼穩定。
本文通過有限元模擬與試驗研究得到的結論主要有：
（1）當填充牆採用頂端斜砌擠緊的剛性連接方式與框架結構連接的時候，水平作用下填充牆本身受到的應力較大填充牆對框架剛度影響較大，在 30%~50%之間，而且對剛度的影響隨砌塊強度的增大而增大；
（2）填充牆頂端用磚頂緊的試件在加載的過程中牆體出現大量豎向裂縫，主要原因是填充牆與框架緊密接觸，框架的變形使牆體承受豎向荷載而開裂；
（3）填充牆與框架柔性連接時能防止框架結構剛度過大，減小地震反應。在進行框架結構設計的時候可以提高結構周期折減係數，使設計更加經濟合理；
（4）當填充牆採用完全柔性連接（牆體與框架脫開、使用拉結筋連接）時，框架剛度較小，填充牆的應力較小，但框架對牆體的約束作用太小，地震作用時牆體的抗倒塌能力太低；
參考文獻（略）
1.1 引言
1.1.1 研究背景
近年來，世界範圍之內地震頻發，地震產生的傷亡越來越大，怎樣減少地震造成的損失越來越受到人們的重視。國內近幾年影響比較大的地震就有 2008 年汶川地震、2009 年玉樹地震、2011年雲南地震以及 2014 年松原地震等多起。地震造成的災難是多方面的，包括自然和社會等多方面。在人員傷亡中學校、商場等公共場所占很大一部分。公共場所的主要傷亡原因是沒有及時疏散，包括疏散過程中人員的擁擠和疏散通道被堵塞或是破壞。疏散通道包括豎向和水平兩部分，豎向疏散通道安全就是要求樓梯在地震作用時能保持良好的安全性，水平向疏散通道安全就是要求走廊兩側的牆體不發生倒塌，既不能有掉落的砌塊傷人又不能堵塞通道。地震是一種經常發生的自然現象，也是一種突發的災害，並由於其產生原因多樣、位置未知等多種影響因素而不能被人們準確地提前預知，這使得人們對地震的預防非常困難，就要求人們儘可能地重視抗震設計，從抗震措施上減少地震的傷亡。公共建築是人員比較集中的場所，能保證公共建築疏散通道的安全勢必會大大減少地震的傷亡。疏散通道作為人們逃生的道路越來越需要受到人們的重視。
震害調查表明，公共建築疏散通道的抗震技術還沒有引起人們的足夠重視，我國的抗震設計還主要是集中在建築物的本身。因此對疏散通道抗震技術的研究是非常迫切的，是人命關天的大事。填充牆作為框架結構的重要組成部分在地震的作用下破壞是非常嚴重的，不能達到設計時對非結構構件的要求。本課題的目的就是研究框架填充牆抗平面外倒塌的技術，提出可行的框架結構填充牆抗平面外倒塌的技術。
框架結構填充牆抗平面外倒塌技術研究對保障人民生命財產安全、減少地震造成的損失具有重要意義。
1.1.2 填充牆震害破壞調查
框架結構由於其空間布置靈活、施工方便等原因被廣泛使用。填充牆是框架結構的分割構件，框架結構中必然存在填充牆。在進行結構設計的時候，填充牆被視為非結構構件，只通過採取折減自振周期的方法來考慮填充牆對框架結構的影響。但是，在實際施工過程中為保證填充牆的穩定會採取一系列的構造措施，這些措施會使框架與填充牆形成一個複雜的整體，在地震力作用下框架與填充牆會出現一系列的複雜破壞狀態，填充牆作為非結構構件可能比框架結構本身受到的破壞更加嚴重。
1.2 框架結構填充牆平面外受力性能的國內外現狀
1.2.1 目前填充牆砌築的施工工藝
根據目前的施工工藝來看，填充牆與框架之間的連接方式主要有剛性連接和柔性連接兩種。所謂剛性連接就是採用頂部用磚塊斜砌頂緊的砌築方式，這樣可以使填充牆與框架接觸較緊密，也因此在地震作用下與框架一起成為了框架結構抗震的第一道防線，可以提高框架結構的安全儲備，本身破壞卻較嚴重。柔性連接是在填充牆與框架之間留有一定的空隙，使牆體與框架脫開，這樣在設計時不考慮填充牆對結構剛度及周期的影響，地震作用時牆體不與框架一起抵抗地震力，但其抗倒塌能力較弱。
與現行規範相適應的 12G614-1《砌體填充牆結構構造標準圖集》採用了框架柱與填充牆脫開或柔性連接的連接方法。現行規範要求填充牆每隔 500~600mm設 2A6mm 的拉結筋，6 度、7 度時宜全牆貫通，8 度時應全長貫通。填充牆高度大於 5m 或牆長大於 2 倍層高時牆體中部應設置構造柱。在樓梯間與人流通道處採用鋼絲網砂漿面層加強。
但走訪施工現場，大部分的填充牆還是採用的頂部斜砌頂緊的砌築方式。填充牆砌至接近梁、板底時，留一定空隙，待砌體變形穩定後並應至少間隔 7d 後，再將其補砌擠緊。發生這種現象的原因之一也是規範沒有給出具體的砌築方式和方法，因此探尋可行的方法，規範砌築方式也是迫在眉睫的。
第 2 章 填充牆的非線性分析及有限元模型
2.1 填充牆分析模型簡介
用軟體對結構或是材料進行非線性分析的時候，首要工作是建立模型，模型的準確性是分析準確性的基礎只有相對準確地選擇模型建立的方法才能有效地進行數值分析，分析結果才有參考價值。填充牆是由砌塊與砂漿砌築而成的，填充牆建模的時候選擇砌體結構模型。現階段砌體結構的數值分析模型主要採用整體式和分離式兩類，其中整體式建模也稱為宏觀模型，分離式建模稱為微觀模型。
宏觀模型是視砌塊與砂漿為相同的材料，不考慮它們的性能區別及其相互作用。在建立宏觀模型的時候把要分析的構件作為勻質構件，砂漿散布於整個構件，並將單元看作是連續均勻的。用這種建模的方法進行分析時不需考慮牆體的幾何參數信息，只採用非線性彈簧或塑性鉸單元來模擬牆體的力學性能，模型分析採用砌體的名義應力應變關係建立的本構方程。牆體材料的屬性參數取自多次力學性能試驗所得到的數據，也就是設計規範所採用的指標。宏觀模型需要體現砌塊沿主軸方向的抗拉和抗壓強度還有砌塊的非線性性能，除此之外，砌塊在不同應力狀態時的力學性能也是模型需要體現的內容。近年來，勻質化的建模方法作為整體式建模方法之一得到了廣泛的應用比如重慶大學的王達詮曾經用勻質化的建模方法來分析砌體結構的非線性性能。
分離式模型是將砂漿與砌塊設置不同的屬性，作為性能不同的單元進行考慮的，這樣能更加真實地反映牆體的性能，除此外還需建立塊體和砂漿交界處的滑移破壞方程模擬塊體和砂漿的相互作用。分離式模型更注重裂縫等局部破壞現象的產生和發展，如圖 2-1 所示的情況。
2.ABAQUS 軟體的簡介
ABAQUS 是一套基於有限元法的工程分析軟體，它既可以完成簡單的有限元分析，也可以用來模擬非常龐大複雜的模型，解決工程實際中大中型結構的非線性問題。ABAQUS 是由世界知名的有限元分析軟體公司 ABAQUS 公司於 1978年推出的。ABAQUS 可以完成多種類型的分析，如靜態分析、動態分析、非線性分析、熱傳導分析、流體運動分析、流固耦合分析、多場耦合分析、疲勞分析、海洋工程結構分析、衝擊動力學分析、設計靈敏度分析等。
ABAQUS 由多個模塊組成，包括前處理模塊（ABAQUS/CAE）、主求解器模 塊 （ ABAQUS/Standard 、 ABAQUS/Explicit 、 ABAQUS/CFD ） ， 以 及ABAQUS/Aqua、ABAQUS/Design、MOLDFLOW 等接口專用模塊。ABAQUS/CAE是 ABAQUS 的交互式圖形環境，可以方便地構建模型、提交作業和顯示分析結果。ABAQUS/Standard 是一個通用的分析模塊，它使用的是隱式算法，能夠求解廣泛領域的非線性和線性問題。
第 3 章 試驗設計及試件製作.................27
3.1 試驗方案..................27
3.1.1 研究的內容及目的...............27
3.1.2 試件設計.......................28
第 4 章 試驗結果及分析....................37
4.1 試驗結果.......................37
第 5 章 框架填充牆的設計及施工..............49
5.1 填充牆結構設計......................49
第 5 章 框架填充牆的設計及施工
5.1 填充牆結構設計
現階段我國針對框架填充牆沒有具體的設計方法，填充牆只是作為框架的非結構構件簡化成框架的線荷載。只在《建築抗震設計規範》中規定了填充牆的材料選擇和結構布置等原則，並建議採用牆與柱脫開或柔性連接，但並沒有具體的設計方法與構造措施。
在經歷過幾次破壞性較大的地震後，越來越多的研究人員開始關注填充牆的平面外穩定問題，填充牆也需要進行必要的結構設計，來滿足其穩定性。框架結構設計的時候需要考慮填充牆的影響，同時填充牆本身的穩定性也考慮。
我們說填充牆屬於非結構構件，就是說在框架結構中填充牆不需要承受上部傳來的荷載，只需考慮自身的重力，這就是要求我們把每片填充牆作為單獨的構件進行設計，對其受到的力進行分析。因規範建議填充牆與柱脫開或是柔性連接，所以設計的重點是牆體與框架的連接構造。
影響填充牆的平面外穩定性的因素主要有牆的高厚比、長寬比、與框架的連接方式、牆體本身強度等因素。本章是在理論分析的基礎上對框架填充牆的設計進行研究。首先探討一下牆體在地震作用下的受力情況，進行抗震設計。
第 6 章 結論與展望
6.1 結論
本論文主要研究目的是研究填充牆抗平面外倒塌的技術。通過理論分析與試驗研究總結出該技術指標主要包括填充牆拉結筋設置方式、角鋼尺寸選擇和作為連接件的膨脹螺栓的數量這三方面。
（1）拉結筋設置方式：拉結筋通長時可以有效提高牆體的整體性，建議設防烈度較低的地區填充牆至少設置 2A6 通長拉結筋，位置在牆體頂部 1~2 皮磚的位置。
（2）角鋼尺寸：角鋼尺寸太大會造成材料的浪費，尺寸太小又起不到預設的作用，建議選用市面上最常見的等邊角鋼，角鋼尺寸為 63×5mm。
（3）膨脹螺栓數量：每塊角鋼的長度與所用砌塊尺寸相似，2 個螺栓的設計強度即可以滿足抗剪要求又能使角鋼穩定。
本文通過有限元模擬與試驗研究得到的結論主要有：
（1）當填充牆採用頂端斜砌擠緊的剛性連接方式與框架結構連接的時候，水平作用下填充牆本身受到的應力較大填充牆對框架剛度影響較大，在 30%~50%之間，而且對剛度的影響隨砌塊強度的增大而增大；
（2）填充牆頂端用磚頂緊的試件在加載的過程中牆體出現大量豎向裂縫，主要原因是填充牆與框架緊密接觸，框架的變形使牆體承受豎向荷載而開裂；
（3）填充牆與框架柔性連接時能防止框架結構剛度過大，減小地震反應。在進行框架結構設計的時候可以提高結構周期折減係數，使設計更加經濟合理；
（4）當填充牆採用完全柔性連接（牆體與框架脫開、使用拉結筋連接）時，框架剛度較小，填充牆的應力較小，但框架對牆體的約束作用太小，地震作用時牆體的抗倒塌能力太低；
參考文獻（略）
收藏