构造柱对受损钢框架填充墙抗面外性能的有限元分析

这些墙在地震中为何重要

当地震来袭时，填充在建筑框架空隙内的砖墙或砌块墙往往首先受到冲击。这些“填充”墙通常被视为非承重隔墙，但实际上它们在维持建筑整体稳固方面发挥着重要作用。本研究探讨了一种更简化的构造方法来建造嵌入此类墙体内的小型竖向构造柱，并提出了一个关键问题：这种简化的构造能否在单向震动使墙体发生面外失稳（类似书本从书架上掉落）时，仍然保护墙体和内部人员的安全？

地面运动时普通墙的表现

在许多现代建筑中，钢或混凝土框架的骨架被砌体墙填充。地震期间，这些墙与框架以复杂方式相互作用。它们能提高结构整体刚度并耗散能量，但也可能发生开裂和破坏。其中一个关键薄弱环节是面外失稳，墙体向侧向弯曲鼓起并可能向外倒塌。地震后的观察表明，在墙体内加入窄小的竖向“构造柱”可以显著提升其稳定性。然而，常规方法——现场浇筑这些构造柱——需要数天施工、精细模板与振捣，且常存在质量问题。

墙内更简便的构造柱方案

为了解决这些实际困难，作者研究了一种与墙体一同在单步中构建的预制构造柱。与先搭设模板后分次浇筑振捣混凝土不同，施工时在砌筑墙体的同时嵌入预制砌块和钢筋，再以灌浆方式填实缝隙。这种方法将单面墙的施工周期从三天缩短为一天，直接成本约降低30%。早期试验表明，这种预制构造柱比传统现浇柱更具柔性，这符合“刚性框架-较弱填充墙”的合理设计思路：主框架保持安全，而损伤集中在可替换的填充墙上。

用详尽的计算模型做虚拟震动试验

以既往的大型试验为参照，研究团队建立了三种高保真计算模型：一座单层钢框架配砖填充墙，分别为无内置构造柱、常规现浇构造柱、以及新型预制构造柱三种情形。他们精确地模拟了砖块、砂浆、钢框架、钢筋和接触界面，并先进行循环面内剪切（左右方向位移）模拟，随后施加推动墙体垂直于表面的面外荷载。这些数值模拟再现了实验中的关键现象，包括对角裂缝的形成、墙体局部的挤压或剥离，以及框架与墙体之间的荷载分配，从而增强了模型反映真实行为的可信度。

当墙体被面外推挤时会发生什么

结果显示，构造柱显著改变了墙体在面外荷载下的弯曲和开裂模式。未设构造柱的墙体中间区域被强烈向外推挤，裂缝以X形扩展，形成侧柱之间的单一拱架。存在现浇构造柱时，墙体实际被分成两个较短的板段，每段各自形成拱架，从而减小了中央的侧向鼓起并将裂缝转移到构造柱边缘。预制构造柱产生了类似的双拱行为，但破坏更多集中在其预制砌块间的接缝处，因为砂浆处更易受损。总体来看，两类构造柱都限制了墙体中部的最大面外位移。

强度的得失有多大

模拟数据突出了这些权衡。与无内置构造柱的墙体相比，现浇构造柱将面外承载力提高了超过一倍，而预制构造柱近乎将承载力翻倍。两者也都提高了墙体的延性，使其在失去强度前能发生更大的变形，并减小面内损伤对面外性能的削弱作用。然而，刚性较大的现浇构造柱在面内剪切时也会承受更大的力，这可能导致在随后面外推挤时产生更显著的局部破坏。相对来说，更柔性的预制构造柱在纯数值强度提升方面略小，但在墙体已发生面内开裂后的面外位移和损伤控制上表现更好。

对更安全、更快速施工的意义

对于非专业读者，核心信息很明确：在砖砌填充墙内加入细长的竖向构造柱，可大幅降低墙体在地震中或之后从框架中鼓起并倒落的风险，而巧妙的预制构造柱可以用更简单、更便宜的施工方式实现大部分这种保护效果。现浇构造柱在原始强度上仍然占优，但新型预制构造柱在安全性、延性、施工速度与成本之间提供了有前景的平衡。鉴于本研究聚焦于单层框架和一种墙体类型，在将结论推广到高层建筑或其他砌体材料之前还需更多工作。尽管如此，这项研究指向了一些可施工的细部做法，可能帮助普通墙体在地面开始震动时默默地承担起挽救生命的任务。

引用: Wang, Z., Luo, H., Lin, H. et al. Finite element analysis of a constructional column on the out-of-plane performance of the damaged steel frame-infilled wall. Sci Rep 16, 11177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39054-w

关键词: 砌体填充墙, 抗震工程, 构造柱, 有限元分析, 面外行为