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Engineering Structures 111 (2016) 233–245
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砌体填充钢筋混凝土框架（在低层建筑物）受侧向荷载的作用和失效机理
在两个阶段实验研究了11个半尺寸单层砌体填充钢筋混凝土（RC）框架在缓慢的循环平面内侧向载荷下的行为。第一阶段（8帧）获得的结果显示，填充满标砖和半标砖的框架比裸框框架具有更高的强度，刚度和能量耗散。在大多数情况下，即使使用的砖石非常薄弱，柱子的剪切也会失败。为了延缓柱的剪切破坏，根据现有的地震标准，柱的剪切设计得到了加强，并且在第二阶段的三个改进框架上重复了测试。尽管改进框架柱的剪切破坏发生在较高的漂移水平，但柱的剪切破坏不能防止，表明当前设计规范的不足。根据试验结果，建立了不同性能水平下砖混填充RC框架的理想载荷 - 位移关系。
1、介绍
砌体墙通常用作钢筋混凝土（RC）框架中的填充物，而不考虑它们在强地面运动下对侧向荷载的抵抗力。钢筋混凝土框架设计为在地震作用下表现出弯曲特性，并且在引入填充物时，虽然框架的侧向强度，刚度和耗能能力得到提高，但横向负荷阻力主要受柱的剪切性能支配。对砌体填充框架的侧向荷载性能评估的以往研究[1-5]的综合评述表明，当填充物的强度和刚度足够大时，填充物的局部破坏效应可能导致柱的剪切破坏。大多数过去的实验研究[6-9]报告，根据现行抗震标准的建议，框架内的柱体剪力破坏不符合框架设计。根据过去的研究[9-13]，观察到有几个因素对砌体填充RC框架的破坏机理产生了重要影响，包括纵横比，填充板开口，柱梁刚度比，柱子的轴向载荷比，填充类型和施工方法，层数和海湾等。Asteris et al。 [10]将填充帧分为五种不同模式（角落挤压，对角线压缩，滑动剪切，对角线开裂和框架破坏），基于过去的实验和分析研究[14,15]，据报道框架破坏模式，与弱框架强填充配置相关，尤为重要。为了解决这个问题，欧洲规范8 [16]，ASCE 41 [17]，MSJC [18]和Moretti et al。 [19]推荐方法来评估考虑到填充的影响列的剪切需求。还进行了一些分析研究[20,21]来预测填充框架中柱的剪切破坏，但由于建模的复杂性，这种预测方法可能无法提供真实的结果。从以往研究的建议中可以看出，填充框架需要设计成能抵抗来自填充物的过度剪切力。为了评估这些建议的有效性，并了解这些框架的失效机理，进行了一项实验研究，其中使用当前抗震标准设计的半尺寸RC框架进行了测试。也有人观察到，大多数过去的研究[19-25]使用固体粘土或粉煤灰砖，空心砌块或混凝土砖块作为填充物。在目前的研究中，框架填充了粉煤灰砖，与RC框架相比，发现其明显更软和更弱[22]。本文主要集中在评估强框弱填充结构填充框架的横向荷载行为。还评估了地震标准中设计规定在改善这种框架中钢筋混凝土柱的抗剪性能方面的有效性。此外，还评估了钢筋混凝土板对钢筋混凝土梁行为的影响。
2、RC框架研究
已经研究过位于印度最易受地震影响的地区之一阿萨姆邦的一座两层楼办公楼的外部地面楼层框架的半尺寸模型。通过在梁上提供平板并在框架的两侧将其延伸超过400mm的宽度来观察钢筋混凝土板对样本行为的影响（图1）。标本的柱子在一个尺寸为400times;350mm的RC梁上构成，以便在基座处提供固定。栏杆在两侧用滚动轴承钢框架支撑，以防止样本在平面内加载时出现平面外响应。基于在其上方层中的框架上方的支流区域计算施加到样本的垂直载荷。通过在钢筋混凝土板上放置RC板施加总的垂直载荷，对应于框架每一列的轴向载荷比（P / fckAg）约为1％，其中P，fck，Ag代表混凝土的轴向荷载，抗压强度，28天的立方体和柱子的总面积。由于实验室的限制，柱子上没有施加垂直荷载，并且与原型荷载分布不存在主要偏差，因为由于上层结构而作用在柱上的垂直荷载非常低。钢筋混凝土梁板提供的加劲作用相当高，此外，在框架浇筑完成之后，填充墙被建造。这种类型的施工实践显然在梁的拱腹和填充墙之间留下了间隙。因此，施加在平板上的垂直载荷不太可能转移到下面的填充墙上。
在过去的研究[6-9]中已经观察到，由于框架和填充物之间的相互作用（通常不设计柱子），填充RC框架的RC柱的剪切需求非常高。据观察，柱子的剪切破坏可能是由于柱子与强烈而坚硬的填充物相互作用而产生的，这些填充物可能会在地面层仅仅在单面接触时剪掉弱柱，或者可能是柱子通过减少柱子的有效长度来抵抗整个层间漂移，在部分高度上形成完整的填充柱效应。过去的研究没有考虑板的刚化效应，并且报道了梁和梁柱节点的失效。
目前，印度的三项标准涉及钢筋混凝土构件的设计[26,27]和细节[28]，其中IS 456 [26]涉及钢筋的一般设计考虑因素混凝土构件，IS 1893 [27]计算地震力和IS 13920 [28]钢筋混凝土结构受到地震力的延性细节。研究中考虑的原型结构是针对与印度最高地震带相对应的横向力而设计的，但根据延性细节指南[28]（设计横向剪力约为地震重量的15％）没有详细说明。为了评估双面细节的有效性，本研究设计了两种类型的框架（延性和非延性）。钢筋混凝土梁和非韧性裸框架试件的钢筋未详细表现出延展性。非延展性裸框的设计与根据ACI 318 [29]设计的普通框架框架以及根据欧洲规范8 [16]设计的框架相似，但未遵循局部延展性的详细要求。印度的可延展性详细规范（IS 13920）要求在梁和柱的预期塑性铰位置提供特殊的限制加固。然而，在韧性裸露框架中，钢筋按照IS 13920进行了详细描述，但没有提供特殊的限制钢筋。根据ACI 318 [29]，延性裸露框架的设计对应于特殊的抗弯框架，而不考虑不连续刚性构件的影响，并且其也符合根据欧洲规范8 [16]设计的用于高延展性等级的框架]，而不考虑由于砌体填充造成的局部效应。
表1给出了试样的详细资料，图2显示了延性和非延性框架的细部结构。延性和非延性框架的主要区别在于：抗剪钢筋的间距，钩的弯曲和抗剪钢筋端部嵌入混凝土芯的混凝土。 纵向钢筋在双向框架和非韧性框架中保持相同，构成关节的构件被详细描述为连续构件。 在非延性框架的情况下，在关键位置（距离顶部和底部梁的表面高达500mm）的列中的抗剪钢筋包括3条腿，直径6毫米，带110度间距的90°钩（图2（b））。 而在延性框架的情况下，柱子中的类似剪力加强度为90°间距的135°钩子，嵌入长度为棒材直径的10倍（图2（a））。
试验研究分两个阶段进行：第一阶段对8个试件进行了试验，考虑了钢筋混凝土构件的不同增强细节，并使用不同尺寸的砖块进行了砌筑。在第二阶段对三个样本进行了测试，以研究根据IS 13920要求提供特殊约束加固的影响[28]。使用两种不同尺寸的粉煤灰砖：全尺寸（230times;110times;75mm）和半尺寸（115times;55times;38mm）作为填充物，使用1：4（水泥：砂）混合砂浆构建，水灰比为0.6 。填充墙是通过铺设两种不同模式的砖建造的：为了在全尺寸砖和半尺寸砖的情况下保持类似的填充厚度，在全尺寸砖和英国债券的情况下为担架债券（运行债券）标砖样本。考虑到公寓型建筑物（3 m 3 m，高3 m）的一般房间尺寸，考虑了1.0的纵横比（h / l）。此外，为了研究通常采用的改造方法的有效性，通过在钢筋产生的区域焊接附加钢筋后更换损坏的混凝土，对受损的延性和非延性填充框架（试样3和4）进行了改造（试样5和6）。以下部分将对所有样本进行比较性的评估。
3、材料前景
通过对砌体及其成分，混凝土和钢筋进行测试，使用相关标准评估材料性能（表2）。混凝土的平均抗压强度（fck）为22.4MPa，弹性模量Ec约为23700MPa。粉煤灰砖单位（fb）和砂浆立方体（fj）的平均抗压强度分别约为5.7 MPa和17.3 MPa，弹性模量分别为3900 MPa（Eb）和7400 MPa（Ej）。压缩砌体棱柱强度（f 0m）约为3.9MPa，弹性模量Em为2700MPa。砌石钱包的平均抗剪强度（f 0v）
发现剪切模量Gm为730MPa时为0.14MPa。图3显示了粉煤灰砖砌体棱柱体和粉煤灰砖砌体钱包的细节。有关砌体材料性能的更多细节可以在Basha和Kaushik [30]中找到。发现粉煤灰砖砌体的抗压强度和刚度与常用的烧结粘土砖砌体相比明显较小[31]。
图3.（a）全尺寸和半尺寸砖的描述; （b）砌体棱镜; 和（c）砖石壁炉。
根据目前印度的施工实践，目前的研究中使用了三种不同等级的钢筋（表2）。 在第一阶段（试样1-8），最常用的屈服应力为460MPa的钢筋用作纵向钢筋，而用265mm的低碳钢钢筋（6mm直径）用作抗剪钢筋。 在第二阶段，低强度脆性钢筋的fy为365 MPa，用于钢筋9和10作为纵向钢筋，剪切钢筋由8 mm直径的钢筋组成，其中fy为460 MPa。 在试样11中，使用高强度的520-530MPa的韧性钢筋作为纵向和剪切（6mm钢筋）钢筋。
在过去的研究中，关于填充强度的强弱框架之间的区分并没有明确的界定。 Zovkic等人[25]和Mehrabi等人。 [6]定性地报告说，强烈的框架是为地震作用而设计的，其中柱和梁在临界区域附近具有较重的钢筋并且预期在延性模式下表现。 Kakaletsis和Karayannis [24]，Asteris等人。 [32]和曼苏里等人。 [33]根据框架和填充物的侧向强度定量报告框架填充构型，但没有定义区分相同的范围。基于这些研究，框架与填充强度的比率在本研究中定量确定。填充强度（Vinf）作为面板的剪切强度计算（Fv）乘以填充物的净迫击面积（An）。侧向力量（Vfr），假设塑料铰链形成在两端的柱子为4Mp /（h-lp），其中Mp是柱子截面的塑性力矩容量，h是柱子的高度，lp是塑料铰链的长度（取半个深度的列）。框架和填充物的侧向强度分别为40kN和23kN，比例约为1.7。
类似地，ASCE 41 [17]没有明1.3）。
4、实验步骤和设备
采用伺服控制的250 kN负载能力液压执行机构和行程长度为125 mm的缓慢循环位移荷载（图4）对框架试件进行了测试（图1）。使用位于执行机构臂中的称重传感器和位移传感器确说明框架填充配置的类型，但是定义了框架与填充强度的三个比率（lt;0.7，在0.7到1.3之间，P1.3）漂移。 考虑到框架（考虑裸框）和填充的预期层剪强度，在ASCE 41中计算框架与填充强度的比率（Vfr / Vinf）。 第一个比率（Vfr / Vinf lt;0.7）对应弱帧强加密配置，最后一个（Vfr / Vinf P 1.3）对应强帧弱加密配置。 因此，考虑到定性和定量估计，目前的系统可能被称为强帧弱填充配置（因为比率最大比为，外部LVDT（线性变化位移传感器）和应变仪连续记录实验结果。应用每个位移水平的三个周期，并使用数据采集系统记录响应。在立柱和基础梁的不同位置使用LVDT来记录横向位移。通过将基座梁固定在坚固的地板上来限制基座梁的滑动。四分之一桥，四个有线，线性应变计（HBM制造）被用来记录钢筋中的应变。应变计粘接在纵向钢筋上，从梁和柱的端面形成塑料铰链的最可能位置（图1）。以推（）和拉（ ）方向报告样品的最大侧向负荷阻力。在当前的研究中，当试样的容量降至其最大值的75％或即将发生故障时，试验终止。
5、样品的滞后反应
在缓慢循环加载时，试样的横向荷载行为以迟滞响应（致动器荷载 - 侧向变形）的形式表现在每个侧向位移水平的第一个循环中，如图5所示。在延性和非延性裸露框架 ，在达到侧向载荷能力之前和之后，滞后回路均匀分布。 与韧性框架相比，非韧性裸露框架表现出更高的钉扎量，因此消耗的能量更少。 在填充框架的情况下，最初环路紧密间隔直至达到侧向承载能力。
随着填充墙开裂并且沿着框架 - 填充界面产生间隙，发现滞后环不均匀间隔（即，横向负载阻力的轻微不均匀变化和由于充填失败后填充物的重组而观察到挤压）。 在填充框架的滞后环中挤压（试样3-8）在较高位移水平下更多地发音。 这表明在填充物显着损坏后，由填充物提供的阻力减小。 只有在框架达到其最大容量后，充填的框架才能发现韧性细节的有益效果。 与相应的非延性框架（全尺寸或半尺寸砖）相比，在延性填充框架的情况下，承载能力的下降是逐渐降低的。
6、影响参数的评价
影响试样行为的参数用横向强度，横向刚度和能量耗散量化。初始刚度计算为与第一个滞后环（第一位移水平）相对应的横向负荷的5-33％连接的割线的斜率。据观察，填充框架的初始刚度约为相应裸露框架的7-10倍（图6（a）和表3）。与填充满尺寸砖的框架相比，填充半尺砖的框架的初始刚度略高（非延展性为3％，韧性为8％）。框架观察稍高的初始刚度的原因可能是由于框架在初始漂移水平（0.15％）时抵抗了稍高的横向载荷。与全尺寸砖块样品情况下由担架（运行）粘结提供的横向负荷阻力相比，在半尺寸砖块样品情况下使用的英国粘结剂似乎在初始漂移水平提供了更高的横向负荷阻力。
填充满砖的框架的侧向强度大约相当
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