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砌体填充墙在钢筋混凝土框架房屋地震反应中的作用评价：一个案例研究
巴里理工大学土木工程与建筑科学系，途径意大利奥拉博纳470,126巴里
文章信息
文章历史
于2011年3月25日收到初稿
于2011年7月12日修订
于2011年8月01日采纳
于2011年11月17日网站发布
关键词
砖混结构-充气钢筋混凝土建筑
现场测试
非线性静力分析
地震评估
摘要
在过去的几十年里，科学界广泛参与了填充砌体墙与钢筋混凝土框架在抗震结构行为中的相互作用的研究，无论是对新建筑还是对既有建筑都是如此。关于这个问题，为了评估砌体填充物对结构反应的贡献，提出了对N2法的一些扩展。本文对位于意大利南部卡拉布里亚地震高危地区的一座既有钢筋混凝土框架建筑进行了广泛的案例分析。这个项目可以追溯到70年代初，仅提供了垂直荷载的存在。为了收集应用安全评估程序所需的数据，并达到必要的知识水平，对该建筑进行了广泛的试验测试活动，以评估钢筋混凝土构件和填充墙的状况和质量。在适当的结构模型上进行了一些非线性静力分析。同时考虑裸框架结构和填充结构，以评价墙体对剪裁机构的影响。特别是，通过将不同的部分安全系数（PSF）分配到填充墙的力学参数上，对其进行了敏感性分析，以探讨其对建筑物整体结构响应的影响。
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- 导言
对钢筋混凝土结构震后破坏的观测清楚地表明，填充墙等非结构构件的存在对建筑物的抗震性能有着重要的影响。对于新建筑，现行欧洲抗震规范[1，2]假定，如果注意将填充与周围框架隔离开来，则填充墙可视为“次要单元”。这种说法允许在结构分析中忽略这些元素的刚度和强度。然而，二次元件必须能够吸收由地震作用引起的变形，并保持相对于其它作用的承载能力。现有建筑物的抗震评估经验，特别是那些只为竖向荷载设计的建筑物，已明确证明，填充砌体墙的行为往往像真正的主要单元，而且在结构反应中起着重要作用，因此，“非结构单元”的定义肯定是不恰当的[3]。
近年来，填充墙对钢筋混凝土结构地震反应的影响已被大量的试验研究和数值研究所广泛研究[4-7]。特别是，有人指出，正确分布的填充元件可以减轻水平位移，增加对横向作用的总体阻力。另一方面，平面和高程上的不均匀分布可能会产生负面影响，助长意外扭转作用的发生，并可能增加对敏感区域的地震需求，这些敏感区域的应力集中或延性要求过大可能会过早导致塌陷。一种典型的塌陷机制是软层塌陷(图1)。
图1.右：建在土耳其，阿加扎里，在伊兹米特地震之后。1999年8月17日：典型的第一层柱失效，填充墙有助于窗户周围的侧向刚度和短柱效应（Sezen Halil拍摄；加州大学伯克利分校EERC国家地震工程师信息服务机构的介绍。）左：拉奎拉，一座钢筋混凝土建筑最底层的软层机构（2006年地震）
关于填充墙在非线性结构响应中的作用，填充框架的推覆曲线与相应的裸框架有很大的不同。特别是，填充物的存在通常涉及将典型的弹性-完美塑性响应修正为峰值强度较高的曲线，然后在短位移范围内封闭陡峭的脱分[6]。
根据这些简短的初步意见，可以看出，可靠地评估现有钢筋混凝土框架建筑的地震反应应包括一个准确的填充板模型。
关于这些问题的科学文献可以主要分为两条研究路线。
第一次是对框架填充系统中元素相互作用的局部评价。第二次尝试将填充板的影响纳入全球结构反应[10，11]。无论如何，在这两种情况下，理论和数值研究都得到了旨在评价砌体填充墙的机械特性的实验活动的系统支持，以便对所提出的模型进行校准。
本文对填充砌体墙对钢筋混凝土结构非线性结构响应的影响进行了数值和试验研究。具体而言，这一问题是在一项相关案例研究的基础上提出的，其中包括位于高地震风险地区(意大利南部卡拉布里亚)的一座战略大楼(民防部办公楼)。根据现行抗震规范，对建筑物进行了完整的评估，包括检索现有资料，进行详细的地质测量，对结构单元的重要样本进行直接检查，对材料和结构构件进行现场和实验室实验测试。最后，采用非线性静力方法(推覆分析法)对结构的地震反应进行了分析，并对裸结构和填充结构的数值模型进行了性能比较。
本文的目的是通过对一个实际案例的分析，指出在结构模型中引入填充墙的一些看法和建议，以及由此引起的全球响应的变化，从而为测试和评价本场试验中的最新方法提供了机会。
实际上，本研究是以实验心理资料为基础的。除了具体获取有关案例研究的信息外，还提供了一项基本的参考，即一系列旨在对“70年代”意大利建筑行业中常用的填充砖墙进行力学表征的广泛试验结果[12]。对实验数据库进行了适当的处理，以便对N2法所依据的SDOF和MDOF系统进行灵敏度分析[13]。
所有的非线性分析都是采用2.2节描述的集总塑性模型进行的.
最后，在3.4节中，分别用原N2法和[6，14]中提出的最近扩展法对填充框架进行了裸露结构与填充钢筋混凝土框架的近负承载力的比较。第3.4.3节给出了按原N2法计算的位移和延性要求。
2.填充钢筋混凝土框架的非线性静力分析
2.1.一般N2法概述
N2法，最初由Fajfar[13]等人提出。随后在欧洲代码8[1]中实施，最近已扩展到填充框架[6，14]。在本段中，简要介绍了该方法，并特别注意了填充框架建筑的具体方面。
方法名的名称来自其两个不同的特性。实际上，字母“N”表示该方法是非线性的，而“2”是指使用两种不同的结构计算模型：一个多自由度(MDoF)模型，对其进行推覆数值分析；另一个“等效”单自由度(SDoF)系统，由以前的适当操作导出，用于设计响应谱的分析。
N2法的应用为MDoF系统的推覆曲线的确定提供了第一步，该曲线是通过加载恒梯度载荷的计算模型和单调增加的水平静载荷的适当分布得到的，其目的是将结构“推”到非线性熔接中。该过程一直进行到结构的极限状态。其基本思想是，得到的响应可以方便地表示所有可能的结构响应的包络，因此可以用来重新进行完整的非线性动力分析。在此基础上，推覆分析的最终结果是基础剪力V与控制点位移D之间的关系，通常取在楼顶的质心处。
分析中使用的侧用力的分布如下：
（1）
其中M是层质量的对角线矩阵；Phi;是一个适当的位移形状向量(归一化与控制点的位置有关)，at是控制荷载历史的标量参数。对于钢筋混凝土框架建筑，数值MDoF模型随后被转换成一个等效的SDoF系统，其等效质量定义为：
（2）
SDoF系统的容量曲线与地震需求直接可比，以便进行地震评估，如图2所示。地震需求应参考非弹性规范，该规范反映了结构体系的非弹性特征，并可从引入折减因子Ru的设计弹性谱中得到，Ru表示结构的延性，即耗能系统的能力：
（3）
特别是对应于双线性系统的加速度需求的折减因子(见图2)是由加速度需求(T*周期的弹性谱加速度)与加速度能力(对应于屈服力的谱累加)之间的比率给出的。
（4）
在文献中，根据结构类型的不同，提出了折减因子、延性和周期T*之间的几种数学关系，但它们往往忽略了填充板的存在。如果要在分析中引入填充小组的贡献，当然有必要为减少系数采用适当的公式，如下一段所示。值得注意的是，地震规范中使用的结构因素(如欧洲代码8中使用的行为因子Q)与简化因子并不相等。
图2.加速度-位移（AD）格式的评估程序
2.2.N2法在钢筋混凝土框架结构中的推广
N2法最初是针对无填充墙的钢筋混凝土结构而提出的，最近通过改变程序的某些方面将其推广到其他结构中。
特别是对MDOF的推覆曲线的处理进行了较大的修改，将其转化为“多线性曲线”而不是双线性弹性-完全塑性曲线，以更好地反映填充结构的力-位移关系。如图3所示，提出了填充框架的四线性力-位移关系，并与裸框架的双线性曲线进行了比较。
图中所示的四次线性曲线可分为四部分.第一部分描述了结构的初始响应，包括钢筋混凝土和填充单元的弹性阶段和裂缝的发展。第二种，在P1点和P2点之间，代表屈服阶段，通常包含很短的位移范围，因为填充体的延性一般较低。下一条软化线，从P2点到P3点，是填充结构的一个特殊特征，代表了板的逐渐坍塌所造成的强度损失。当所有的填充墙都达到极限状态时，对框架的阻力不再有额外的贡献，因此侧向力在F3对应的水平上稳定下来。从这一点开始，唯一能抵抗角质-周向荷载的结构是用裸框架表示的，在P3点处，两条曲线的收敛性达到一致，填充结构和裸结构的下一个行为是完全相同的。
应该指出的是，上述四线性关系仅适用于小位移，对于“弱填充”，其行为类似于二次元素。对于要使用的折减系数也需要适当调整。实际上，对于填充结构，应使用特定的关系[11]。
特别是，参照图4，还引入了额外的参数：
-填充结构在系统屈服时的延性：；
-所有填充板塌陷后的强度损失：；
-，其中是弹性谱常加速度区上限处的拐角周期，是谱的常位移响应范围的起始值。
在图4中，给出了带填充面板或不带填充面板的参考系关系的比较(对于填充框的二次线性曲线，给出了参数，和)。
需要注意的是，N2法的正确应用要求折流墙的非线性贡献在主元失效前消失，以保证在P3点后两种承载力曲线一致，当然，这种条件强烈依赖于主元和次元的力学特性。下文各段详细讨论了这一问题。
图3.裸钢筋混凝土框架的 图4.作为参考例子：
理想力-位移关系 填充RC框架与裸桢之间的比较
3.个案研究
3.1.住宅概况
分析的对象是位于科森扎省(意大利南部卡拉布里亚)的一座战略建筑，根据获得的信息，该建筑是在70年代初设计的(图5)。当时，现行地震法是1974年2月2日第64号法律和第03/03/1975号部级法令，在一般哲学和具体的计算和评估方法方面都已完全克服了这一点。
图5.建筑物的全景
该建筑有两层，结构由一套钢筋混凝土框架和砌体填充，排列在两个主要方向。建筑平面图是矩形的，具有Y方向的对称轴(图6)，在平面和高程上都可以被认为是足够规则的，正如3.4.1节所报告的模态分析结果所证实的那样。
平面尺寸主要为，层间高度一层为3.10m，第二层为3.9m。底层柱为正方形截面(40times;40 cm)，横梁宽40 cm，高50 cm。一楼柱均为长方形(30times;40 cm)，宽70 cm，高30 cm，中纵框架除外，柱宽40 cm，高110 cm。楼面有一个混合结构，由浇铸的混凝土结构，预制格子龙骨和空心瓷砖组成，总高度为25厘米。
填充物由空心砖制成，总厚度为25cm。采用带肋钢筋作为钢筋，并进行了广泛的现场检查计划，以评估主要结构元素中的钢含量(根据知识等级2[1，2]的要求)。根据检索到的资料，可以推导出梁端截面(如表1所示)和柱的反复配筋率，其纵向配筋在每侧由2phi;18组成，外加由phi;8箍筋提供的横向加固，每25 cm均匀间隔一次。
图6.底层结构图
表1.梁的典型加固
3.2材料的力学特性
在完成一般几何测量和旨在调查隐藏结构元素几何特征的直接检查之后，制定了一个详细的实验方案，包括现场无损检测和从结构元件中取出的试样的实验室测试，以评估材料的力学性能(图7a和b)。此外，对充填板进行了全面的回顾和分类。
图7.(a)从元素中提取样品(b)在实验室进行的压缩实验
3.2.1.钢筋混凝土结构
经实验室处理后，测得柱和梁的不同结构构件的抗压强度值如下(表2)。
3.2.2.砌体填充墙
关于砌体填充板的力学特性，可以参考作者先前进行的广泛试验研究的结果[12]，其中研究了卡拉布里亚在“70年代”使用的主要砌体墙类型。这份清单包括许多不同的安排和纹理，包括砖或混凝土空心砌块，包括在本案例研究中发现的砌体类型。特别是为了确定相关的力学参数(拉伸强度：，对角线弹性模量)，实验程序提供了对角线压缩试验的执行。对于具体的砌体类型，样品宽52.3cm，高43.7cm，厚25cm。试验是通过在试样的两个相对边缘上连接两个板来单调地施加一个增量载荷来进行的(图8)。破坏发生在约56 KN的倒塌荷载下，显示出沿砂浆接缝滑动开裂。最后获得的参数如下：
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