DOI:10.13204/j-gyjz2013.s1.180 钢结构 钢框架－填充墙结构的发展与研究现状* 袁昌鲁郝际平钟炜辉 （西安建筑科技大学土木工程学院西安710055） 摘要：闸述了钢框架-填充墙结构的受力特性和简化计算模型系统回顾和总结了其理论分析、试验 研究和数值模拟等多方面的爱展和研究状况.
最后针对此种结构的研究不足指出今后应对钢框梁与填充 墙连接方式和填充墙开洞情况对结构性能的影响开展系统研究.
关键词：钢框架-填充墙结构：计算模型：抗侧刚度；研究状况 DEVELOPMENT AND RESEARCH STATUS OF INFILLED STEEL FRAME STRUCTURE Yuan Changlu Hao Jiping Zhong Weibui ( Xi' an University af Architecture and Technology Xi' an 710055 China) Abstraet: This paper expounds the mechanical characteristies and simplified analytical model of the inilled steel frame structure it also syslemically reviers and outlines the state-uf-the-at in behavior of infilled steel frame stucture. Several aspets with this strueture are illstrated incluing the theretical analysis esperimental stady and numerical simulation etc. At last considering the deficiency of cuent studly on the tnucture some peospects research on the influenee of the coenetiom between stel frame and infill walland the opening of infill wall on the performance of the system are offered. Keywords: infilled seel frame stcture analtical model; laeral stiffnessstate of the a 填充墙框架结构是建筑工程中广泛应用的一种1填充墙钢框架结构受力特点 结构体系多用于多层及小高层建筑，填充墙是框 目前在我国实际工程设计中不考虑填充墙 架结构建筑中重要的结构部件根据其作用的不同，参与受力视其为“非结构”构件，但参与了结构体 通常可分为两大类，一类单纯作为填充材料仅仅起 系的剪力分配，并与框架结构之间存在复杂相互 围护和分隔作用由砌块砌筑而成或采用轻质板材 作用.
填充墙与钢框架的相互作用表现在如 装配而成：另一类作为框架结构抗侧力构件与框 下：一方面外围钢框架约束填充墙体提供一定 架共同组成抗侧力体系如钢筋混凝土剪力墙、钢板 的“握裹“作用另一方面填充墙体对外围钢框架 剪力墙、带缝剪力墙等.
起到支撑作用.
由于钢框架对开裂后的填充墙提 在我国各类砌体填充墙往往是框架结构的围护 供了一定的约束在墙体的裂缝处产生摩阻力所 构件不考虑其对框架抗侧力的贡献.
然而在实际 以墙体仍具有一定的抗侧承载力，并且其抗侧性 受力过程中由于砌体填充墙与框架梁柱之间的耦 能会随着填充墙破坏的加重不断变化、钢框架和 连作用使填充墙框架结构的受力情况与纯框架的 填充墙共同工作抵抗水平荷载作用大致可分为3 受力情况有较大差异.
理论分析和试验研究表 个阶段（2）：1）弹性工作阶段，在承受水平荷载初 明填充墙框架结构的抗震性能明显优于纯框 期填充墙与钢框架接触面间形成周边初裂随着 架.
在水平荷载作用下填充墙与框架能共同工作， 水平荷载的增大，填充墙与钢框架对角接触部分 填充墙既能承受部分水平剪力，又改变了框架的受 力和变形性能其侧向总承载能力大于框架和填充 国家自然科学基金资助项目（51178381）.
墙体单独的抗侧力之和.
第一作者：袁昌鲁男1987年出生博士研究生 电子信箱： yel384384e 163. 收稿日期：2013 -01-20 Industrial Constuetion VoL. 43 Supplement 2013 工业建筑2013年第43卷增刊307
裂缝开始加大，但裂缝尚未贯通，此时，钢框架的 应力和侧移均较小，仍处于弹性状态填充墙是主 要的抗侧力构件，如图1所示；2）弹塑性工作阶 段随着侧向力继续增大，填充墙与钢框架对角接 触部分的裂缝贯通并部分脱离墙面中部出现斜 裂缝并不断扩展，填充墙已开始破坏并逐渐退出 工作钢框架成为此阶段主要的抗侧力构件，如图 2所示；3）破坏阶段此时墙体与钢框架的黏结已 图4框架与填充壤内力分配 基本破坏墙体中形成贯通的斜裂缝基本退出工 形的发展对提高整体结构的承载力和抗侧移能力 作钢框架柱脚部位、梁柱节点以及梁端出现屈服 起到了不可忽视的作用 现象形成明显的塑性较，钢框架-填充墙结构总 为了便于计算分析，填充墙框架的计算模型 体承载能力达到极限状态，如图3所示.
侧向荷 主要有以下几种：1）墙框并联模型，如图5所示.
载作用下钢框架-填充墙结构的侧向承载力由3 这种模型认为框架和填充墙的侧移在横梁处相 部分组成：墙与框架梁界面间剪应力、墙与框架 同框架部分按刚架计算，填充墙视为在各层梁处 柱界面处法向应力及框架自身的抗侧能力，如图4 与框架用连杆相连接的悬臂杆，刚度和强度分别 所示.
由二者选加.2）等效斜撑模型，如图6所示.
T 将填充墙视为一根与墙同厚度、相当宽度的斜撑 杆铰接于框架平面，此斜杆只承受压力形成斜撑 杆与框架共同抗侧力.
3）填充墙元模型[如图7 所示.
采用墙板单元模拟填充墙体，由于实际工 程中填充墙被梁柱隔开，填充墙和框架接触面之 间只能传递剪力不能传递弯矩，且在横梁处框架 图1弹性阶段 与填充墙的侧移相等墙板单元上、下端设刚性横 梁4个角结点为只传递水平剪力而不传递竖向力 的较接点，并与四周梁柱节点较接.
4）有限元模 型如图8所示，一般的有限元模型中，使用梁 单元或壳单元模拟框架结构，用壳单元或实体单 元模拟填充墙，墙体和框架梁柱之间使用接触单 元或弹簧单元.
图2弹望性阶段 连 图5增框并联模型 等效对 图3破坏阶段 角支排 由上述钢框架-填充墙结构工作机理可知填 充墙参与受力提供抗侧力作用主要体现在弹性工 作阶段但当结构进入塑性阶段后填充墙并未全部 退出工作，它对钢框架提供斜对角撑作用-破坏时， 图6等效斜撑模型 由于墙体的存在，一定程度上阻碍了钢框架侧向变 308
增板单元 {Esh²sin2θ} (1) 式中：Ah为填充墙与钢框架的刚度比；E.为填充材 料的弹性模量；E.为框架材料的弹性模量；为填充 墙厚度；h为框架层高：/为框架柱截面惯性矩：0为 图7填充墙元模型 填充墙对角线与水平线夹角.
由于等效压杆方法忽略了钢框架的抗侧能力， 梁单元连接单元 并且不能充分表达填充墙钢框架在极限状态下的性 能故仅适用于弹性工作阶段的计算分析无法分析 光单元 其非线性变形和极限强度.
部分研究者提出了基于 塑性理论的分析方法.
Wood和 Liauwand Kwan[-等学者将塑性设计理论用于计算填充框 图8有限元模型 架的抗侧力极限强度经过修正等效压杆模型可以 2国内外研究现状 用于确定一些简单结构的弹性和非线性弹性荷载响 2.1国外研究进展 应.Wood提出采用刚塑性模型分析方法计算钢 从20世纪50年代中期开始国外研究人员开 框架-填充墙结构的抗侧力极限强度，该方法假定 始对内填充墙与周边框架之间的复杂关系进行研 仅在钢框架梁柱节点处形成塑性较梁柱构件均为 究积累了大量的研究成果.
刚性杆，填充墙处于纯剪状态，如图9所示.
Liauw 2.1.1理论研究方面 从1943-1954年Polyakov通过大比例模型试 填充体处 验研究了填充墙对结构承载力的影响，分析了填充 于纯界状态 墙体类型、加载方式及墙体开洞等因素对结构承载 M L 力的影响.
1956-1960年，Polyako{s-进行了三 Y [Fs't' 层三跨钢框架-填充墙试验提出可以用一个对角 图9Wod刚塑性模型 受压支撑来代替填充墙，首先提出了等效对角支撑 andKwan[在非线性有限元分析及试验调查的基 （Equivalent Diagonal Strut）的概念如图6所示-认 础上提出了塑性分析方法考虑了结构在加载过程 为框架和填充墙之间仅通过填充墙的受压区边界传 中的内力重分布根据破坏模式的不同用不同方程 递应力因此填充墙的作用更像桁架系统中的对角 来表达结构的极限承载力、通过有限元法进行参数 压杆，而不是剪力墙.
Holes和 Staford-Smith] 分析把等效压杆的宽度作为hcasθ的一部分： 也在研究同类问题时提出上述概念并指出：在钢框 6 = 0.86 架-填充墙结构中不考虑钢构件的轴向变形用一 （hcosθ）≤0.45（hcosθ)（2) Ah 两端较接、有效宽度为1/3填充墙对角长度的等效 式中的入由式（1）确定：基于前期的试验数据和 对角压杆来代替填充墙：在等效压杆的受压应变达 一系列有限元分析SaneinejadandHobbs采用极 到极限值时钢框架的抗侧承载能力达到最大.
同 限分析方法发展了一种非弹性方法来计算钢框架- 时Stafford-Smith进行了一系列填充墙柔性钢框 填充墙结构的横向极限荷载及开裂荷载.
该方法仍 架试验试验过程中的变形监测表明：约3/4框架构 将填充墙体等效为斜压杆并对等效压杆的面积计 件长度范围内的填充墙与框架分离，证明了用沿加 算方法进行了改进，考虑了墙体高宽比、梁柱刚度、 载对角线方向的压杆等效替代填充墙体的有效性.
承载力及填充墙延性的影响，其分析所得的开裂荷 Stafford-Smith采用有限差分法研究填充框架时， 载、初始刚度及极限承载力与试验数据吻合较好.
进一步修正了等效对角支撑运用能量和静力平衡 此方法与LiauwandKwan提出的方法类似区别 的方法建立了填充墙体与框架构件接触长度间关系 在于：考虑了框架与填充墙之间的接触摩擦力，且假 表达式通过分别计算填充墙和框架的承载力来评 设塑性较只在加载角部出现，如图10所示.
Mo- 价整个结构的承载力提出一个与框架和填充墙特 alam提出了考虑框架和填充墙体界面滑动的等 性有关的等效压杆宽度的表达式.
效对角支撑模型压杆的有效尺寸采用经验修正系
数来确定， 人满意.Mosalam等完成了5福混凝土砌块填充 f 墙钢框架的拟静力试验试验研究了框架几何尺寸、 墙体开洞和不开洞以及材料强度等因素的影响在 试验的基础上提出了该类结构的滞回模型同时从 填充墙的应变和变形测试显示中发现墙体确实存在 等效斜杆区域.
A.M.Memari等人对一座施工 图 10Saneinejad and Hobs 塑性机构破坏模式 期间的六层填充墙钢框架结构进行了足尺模型的环 Wael W. EI-Dakhakhni Mohamed Eigaaly and 境与强迫振动试验环境振动试验分两个阶段进行， AhmadA.Hamid2认为单杆对角支撑模型不能反 第一阶段为仅建成框架和楼板时，第二阶段则是施 映填充墙与钢框架之间接触长度对结构的影响，于 工完成了墙体：强迫振动试验则在部分墙体施 是利用有限元分析软件ANSYS对填充墙钢框架进 工完成后进行、该试验测得了结构体系固有频率、 行了深入的研究，提出三支杆等效对角支撑模型 阻尼比和模态等动力特性.
研究表明高压加气混 （Three-Strut Model）（如图11所示）将填充墙等效 凝土（ACC）墙体对钢框架有一定的刚度贡献，但不 为与钢框架铰接的三个压杆.
通过结构极限状态分 如砖和混凝土砌块的显著.
Roger D.Flanagan and RichardM.Bennet对黏土空心砖填充墙钢框架 析得到各计算参数考虑了结构的非线性.
该模型 能从整体性能上描述填充墙对外围框架的影响，能 做了9组足尺模型的低周往复加载试验.
试验表明 够较真实地反映框架梁、柱构件的弯矩和剪力分布 填充墙均发生了角部压碎破坏，且破坏模式对 特点三支杆的总面积为： 框架特性不敏感.
研究认为，墙体的角部压碎荷载 仅与墙体材料的强度和厚度有关，建议使用分段线 4= cos8 性等效压杆来模拟填充墙体的刚度.H.A.Mogh- 式中：α.为填充墙和框架柱的接触长度与填充墙高 adam[研究了内填砌体墙或混凝土墙钢框架在水 度的比值；α为填充墙与框架梁的接触长度与填充 平静力往复荷载作用下的开裂强度，试验过程中在 墙宽度的比值：/为填充墙宽度：a为填充墙与框 较低荷载水平下砌块黏结界面处就出现开裂和相 架柱间接触正应力：，为填充墙与框架梁间摩擦 对滑移且开裂逐渐贯通发展成为对角线开裂形态， 力：f.为填充墙材料抗压强度；其余符号同式（1）.
而混凝土墙则是在角部压碎.
研究表明砌体墙的 抗侧能力和刚度比混凝土墙低，但其塑性和变形能 梁柱节点-三版杆等效对角支撑 力却更好；若墙体与框架的连接牢固则能较好地改 =A4 -AQ 善此二类填充墙体钢框架的力学性能- 国外试验证明，填充墙在侧向力较小时会与框 A-A0 架协同工作；随着侧向力的增大填充墙在斜向受拉 / 的角点上与框架脱开在斜向受压的对角线上形成 对角受压斜杆显著提高结构的承载力和刚度 图1三支杆等效对角支撑模型 2.1.3数值分析方面 2.1.2试验研究方面 数值分析是研究钢框架-填充墙结构的另一有 以上研究都是将钢框架和填充墙体复杂的相互效手段.
作用关系以宏观简化模型的形式加以表达从而在 为了更好地反映填充墙对结构的影响20世纪 研究整体结构的刚度、承载力、延性等方面给出相应 70年代以来许多学者开始采用有限元模型来分析 的设计准则.
这类问题的另一类研究方法是采用大 这种结构Mallick and Sevem在1967年首次采用 比例模型试验研究.
这种方法来描述填充墙框架结构的受力性能采用 DaweandSeah通过大比例模型试验对填充 具有2个节点自由度的四节点矩形平面应力单元模 框架的性能进行了研究.
在单调振动荷载下对钢 拟内填充墙考虑了填充墙的各向异性.
Thinuveng- 框架-砖砌填充墙结构的动力性能进行试验并且 alam2采用有限元分析方法利用等效单对角支撑 采用单自由度模型、支撑框架模型和等效对角支撑模型和等效多对角支撑模型对开洞填充框架的自振 模型分别考察了试验的动力反应结果表明等效对频率进行了研究.
多重压杆模型，能够预测框架一 角支撑模型在预测填充框架的动力反应结果上不令 填充填的分离部位.Achyutha(等建议一种选代 310
有限单元法分析模拟了有洞和无洞填充框架的弹 著的组合作用关系在侧向荷载作用下填充墙起到 相结合来分析该类结构前者单元用于框架部分后大初始刚度提高40%-60%，承载力增幅为65% 者单元用于填充墙体部分.MayandNaji发展了 左右而钢框架的周边约束作用使填充墙的延性大 一种非线性有限元方法模拟了混凝土板填充钢框架 大提高，在理论分析的基础上，提出了钢框架-填 在单调和反复荷载作用下的性能.
在采用有限元分 充墙结构抗侧刚度简化公式与试验结果吻合较好.
析这种结构时填充砌体的模拟相比框架的模拟更 武汉理工大学的彭少民-等人对钢框架- 为复杂，Ridingtan采用平面应力有限元方法分 复合填充墙结构进行了拟静力试验及相关连接节点 析了侧向荷载作用下该结构的工作性能在分析中 的试验研究了其抗侧力性能和滞回性能得到了这 采用了连接单元描述了墙框间的界面状态连接单 一体系的滞回性能、刚度关系、耗能性能、延性系数 元在垂直界面方向有相同的位移.
J.L.DaweC. 和破坏形式等特性并与纯框架结构作了对比分析.
K.SeahandY.Liu在总结前人研究成果的基础 同时利用有限元软件进行非线性分析，得到此结构 上将步长和选代的非线性分析方法用于内填充墙 的顶点荷载-位移曲线、刚度退化曲线、骨架曲线和 钢框架的分析中提出了一系列由不同弹簧单元组 框架、墙体在水平荷载下的等效应力云图其计算结 成的适合不同结构单元的模型，并编制了相应的计 果得到了试验数据的验证吻合良好.
通过试验研 算程序.
该计算模型解决了以下几个较难处理的问 究和数值分析表明填充墙钢框架结构的抗侧刚度、 题：1）框架与填充墙之间的复杂相互作用，包括二 极限承载能力和延性均优于纯钢框架是一种性能 者之间的缝隙、接触、摩擦以及分离和重接触等：2） 优良的抗侧力体系：填充墙体约束了框架结构的水 由开裂引起的填充墙非线性行为以及角部的压缩； 平位移改善了框架结构的受力及变形性能对框架 3)钢框架杆件在弯剪共同作用下出现的塑性较.
1. 结构提供斜向支撑作用，该结构体系用于低多层钢 N.Douxoumis为获得填充框架的定性分析结果， 结构住宅中既可作为结构的内隔墙或围护墙体又 对单层单跨填充框架进行了单调侧向加载下的参数 能够充当结构的抗侧力构件：侧向荷载作用下钢框 分析.
着重分析了框架与墙体的接触条件、网格密 架与填充墙之间存在分离区域和接触区域，框架和 度、摩擦系数和梁柱刚度比等多个因素对结构的影 墙体通过接触部分进行有效的外力传递协同工作； 响对于结构的整体分析而言墙体划分4×4=16 空腔砌体填充墙钢框架结构体系的承载能力和初始 个单元即可获得令人满意的模拟结果.
尽管文中模 刚度较纯钢框架有很大提高，但其延性不如纯框架 型较为简单且限定材料在弹性范围内，但是得到的 结构.
结论可推广到更为复杂的模型中.
由于一般软件不 河海大学的李国华对钢框架内填混凝土墙 能较好模拟砌块之间的相互作用，故AminMohe-结构体系进行了非线性有限元分析，得到了该体系 bkhah[]利用专业离散单元法软件Universal Distinct在 在水平单向荷载作用下的抗侧力性能，分析表明， ElementCode（UDEC）对带洞口砌体钢框架建立了 钢框架内填混凝土墙结构体系的变形及受力特性不 二维数值模型进行了该种结构体系在平面内单调 同于纯钢框架在受力过程中框架与填墙之间会出 荷载作用下的非线性静力分析，用该软件建模时可 现分离区域，两者通过接触部分有效传递外力并协 以考虑结构的大变形和砌块之间的转动.
分析结果 同工作：等效单支杆与三支杆模型均可有效模拟钢 表明填充墙体的开洞面积达到墙面总面积的17.5% 框架-填充墙结构的受力与变形关系：钢框架-内 时钢框架的抗侧承载力依然能够提高28%.
填混凝土墙结构体系的承载能力与初始刚度较纯钢 2.2国内研究进展 框架的承载力及初始刚度大，但其延性不及纯钢 近年来国内学者对填充墙钢框架结构性能的研 框架.
究也日渐增多，同济大学李国强等人对填充墙钢框 长安大学的卢林枫等人对玻璃纤维增强水 架结构进行了大量的静力和动力性能试验和分 泥轻质条板（GRC）墙板钢框架结构进行了低周往 析[3-3.
通过钢框架和填充墙钢框架结构的水 复荷载试验，得到了GRC填充墙钢框架的破坏形 平静力及低周反复加载试验得到了墙体对钢框架 态、滞回性能、延性和耗能能力，并与纯钢框架进行 抗侧承载力和抗侧刚度的影响数据和两种钢框架结了对比分析研究了CRC墙板对钢框架结构承载力 构的滞回性能提出了填充墙体和钢框架作用的三和刚度的影响.
试验表明GRC填充墙钢框架在承 阶段理论，研究表明填充墙与钢框架间存在着显 载能力、抗侧刚度、耗能能力等方面均优于纯钢框 311
