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土木工程
带砌体填充墙的钢筋混凝土框架由于失去支撑柱而承受面内重力荷载的能力
以色列海法32000技术学院土木与环境工程系和国家建筑研究所
文章信息
文章历史:2016年5月29日收到2017年2月22日修订2017年2月23日接受2017年3月9日在线提供
关键词:砌体 钢筋混凝土构架 填充墙 渐进坍塌损伤 结构测试垂直载荷 故障机制 柱崩塌
摘要
本文主要研究典型的填充墙钢筋混凝土框架结构及其在极端事件中的作用。极端事件(即局部冲击、爆炸或地震)可能会严重损坏支撑框架柱，并导致框架(或建筑物)完全或部分渐进倒塌。由于砌体填充墙的结构阻力及其与周围钢筋混凝土框架的复合作用，重力荷载作用下缺失柱支撑点处框架挠度的增加可能会受到抑制。在本研究中，砌体填充墙的复合作用通过由钢筋混凝土框架包围的砌体墙组成的简化试件的实验室试验来检验。它旨在评估填充墙的贡献，试图检查填充墙对裸框架的附加阻力及其对排气前渐进倒塌的可能贡献。本文介绍了在沿柱轴单调垂直荷载作用下，对七个无支撑柱的钢筋混凝土填充框架进行的半尺寸室内试验结果。结果表明，与裸框架的阻力相比(平均约280%，最高可达500%)，砌体填充墙显著增加了框架对垂直荷载作用的阻力。砌块类型和柱剪力连接件对破坏模式有主要影响。钢筋细节对框架性能有显著影响；建议改进的加固细节增加了几乎100%的阻力。
1.介绍
带有未加固砌体填充墙的钢筋混凝土框架在全球住宅和公共建筑中普遍使用。近年来，人们越来越关注结构上的极限载荷，如冲击和爆炸，以及其他导致的损伤模式，包括逐渐倒塌。后者可能是由于底层钢筋混凝土框架支撑柱局部严重损坏造成的。局部严重失效是支撑损失的原因，其可能影响整个框架或结构或其主要部分，并导致部分或全部倒塌。受损立柱的向下位移可能会扭曲支撑在立柱上的裸露钢筋混凝土框架，从而产生超出其承载能力的弯曲并导致故障。在填充框架的情况下，填充砌体可以与钢筋混凝土框架相互作用，抑制其变形，增加其刚度和承载力，并有助于将荷载重新分配到相邻跨度，从而通过交替稳定的荷载路径抑制可能的倒塌。尽管这个问题很重要，但是几乎没有涉及，大部分注意力都放在承受横向荷载的填充墙上，与地震荷载有关。旨在研究钢筋混凝土填充框架性能的少数试验研究与内部柱损失[1-3]有关。没有关于外围立柱损失情况下复合墙体性能的实验研究，尽管外围立柱在汽车碰撞或建筑立面附近发生爆炸时更有可能受损。
1.1 .柱损失分析中的砌体填充墙建模
通常，未加固的砌体填充墙被设计者视为非结构性墙，在结构设计中不予考虑。本文报道了一些旨在评价钢筋混凝土建筑抗倒塌能力的试验和数值分析研究。这些研究可细分为两大类，它们在填充墙模型方面有所不同。在第一组中，填充墙用连续线性壳单元[4]建模。该模型不能解释裂缝，仅适用于线性填充墙行为。第二组使用支柱为填充墙建模的元素。通常使用连接到[4-6]梁柱节点的单个支柱；在几项研究中，还使用了多个支柱，[7]。单支柱方法不允许评估钢筋混凝土框架中的实际弯矩和剪力，因为它们不模拟填充墙和周围框架之间的相互作用。具有非对角撑杆的多个撑杆引入了与钢筋混凝土框架的离散接触，然而这些是与框架的预定接触的简化模型，与砌体填充物和钢筋混凝土框架之间的可变连续接触压力分布无关。在所有这些研究中，填充墙的性能都是基于早期的试验、分析和数值研究，即框架填充墙在侧向荷载而不是竖向荷载作用下的综合性能。这主要是由于缺乏关于垂直荷载作用下复合墙体性能的知识，本文旨在研究这一问题。横向力作用情况的简要概述如下。
1.2 .横向荷载下框架和填充墙的性能
钢筋混凝土填充墙框架建筑在强震下的性能在很大程度上取决于框架和填充墙的复合作用，后者提供了相当大的抗剪能力。因此，在过去的几十年里，已经为调查其行为做出了大量努力。其中许多研究集中在一栋建筑中典型的单个隔间、单层墙，以及当地常用的砌块类型。广泛的研究检查了几个主要的控制参数，例如:墙的几何形状、墙上的窗户开口、砌块的类型及其几何形状、框架的梁柱刚度、钢筋混凝土框架中的钢筋细节、墙的施工方法、垂直荷载的影响等。[8-14]。一些研究扩展到包括总体建筑参数，如层数和间隔数[10，15，16]。以色列的建筑主要是用空心混凝土砌块或轻质热压养护加气混凝土砌块建造的。它们不同于许多其他国家使用的其他类型的砖，是在上述许多实验研究中使用的典型砖石填充物。因此，有必要研究钢筋混凝土框架的复合墙体在侧向荷载下的性能，钢筋混凝土框架中填充了以色列典型的砌块以及[17]。
1.3 .砌体填充墙破坏模式
根据不同参数的组合，审查典型墙体在主要是静态或准静态横向载荷下的累积试验结果，确定不同的损伤模式；主要识别的损坏和失效机制是[18]:角挤压、剪切滑动、对角挤压、对角开裂和框架失效(图1)。
1.4 .基于侧向荷载行为的砌体填充墙模型
这些观察结果推动了模拟复合墙体行为的分析方法的发展。最常见的模型是用一个压缩的斜撑来表示填充墙。[19-21]广泛研究了这种等效支柱的特性，联邦应急管理局(FEMA)采用这种单一等效支柱方法作为建议的设计模型[22-24]。支柱方法已经扩展到包括几个相邻的支柱[18、25、26]；然而，对于等效支柱参数有相当不同的建议，其实施会产生不同的结果。将这些模型预测(包括不同的支柱参数)与实验结果进行比较，显示出广泛的分散性。这也表明支柱模型过于简化了复杂的复合墙体行为。实际上，对实验结果的仔细观察表明，在整个加载过程中多次出现几种损伤模式的组合。单一等效支柱方法不能代表任何模式及其组合，事实上，它只能模拟主要建筑在水平荷载作用下的刚度，并且在试图代表整个墙体性能直至达到失效时存在固有缺陷。
除了简化的分析模型之外，还存在先进的建模尝试，主要使用有限元公式，建议使用微型模型[27对填充墙进行详细描述和建模，其中需要对每个砌块和砂浆界面进行建模。分析和数值模型支持试验观察，即砌体填充墙无疑对复合墙体的结构性能有显著影响。这些模型的阐述和讨论超出了本文的范围。
1.5。横向和垂直载荷行为之间的差异
应注意的是，同一典型墙体的横向和竖向荷载行为之间存在相当大的差异，其中可以提及墙体几何形状(长宽比)、荷载作用线相对于砌体填充墙砂浆层方向的相对位置、具有不同刚度和钢筋细节的柱和梁的相对位置、墙体构造细节(如剪力键、浇筑挡块)的不同位置等。因此，基于一般荷载研究的砌体墙众所周知的模型的使用引起了对它们在垂直荷载情况下的适用性的怀疑。
1.6 .知识的总结和差距
上述审查描述了缺乏关于砌体填充墙在结构对竖向荷载响应中的作用的知识，这是由于支撑柱的损失。模拟渐进崩溃机制的演变及其分析的尝试通常基于所借用的知识和数据
图1。侧向荷载作用下砌体填充墙框架的典型破坏模式。
从墙体对侧向荷载作用的反应来看，这可能有根本的不同。因此，需要可靠的结论性试验数据，以了解砌体填充墙在垂直荷载作用下的性能，而这种数据的缺乏阻碍了可靠的分析和数值模型的发展，以模拟支撑柱失效情况下复合墙的复杂非线性性能。一方面缺乏知识，另一方面这个问题对建筑物的安全和稳定非常重要，这就迫切需要研究这个问题，并激发了这项研究。
本研究旨在研究在失去支撑柱的情况下，具有典型砌体填充墙结构的复合钢筋混凝土框架的性能。一种准静态简化方法建议对典型的墙进行研究，该墙的柱子承受重力载荷，其中缺少一个柱子支撑。在这一阶段，不考虑柱失效的动态方面和由此产生的框架响应，而是关注支撑柱损失后形成的新结构系统的准静态载荷。尽管在这些条件下的复合墙性能是评估建筑承受支柱损失和防止连续倒塌事件的能力的关键因素，但没有实验研究可以说明外围支柱损失情况下的复合墙性能，并直接针对该问题进行可能的建模。本研究第一阶段的结果如下。
2.实验计划
2.1 .初步考虑
决定试件的几何形状和圬工砌块的类型应与早期一系列试验中使用的相似，在这些试验中，试件承受水平循环荷载，[17]。这种考虑可能会使受到不同荷载作用(横向和纵向)的类似墙之间的未来比较成为可能。因此，采用了按比例缩小的单层填充框架模型(1:2)。这个方案在许多实验研究中很常见
图2。地板平面；(b)移除外围柱的截面。
砖石填充框架。这不仅是实验研究中最简单的方案，也代表了整个多隔间多层建筑墙的一个单元。在该方案中，钢筋混凝土框架-砌体墙的相互作用得到了很好的体现，尽管该单元的顶部、底部和侧面的相邻墙的约束作用被排除。类似的考虑同样适用于横向载荷和垂直载荷。值得注意的是，在钢筋混凝土框架建筑中，砌体填充墙可能存在于(也可能不存在于)几乎每个内部单元中。在垂直载荷的情况下，单元电池更好地代表外围柱(例如，图2中的A2柱)的情况，该外围柱在建筑物正面附近发生爆炸的情况下可能被严重损坏。然而，对砌体填充墙和约束钢筋混凝土框架之间相互作用的研究也将增强我们对复合墙体上支撑柱失效效应的理解。
使用的砌块不是空心混凝土砌块就是轻质蒸压加气混凝土砌块。这些街区在以色列建筑中非常常见。
钢筋混凝土框架设计用于代表典型的相对较旧的现有3-5层住宅建筑，这些建筑建于大约50-60年前，大部分是在抗震规范生效之前。这些建筑的特点是最小尺寸为20厘米的侧柱。在典型框架的平面图中，它显示为具有20厘米宽的窄柱或具有在墙壁平面中提供更大刚度的宽柱(40厘米)的框架。在按比例缩小的模型中，柱的最小尺寸以及壁厚为10厘米。砌块和砂浆层的尺寸也相应减少了1:2的比例。
2.2 .主要设计参数和样品特征
如表1所示，准备了七个样品，用于测试各种设计参数组合。考虑了每个设计参数的两个备选方案，它们用0和1表示。
2.2.1。梁/柱相关刚度
在刚性柱中，横截面为200/100毫米(200毫米宽)，模拟全尺寸200/400毫米的柱。在柔性柱中，横截面为100/200毫米(100毫米宽)，模拟90°旋转方向上的相同横截面积。所有样品的梁横截面(100/200毫米)保持不变。
这些参数的细节如下。
2.2.2。框架中的加固细节
测试的前五个样本表明钢筋混凝土框架存在缺陷；因此，在浇筑最后两个试件之前，在它们中实施了改进的钢筋细节，具有以下特征(图4):根据普通的现代抗震设计实践，在拐角附近增加了箍筋密度，以提高钢筋混凝土框架的抗剪能力；提供更长的搭接，以防止形成
设计参数
梁/柱相关的刚度 相对较低的刚性柱(“柔性柱”) 相对较硬的柱(“刚性柱”)
框架的加固细节 常规加固细节 改善加固细节
砌块类型 空心混凝土块 蒸压加气混凝土（AAC）块
在填充施工方法 非整体填充 整体填充
图3。带柔性柱和常规钢筋的样品的细节。
图4。带有刚性柱和改进钢筋的样品细节。
钢筋重叠区的薄弱截面；增加钢筋锚固长度以防止早期拔出损坏。这些变化增加了框架钢筋重量的22%。
2.2.3 .砌块类型
使用尺寸为250plusmn;150plusmn;100毫米的热压养护加气混凝土砌块和尺寸为260plusmn;100plusmn;100毫米的空心混凝土砌块，其空隙面积约为40%
图5。空心混凝土砌块:(a)标准100毫米砌块；(b)本研究中使用的区块。
(图5)。砌块尺寸符合采用的半比例模型。
2.2.4 .填充施工方法
研究了两种不同的施工方法:
a.整体填充墙:未加固剪力墙
在这种方法中，框架浇筑遵循砌体墙结构，从而在柱子和砌体墙之间形成未加固的剪力键。
b.非整体填充墙:框架浇筑先于砌体墙施工。
表2列出了具有相应设计参数的七个样品。样本由一个四位数代码标识，该代码按顺序(从左到右)表示四个设计参数的水平:梁/柱相关刚度；框架的加固细节；砌块类型；填充施工方法。
2.3 .标本细节
所选面板配置的细节在图3和图4中示出。其他配置的细节可以通过推理得出。图中给出了钢筋信息，钢筋按比例绘制。加固细节在半比例上模拟了结合钢筋混凝土框架的旧住宅建筑中采用的典型细节。混凝土的特征强度至少为20兆帕[28]，代表当时的混凝土要求，并代表当时在这种框架中通常实施的混凝土。
2.4 .材料属性
2.4.1混凝土抗压强度由三组100毫米立方体的测试确定，如以色列版本中所述
表2
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No. |
编码 |
梁/柱相关的刚度 |
框架的加固细节 |
砌块类型 |
填充施工方法 |
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1 |
0011 |
弹性柱 |
定期 |
空心混凝土 |
积分 |
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