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新的设计细节来提高普通钢筋部分灌浆砌体结构的抗震性能
m . 波哈萨尼博士。1;a .哈米德2;c·约翰逊3;F. L. Moon, M.ASCE4;阿图罗·e·舒尔茨
摘要:最近的研究表明，在发生强震时，部分灌浆(PG)砌体墙的性能很可能无法达到规范的预期。本文研究的重点是引入一个具有经济竞争力的设计细节，以提高PG配筋砌体剪力墙的抗震性能和安全指数。除了传统的单注浆竖向单元加单注浆梁的设计细节外，本研究还设计了另外两个细节，即双注浆竖向单元加双注浆竖向单元加单注浆梁加节点加固。试验结果表明，单注浆墙的破坏模式为低延性剪切为主，而修改后的设计细节导致了高延性剪切破坏模式的改变。非线性静力和增量动力分析结果表明，与传统的设计细节相比，采用该增强细节可以显著提高普通PG砌体的抗震性能。DOI: 10.1061 / st.1943 - 541 x.0001620(第3期)。copy;2016美国土木工程师学会。
作者的关键词:部分注浆砌体;联合加固;双灌浆单元;增量动力分析;非线性静动力分析;混凝土和砖石结构。
介绍
根据ASCE 7-10 (ASCE 2010)和《砌体结构建筑规范要求与规范》[TMS 602-13/ ACI 530.1-13/ASCE 6-13又称砌体标准联合委员会(MSJC 2013)]，配筋砌体剪力墙分为(1)特殊、(2)中级和(3)普通三种类型。分类是根据加固细节和预期性能和延性能力。这些墙可以完全灌浆(FG)或部分灌浆(PG)。由于PG墙中只有含有钢筋的单元是灌浆的，所以这种墙的大部分都是未灌浆的空心单元。因此，这种墙体的性能可能与FG墙体有很大的不同。PG墙具有经济上的优势，因为其易于建造和较低的材料成本。由于PG墙广泛应用于商业、工业和学校建筑，充分了解其行为并准确预测其强度是很重要的。
在砌体结构中，钢筋砌体墙被指定为主要的轴向和横向承重构件，在各种抗震设计类别中，只有某些类型的这些墙被允许用于抗震。本文只关注普通PG加筋砌体结构。这些墙可以
1博士后研究员，德雷塞尔大学土木、建筑与环境工程系，费城，PA 19104(通讯作者)。电子邮件:mb3238@drexel.edu
2德雷塞尔大学土木、建筑和环境工程系教授，宾夕法尼亚州费城，19104。电子邮件:hamidaa@drexel.edu
3明尼苏达大学土木、环境与地球工程系博士研究生，明尼苏达明尼阿波利斯55455。电子邮件:joh04739@umn.edu
4德雷塞尔大学土木、建筑和环境工程系副教授，费城，宾州19104。电子邮件:flm72@drexel.edu
5明尼苏达大学土木、环境与地球工程学系教授，明尼苏达，明尼阿波利斯，MN 55455。电子邮件:schul088@umn.edu
请注意。本稿件于2015年9月13日提交;2016年6月8日批准;2016年7月22日在网上发布。讨论期至2016年12月22日;每一篇论文必须提交单独的讨论。本文是《结构工程学报》的一部分，copy;ASCE, ISSN 0733-9445。
用于抗震设计类别(署),B和c PG加固砌体墙的抗震性能系统没有很好地开发,只有少数研究如Matsumura(1987、1988),加尼姆(1992),Ghanem et al。(1993),舒尔茨(1996 A, B),舒尔茨和哈钦森(2001),因et al。(2001),Voon和英(2006),Voon (2007), Vanniamparambil et al。(2014),约翰逊和舒尔茨(2014),ElGawady(2015),和Bolhassani et al。(2014年,2015 A, B, 2016,b)已在该系统上进行。
在这些研究中，Nolph(2010)、Minaie(2009)、Minaie等人(2010))、Koutromanos和Shing(2010)以及Nolph和ElGawady(2012)都发现了这类建筑的潜在问题。首先，它们的性能(强度、破坏模式等)比FG砌体更难预测和更不一致。其次，ASCE 7-10中PG壁的响应修正系数R可能不符合FEMA P695 (ATC 2009)的性能和安全标准。
ASCE 7-10规定普通承重加筋砌体墙体系的R和过强(omega;)系数分别为2和2.5。最近，美国联邦应急管理局(FEMA) P695计划(ATC 2009)提出了一种用于抗震设计的可靠量化建筑系统性能和计算建筑物响应参数的推荐方法。这些全球地震性能因素，包括R， omega;，和挠度放大(Cd)的因素，是根据方法论中提出的合理基础计算的。这种方法通过要求结构崩溃的可接受的低概率来达到其极限状态。这需要通过执行增量动力分析(IDA)，而系统受到最大考虑地震(MCE)地面运动。原因素已分配到结构系统的基础上的工程判断，定性比较最熟悉的系统，设计师，以及测试墙在设计地震的结果。在规范中，PG墙的低R值意味着这些系统在设计地震中不能承受严重的非线性变形。为了满足方法的要求，对墙体进行了MCE地震动试验。然而，在像MCE这样的极端地震事件下，这种墙体的性能还不太清楚。
根据方法,可接受的性能被定义为两个基本崩溃的预防措施:(1)崩溃的概率为多国评价地面运动不应超过10%,平均而言,在集团和性能(2)崩溃的概率为多国评价地面运动不应超过20%,每个索引性能组标本。Koutromanos和Shing(2010)对PG普通砌体墙进行了初步评估。结果表明，按现行规范规定设计的PG普通加筋砌体墙可能不符合方法学标准。根据他们的研究结果，为了接受在SDC C中使用这样的系统，在设计要求中可能需要降低R系数或进行其他更改(例如，减少垂直灌浆单元之间的最大空间或使用双灌浆单元)。
首先，为了确保PG墙在低概率但高后果地震事件中的安全性，需要仔细评估此类系统的抗震性能。如果现有的设计细节不能满足规范的限制和安全标准，需要开发一种新的方法，既具有经济竞争力，又与预期的地震风险兼容。因此，本研究的重点是PG墙与标准细节单注浆竖向单元和粘结梁之间的抗震性能的差异，提出了替代加固细节。首先，对常用的PG和建议的设计细节进行了实验和数值评价。通过监测墙体的抗剪强度、裂缝形态、破坏模式和延性能力，对墙体的循环性能进行了实验测试。然后，利用简化的微模型对每面墙进行数值模拟，以评估该系统在推覆和非线性动力学分析下的力学性能。利用数值模拟的结果，利用FEMA P695计算了该系统的整体抗震性能因子。采用Chi-Chi(台湾)1999年、Friuli(意大利)1976年、Hollister(美国)1961年、Imperial Valley(美国)1979年、Kobe(日本)1995年、Kocaeli(土耳其)1999年、Landers(美国)1992年、Loma Prieta(美国)1989年、Northridge(美国)1994年、Superstition Hills(美国)1987年、Trinidad(美国)1983年等地震动进行了增量动力分析。
提出了设计细节
根据MSJC和FEMA的规范，在高地震活动性地区，使用常规单单元粘结梁加固(SR)细节的PG墙表现不佳(Schultz 1996a, b;舒尔茨和哈钦森2001年;Minaie 2009;Nolph 2010;Nolph和ElGawady 2012)。这一问题的主要原因可以追溯到线性变化的弯曲应变的假设，而未灌浆的墙体部分被证明无法产生(Minaie 2009)。Schultz和Hutchinson(2001)、Schultz (1996a, b)和Minaie等(2010)的实验观察表明，PG壁的垂直灌浆细胞剪切破坏性能较弱。Schultz观察到大多数裂缝发生在灌浆和未灌浆的细胞之间。这些裂缝倾向于生长并扰乱水平钢筋的锚固区，在那里这些钢筋与垂直单元相交。因此，灌浆砌体构件和未灌浆面板之间的相互作用在垂直灌浆单元格和粘结梁的交点附近形成了脆弱区，容易受到破坏。其他研究人员对这种类型的损伤进行了实验报道(Ingham et al. 2001;Voon 2007;Elmapruk 2010;Nolph和ElGawady 2012)。double的用法(例如:提出了加强垂直单元和床的接缝加固，以避免和
延缓这一薄弱区域的破坏，从而提高了单个增强单元墙的延性能力。新结构采用了与原设计相同的水平和垂直钢比率。通过将竖向和水平钢筋放置在相邻的双单元中，粘结梁和竖向灌浆单元之间的连接将能够承载更多的弯矩，灌浆构件的性能与钢筋混凝土构件相似。此外，空心单元中的床缝加固可以更好地在灌浆单元之间传递应力。因此，这些元素的延性行为预期在这些墙。
对不同墙体的建造进行了简短的成本和时间估算。结果表明，增加1根粘结梁和增加2倍垂直灌浆池的施工成本和施工时间分别增加9%和7%。增加的施工时间主要是由于对粘结梁进行注浆。在每一层使用床缝加固和加倍垂直灌浆细胞也发现有7%的成本增加，对施工时间的影响可以忽略不计。时间和成本的估算是基于实验室施工的经验，与现场施工相比，可能会高估。
根据国家混凝土砌体协会(NCMA)，小尺寸床缝加固(即:“最初的设想主要是为了控制与水平热或湿收缩或膨胀相关的墙体开裂，并在捆扎砌体时作为砌体集水管的替代方案”(NCMA 2005)。然而，它们并没有得到模型建筑规范的广泛认可，因此使用它们作为结构加固，增加了杆的厚度，使其功能加倍。另一个实用细节是提出用床缝加固代替第二根粘结梁(同时保持标称钢量相同)。这个细节可以帮助墙壁的可施工性，同时利用现有的床缝加固。MSJC(2013)既没有规定PG砌体墙的加固方法，也没有限制用户使用单个垂直单元和单个粘结梁。事实上，这里研究的三个细节都符合MSJC (2013) PG砌体的标准，因为要求是通用的。
对当前和拟议的设计细节进行实验研究
3个足尺PG砌体剪力墙:(1)单单元配筋梁(SR);(2)粘结梁双单元加固(DR);(3)建立并试验了各层节点加固的双单元单粘结梁(DR-JR)。在试验过程中，墙体承受恒定的轴向载荷80 kN，并不断增加顶部侧向循环位移。纵向钢筋在SR和标本由一个D19和两个博士D13酒吧,分别如无花果。1所示(a和b)。墙DR-JR博士一样的垂直钢墙,然而,其债券梁只包含一个D13钢筋的9-gauge方棒(3.8毫米)直径times;9-gauge跨棒(3.8毫米直径)梯形联合强化每一个课程,如图1所示(c)。SR、DR和DR- jr试件竖向加筋率分别为净面积的0.103%、0.094%和0.094%。此外，SR、DR和DR- jr墙体的水平配筋率分别为0.072%、0.073%和0.069%。墙体尺寸和钢筋配置细节见表1。
图1所示。墙体配置:(a)单筋(SR);(b)双重强化(DR);(c) DR与关节加固(DR- jr)
所有的墙长5690毫米，高3860毫米。它们由200毫米的混凝土砌块(CMU)组成，这些砌块仅用灰浆涂在面壳上。粘结梁由封闭和开放式单元组成。对于单根粘结梁，所有单元都是u型门楣(Anchor Block Company, Minnetonka, Minnesota)，除了垂直钢筋穿过的地方
结合梁。这里使用了淘汰赛块。在双梁中，下部的横梁采用u形过梁，顶部的横梁采用敲除式横梁，使两道横梁成为连续梁。根据MSJC(2013)的要求，每根粘结梁都包含一根钢筋，该钢筋被钩在墙体边缘的垂直钢筋上。粘结梁，无论是单根还是双根，都放置在墙的底部、中等高度和顶部。垂直钢筋沿墙体分布在四个位置，均匀间隔，将墙体分成三份。一根启动杆被锚定在钢筋混凝土基础上，然后通过一个搭接，一根垂直杆穿过墙的高度。
在钢筋混凝土基础中设置墙体SR起动筋。然而，为了重新使用地基，其他两面墙的启动杆使用环氧锚固系统安装。DR-JR墙还包含了床缝加固放置在每个过程中。每个试件建在457毫米深的钢筋混凝土基础上。另外两个灌浆层被放置在每面墙的顶部，作为垂直加固的锚定和作为测试的加载梁。这两个球场都用D13杆加固。
测试设置
设置包括一个钢筋混凝土基础绑住和posttensioned强劲的地板,混凝土重力质量放在墙模拟轴向载荷,两个钢角度作为连接水平驱动器和墙之间,出平面支持和一个独立的外部列站在外面的设置线性可变差动变压器(线性)的水平位移传感器记录标本。最后的安装示意图如图2所示。执行机构通过由两根柱、两根支撑和一根加载梁组成的钢加载框架发挥作用。
墙施工
所有的竖向钢筋单元都包含顶部弯曲90°的钢筋，以便锚固在荷载梁中;三根水平底部粘结梁包含有180°钩端钢筋。角钢摩擦连接，接受来自执行器的循环准静态载荷，支撑混凝土重力质量，如图2所示。所有其他的构造细节在三个标本上都被复制了。
砌体板的各个部分的材料测试被用来验证墙是用高质量的材料建造的，它在荷载下的破坏是设计目标的代表，而不是不良施工的反映。注意在每一组墙之间复制相同的砂浆和浆液的混合条件。根据ASTM C1019 (ASTM 2014b)的规定，为了创建浆液样本，模板由代表现场施工条件的砌块制成。灌浆抗压强度为29.2 MPa[变异系数eth;COVTHORN;frac14;4.8]。根据ASTM C109/C109M (ASTM 2002)的要求，S型砂浆以立方体形式放置，并允许固化后放入一桶
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