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钢筋混凝土填充框架设计
玛丽娜·l·莫雷蒂;1Theocharis Papatheocharis;2和Philip C. Perdikaris, m.a asce3
文摘：本文旨在评估钢筋混凝土填充框架设计中的斜撑模型，该模型已广泛应用于砌体填充框架的设计中。回顾了规范中支柱模型条款所依据的假设。同时，总结了八个1=3标度钢筋混凝土填充框架在水平循环准静态位移作用下的试验研究结果。研究了两种不同的长宽比和不同类型的填充墙与框架的连接。规范中关于填充框架的设计规定适用于描述在刚度、极限强度和预期破坏模式方面测试的试样的行为。对结果进行了讨论，并对改进设计过程提出了建议。DOI:10.1061/（ASCE）ST.1943-541X.0001042。2014美国土木工程师学会版权所有。
作者关键词：填充框架；钢筋混凝土；斜撑模型；设计；框架填充连接；抗剪；刚度；滑移；破坏模式；混凝土和砌体结构。
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介绍
在现代安全标准之前建造的大多数钢筋混凝土（RC）建筑在发生大地震时容易遭受重大损坏甚至倒塌，因为它们没有按照能力设计概念和延性原则进行设计。因此，它们很可能没有足够的极限强度、刚度和耗能能力。在希腊和世界上其他地震多发地区，钢筋混凝土框架结构建筑中存在无筋砖砌体隔墙，这可能是过去几年许多老建筑在这些地区经受住大地震的原因。砌体填充物被认为是非结构单元，在分析中没有考虑。尽管如此，它们对钢筋混凝土结构储备能力的贡献已得到公认，并已通过实验验证（Stavridis等人。2012年）和分析（Moretti等人。2013年）。现有的钢筋混凝土建筑不需要按照现代规范设计，以提高其抗震性能。对砌体填充物进行改造可提高中等强度（Koutromanos等人。2013年），而钢筋混凝土填充墙加固钢筋混凝土框架会导致侧向刚度、强度和一定程度的延性显著增加。因此，通常选择这种方法，而不是加强单个承载元件（Fardis和Panagiotakos 1997；Chrysostomou等人。2012年）。
在平面内水平力较低的情况下，框架和填充板将以完全复合的方式作为带有边界元素的结构墙。当荷载增加时，通常框架尝试在弯曲模式下变形，而填充在剪切模式下变形。这将导致面板与框架分离（在张力作用下沿对角线的对角处）
1希腊塞萨利大学土木工程系助理教授(通讯作者)。电子邮件:marmor@uth.gr
2博士研究生，希腊塞萨利大学土木工程系，Volos 38334。
3希腊塞萨利大学土木工程系教授，Volos 38334。
注意。本手稿于2013年4月13日提交，2014年1月30日批准，2014年5月7日在线出版。讨论期至2014年10月7日；必须为单独的论文提交单独的讨论。本文是《结构工程学报》的一部分，ASCE，ISSN 0733-9445/04011062（10）/$25.00。
以及在受压情况下沿对角线的对角线支柱的发展，如图1所示（Paulay and Priestley 1992）。
框架/填充界面的行为对于填充框架的整体性能具有重要意义（Koutromanos等人。2011年；Shiohara等人。1985年）。填充物沿界面与框架的连接已通过放置混凝土剪力键进行处理（Hayashi等人。或沿所有框架/填充界面（Sugano和Fujimura 1980）或仅沿梁嵌入销钉（机械或粘合剂）（Anil和Altin 2007；Altin等人。2008年；Kahn和Hanson 1979年），在界面处对旧混凝土进行粗化或不进行粗化（Bass等人。1989年）。显然，最好和最简单的方法是嵌入销钉，因为它们会导致更稳定的行为（Altin等人。1992年；Hayashi等人。1980年）。此外，与机械锚相比，粘结锚被证明具有优越性（Aoyama等人。1984年）。
在钢筋混凝土结构墙的情况下，也广泛研究了施工缝相对滑移的不利影响（Synge 1980）。试验表明，基础施工缝处的滑移与剪切挠度的百分比保持相对恒定，并且使用刚性边界元可提高结构墙的滞回性能（Oesterle等人。1976年）。
填充框架在荷载作用下的平面内行为模拟模型可以是描述局部行为的微观模型，也可以是描述整体结构行为的简化宏观模型。后一类最常用的模型是沿着填充物的压缩对角线的单支柱，通过销连接到框架的相对角接头。
由于缺乏关于钢筋混凝土填充框架设计的具体设计规定，与进行了广泛研究的砌体填充框架相比，在塞萨利大学钢筋混凝土结构实验室开展了一项研究计划，目的是验证规定的充分性RC填充框架的设计包含在新的希腊现有建筑修复规范中（KAN.EPE）。2012年）。通过对现有设计规定（ASCE 2006；CSA 2004）的试验，对主要用于砌体填充框架设计的试件的响应进行建模，在这项工作中给出了重要的观察和结论。
钢筋混凝土填充框架斜支撑模型
用于RC填充框架设计的斜压杆模型与用于砌体填充框架的斜压杆模型相似。支柱的厚度、t和材料特性与填充物的厚度、t和材料特性相对应。支柱的等效宽度w是模型的基本参数。
Holmes（1961）首先建议通过具有填充物特征特性的等效压杆和宽度为w/1=3rinf（rinf为填充物对角线长度）的压杆来模拟填充板。Stafford Smith（1966）假设弹性地基上的梁，并得出结论，斜撑的刚度和填充板的强度不仅取决于其尺寸和物理性质，而且取决于其与周围框架的接触长度。Stafford Smith和Carter（1969）得出结论，影响填充框架刚度的主要是柱的抗弯刚度，而不是梁的抗弯刚度。实验和分析研究证实了这一点（Anderson和Brzev 2009；Papia等人。2003年）。建议采用参数lambda;[式（1）]来表示框架与填充物的相对横向刚度
式中，Em、tinf和hinf分别表示填充物的Y oung弹性模量、厚度和高度；Efand Icol表示柱的杨氏模量和惯性矩；theta;表示切线为填充物高长宽比的角度（图1）。
Mainstone（1971）将支柱宽度w与参数lambda;[式（1）]和对角线填充长度rinf联系起来，得到了FEMA指南采用的表达式inf
填充物和框架之间的接触长度对于支柱模型是必不可少的，并且可以用于评估单个（而不是多个）支柱模型中从填充物传递到框架的力。在ASCE 41-06（2006）中，支柱与柱的接触长度lceff和梁的接触长度lbeff（图1）由方程式给出。（3a）和（4a）
图1。填充物与框架分离后的变形
CSA S340.1-04中，根据公式，使用等效支柱和框架之间的垂直和水平接触长度alpha;handalpha;L，通过公式（5）计算对角支柱宽度w。（6） 和（7），theta;为斜撑与水平面的夹角(tantheta;frac14;h = L)inf inf
计算支柱抗压极限强度的有效支柱宽度we可以取为
在本工程中，将主要使用ASCE 41-06（ASCE 2006）标准，因为它们适用于砌体和钢筋混凝土填充物。CSA S304.1-04（CSA 2004）砌体填充墙的规定仅适用于评估测试样本的横向刚度。希腊法典（KAN.EPE。假设有效支柱宽度等于对角线填充长度的0.15，而EN1998-1（CEN 2004b）一般不包括填充框架设计的具体规定。
实验程序
标本
所测试样本为90年代前在希腊建造的三层建筑（15 mtimes;15 m）底层原型钢筋混凝土框架的1=3比例物理模型。假设原型钢筋混凝土框架截面是根据旧的希腊规范（1954年，1959年）具有施工时有效的地震活动水平，并有不可破坏的加固规定。梁的设计要比柱强，柱的设计要使弯曲破坏先于剪切破坏。选择1=3标度是因为实验室测试设备（加载装置和液压千斤顶容量）的限制，加上样本数量相对较多（10）。此外，1=3量表在类似的研究项目中得到了广泛的应用（Altin等人。2008年；Anil and Altin 2007年；Aoyama等人1984年；Canbay等人。2003年；Erdem等人。2006年；Kara and Altin 2006年；Higashi等人。1980年；Sonuvar等人。2004年；Sugano和Fujimura 1980年）。研究了两个壁宽比值，hinf=Linf，分别等于0.58（A系列）和0.83（B系列），如图2所示。模型框架柱和梁的截面如图3所示。柱中的纵向钢筋完全锚固在基础块中。按照希腊的建议，A6和A7试件的柱由与填充物同时浇筑的钢筋混凝土导管架加固
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图2所示。所测1=3比例标本的一般特征(共8个标本;专栏:正常;列二世:夹套)
图3所示。模型框架柱和梁的截面特性
现行钢筋混凝土框架用钢筋混凝土填充墙加固时的规范。2012)。50毫米厚的钢筋混凝土填充是由两个变形的钢筋网格(5毫米直径的钢筋在100毫米间距)加固，而不是锚固在钢筋混凝土框架。
确保1 = 3级模型标本的观察反应测试尽可能接近原型的预期行为填充框架,合适的相似法律之后的设计按比例缩小的标本,也考虑到可能应变模型的混凝土和钢筋的扭曲。适当的缩放后不仅对试样几何,但也适当的选择的直径和屈服强度模型的纵向和箍筋的钢筋框架成员和销钢筋(退火模型钢钢筋在需要的时候),除了模型混凝土混合,通过扩展聚合和设计相应的混合。
模型框架的纵向钢筋为光滑的软钢钢筋，屈服强度为350 MPa，相当于原型钢筋混凝土框架的18 mm直径的光滑钢筋，屈服强度为400 MPa。此外，采用8 mm直径的变形钢筋作为导管架的纵向钢筋，屈服强度为450 MPa(对应于原型的18 mm变形钢筋B500)。模型箍筋采用直径3毫米的光滑钢丝，屈服强度为560 MPa。
根据相似定律和假设的1=3比例，模型采用屈服强度为470 MPa的6 mm直径的变形桩筋(原型为18 mm的变形桩筋)。根据相似定律(假定原型钢的屈服强度为500 MPa)的要求，模型榫接钢筋必须在650°退火2小时以降低其665 MPa的初始屈服强度。钢筋混凝土填充墙通过直径为6毫米的传力杆，沿水平界面(试件A5、B1、B3)或沿水平和垂直界面(试件A4、A7、B2)以100毫米的距离(传力杆原型在300毫米的距离)与框架连接。在A3和A6标本中，墙体没有与框架连接
通过销子。采用两种长度的销钉杆:短销钉，所有框架构件的预埋长度为50mm，填充墙为100mm(试件A4、A5、B3);柱梁埋置长度为60mm，基础埋置长度为120mm，填土埋置长度为200mm的长销钉(试件A7、B1、B2)。埋置长度为50mm(=8times;定位杆直径)，保证定位杆在钢筋中的充分激活(CEB 1993)。使用长销钉作为替代，因为在接口的销钉钢筋也受到拉出力。
在1=3个尺度的试件上，相应比例的骨料和级配组成的模型混凝土的平均筒(立方体)28天抗压强度为24 (30)MPa，该模型混凝土的筒(立方体)抗压强度为20 (25)MPa。模型标本以胶合板的形式倒在地板上。框架和底部锚固块浇筑混凝土并养护28天后，再浇筑钢筋混凝土填充墙。梁、柱界面上的孔洞经过钻孔和细致的清理后，用环氧树脂将销钉钢筋锚固在框架内。沿界面对旧混凝土进行粗化处理，仅对A6和A7试件进行粗化处理。
测试设置
测试设置如图4所示。模型试件在梁水平处受到水平位移，其基础锚固在反应框架底部钢梁上。使用的MTS ? 500kn液压执行机构大约位于梁的中高位置，测试使用闭环伺服液压系统和MTS FlexTest 40数字控制器(Eden Prairie, MN)进行。未对框架柱施加轴向压缩载荷。特别设计的带滚轮的钢框架防止了框架的平面外运动。在施加的荷载或位移的每一水平上，试件均经受准静态、完全反向的两周激励。最初，三种不同的载荷值?20，?40，? 60kn应用在负载控制下。然后测试持续位移控制越来越振幅的delta;frac14;? 0.15毫米(如2delta;,3delta;)。o oo每次试验结束时，试件的承载能力明显下降。
失效模式
试件A3、A6、A7、B3的梁与填充物之间及梁与框架之间的水平界面发生破坏
图4所示。实验设置及1=3标度模型试件
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A4、A5、B1和B2的填充式和混凝土锚块之间，用各自的传力杆剪切，尤其是A系列试样。当沿着底部水平界面发生破坏时，在柱的底部和墙的相邻角落（试样A4、A5、B1）也观察到破坏，并在该区域拔出销钉[图5（a）]
当后者承受开口弯矩（A3、A4、A5、B3）时，在某些接头处形成对角拉伸裂纹。在试件A3中，首次观察到此类裂纹出现在Pprod;60 kN处，而进一步的对角线裂纹导致突然坍塌[图5（b）]。在试样A6和A7中，观察到倾斜裂纹，从加载板的较低水平延伸到柱的相对侧[图。5（C和D）分别在大约190和285 kN的负载下。它们的宽度在Pmax之前保持相对较小，但随着进一步的循环而增加。终于发生了列的
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