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长细比、面内/面外相互作用对无筋填充墙面外强度影响的实验研究
摘要
本文通过对8个非加筋砌体填充体的试验研究，评价了其平面外(平面外)响应，以及平面内(平面内)损伤(平面内/平面外相互作用)对其影响。对除长细比(高厚比、h/t)外的几何和力学性能相同的填料进行了试验。对预测平面内/平面外交互效果的文献公式的保守性进行了评估。将实验结果与文献中给出的结果收集在一起，提出了平面外响应参数减少量随平面内位移需求和h/t比值的函数的预测公式。
关键词:URM填充墙 面外地震评价 实验测试长细比 面内/面外相互作用 面外强度 面外响应
1.介绍
在最一般的情况下，地震作用在平面内(IP)和平面外(OOP)方向都击中填充墙。由于所谓的平面内/平面外相互作用，未加固砌体(URM)填充的平面外响应受平面内位移需求的影响而发生变化，平面内损伤影响着平面外的强度、刚度和位移能力。换句话说，考虑平面内/平面外相互作用的影响是正确、安全评价加密建筑物抗震性能的必要条件。
因此，在过去几十年里，对这一问题进行了若干实验、分析和数值研究。针对钢筋混凝土(RC)框架中URM填充的行为，在[1-4]中进行了研究薄填充墙中平面内/平面外相互作用的试验伪静力试验。这些实验方案的详细描述，以及它们的主要结果，可以在[5]中找到。值得注意的是，所有这些试验均涉及纯平面外集中或均布荷载作用下的粘土砖URM充填体，其高(h)-厚(t)长细比(h/t)范围为15.3[4]~33.9[1,2]。此外，还进行了一些试验，包括应用平面外荷载对先前进行的一到两种不同滑移水平的平面内循环试验所破坏的加密层进行试验。在所有这些类型的测试中，结果显示在初始宏观裂纹(Kcrack)和峰值荷载(Kmax)时，以及在初始宏观裂纹(Fcrack)和峰值荷载(Fmax)时，平面内损伤填充体的平面外正割刚度相对于未损伤基准试件的降低。
进一步的测试在[6,7,8]中进行，研究了RC框架中URM填充中的平面内/平面外交互。这些实验项目的目的是证明，随着平面内位移需求的增加，平面内损伤对试件(厚、薄加筋和无加筋砌体填充)平面外响应的不利影响增加。
基于上述实验结果，我们有可能对由于平面内损伤而导致的平面外强度和刚度降低进行定义和建模的重要参数进行个性化。当然，其中一个参数是在平面内测试中获得的最大平面内位移。
此外，在[9]中，基于数值有限元分析，在[1,2]中，基于实验结果和分析研究,表明在相同的平面内位移需求下，平面内位移对填充体平面外性能的不利影响也取决于其长细比(h/t)。例如，基于这些结果，细填充更容易由于平面内损坏而降低平面外容量。平面内位移需求的函数归一化的平面内位移对应的加密可见的开裂(IDRcrack)和长细比(h/t)在[1,2]中提出。FEMA306[10]的完整公式和NZSEE2017[11]的简化形式介绍了这种强度折减因子的公式。在这种简化形式中，强度折减因子只表示为(h/t)的函数，因为它是在固定的平面内位移值等于可见裂缝处平面内位移的两倍时计算出来的。
一般来说，在给定一定的平面内位移的情况下，通过对平面内位移的一个特定且显著值的最大平面内位移需求进行标准化，也可以解释不同的平面内损伤响应，如[12]中所做的那样。在这种情况下，平面内层间位移比(IDR)相对于完全丧失平面内承载能力(IDRu)对应的平面内位移进行归一化。此外，文献中还发现了一些经验公式，将平面内损伤引起的平面外强度(以及潜在的刚度)降低仅与平面内位移需求有关。例如，在[13]中，根据给出的测试结果
在[3]中，提出了计算平面内损伤引起的平面外强度折减系数的经验分步线性公式。根据[7]的试验结果，在[14]中提出了R的预测公式。作者在[5]中提出了通过IDR连续函数表示的Kcrack、Kmax、Fcrack和Fmax约简的经验公式。这些公式是由[1,4]中给出的实验结果与作者提供的进一步实验结果结合而得到的。
关于URM填充墙的平面外强度模型的详细的最新评论可以在[15]中找到。其他关于砌体填充和墙体平面外响应和建模的数值和实验工作，甚至在最近的时间，也在[16-20]中被提出。
2.研究意义
本研究提出的部分实验方案是对长细比h/t=22.9的薄填料进行的实验方案的补充，其结果在此回顾，并在[5]中详细描述。在目前的工作中，除了长细比(在本例中为h/t=15.2)外，钢筋混凝土框架的薄填充墙在名义上与之前的研究相同。试验是在以前施加的IDR等于0(参考纯平面外试验)的情况下进行的，并且是在三次平面内循环试验之后进行的，最高可达到三种不同的演变水平。
本研究的第一个目的是说明URM填充层中平面内/平面外交互作用的不同实体只是长细比不同。事实上，不同长细比的结果已经在文献中提出，但没有以往的实验计划涉及名义上相同的URM薄填充不同的只是长细比，因此，提供的结果立即和直接可比。此外，考虑到这是第一个实验项目，研究了两种不同长细比下三种不同演变水平(低/中/高)下URM充填体的平面内无损平面外行为和平面内破坏平面外行为。
本研究的第二个目的是将试验结果与规范和文献中对由于平面内/平面外相互作用导致的平面外强度降低进行评估的预测进行比较，特别注意预测的有效性与试件长细比之间可能存在的关系。
最后，提出了基于平面内位移需求和加密长细比的平面内/平面外交互作用模型的经验公式。这就意味着不仅要对平面内作用下的平面外强度折减进行预测，而且要对第一次宏观开裂荷载折减、第一次宏观开裂和峰值荷载下的正割刚度折减进行预测。此外，需要注意的是，平面外强度折减系数的唯一公式取决于平面内位移需求和填充长细比，即，[1,2]中提出的公式更多地是基于分析考虑和对少量实验数据的外推，而不是基于实验证据。例如，本文所考虑的经验公式是在现有的关于URM填充中平面内/平面外交互效应的更广泛的数据库中推导出来的，即使仅限于薄填充。
本文提出的结果是对其他研究项目的补充，这些研究项目关注的是加固和非加固厚填土中的平面外行为和平面内/平面外相互作用效应，这些研究项目广泛应用于新型RC建筑中，如[7,8]。
3.试验方法介绍
在本节中，将介绍试验过程。介绍了用于平面内/平面外联合测试的试验装置、仪器布置和加载系统的特点和材料性能。更多细节可以在[5]中找到。
本文所述的试验测试是在2:3比例填充钢筋混凝土框架上进行的，该框架是根据意大利抗震建筑规范[21]设计的。
通过使用25个25cm2粘土空心砖实现8cm和12cm厚度的填充墙，该空心砖放置有水平孔和1cm厚的水平和垂直接头，用M5级砂浆制成。
试验装置由钢构件、钢板和钢筋组成，这些钢构件、钢板和钢筋旨在有效地约束混凝土框架的平面外滑移、刚性旋转和平移，并允许平面外单调荷载和平面内循环荷载的应用。平面内循环荷载作用于RC框架上部梁的一端，平面外荷载作用于四个点/球面铰链，加载方案对填充平面的水平方向和垂直方向均采用两倍对称的加载方案。加载点设置在加密对角线上，与对角线两端的距离为对角线长度的三分之一，柱上不施加轴向载荷。
沿填土边缘放置12个LVDT来读取由于填土可能与周围框架脱离而产生的平面外位移。放置5个激光位移传感器，读取填充中心和四个加载点的平面外位移。在钢筋混凝土框架上部和基础梁的中心设置两个LVDT，以便在试验过程中读取钢筋混凝土框架的潜在平面外平移或滑移。水平LVDT被放置在上横梁的末端相对于平面内加载端读取上横梁横截面质心的平面内位移。此外，在基础梁端设置水平LVDT，在平面内测试中读取RC框架的潜在刚性平移量。每次平面内试验结束后，将试件平面内卸载，然后施加平面外荷载进行位移控制，平面外位移以0.02mm/s的速度单调递增。
4.细缝实验方案的结果
如前所述，对厚度为80mm、高厚比为22.9的URM填料进行了四次试验研究。试件80_OOP_4E在纯平面外加载下进行了试验。试件80_IP OOP_L、80_IP OOP_M、80_IP OOP_H在施加不同最大IDR水平的平面内循环位移后，沿平面外方向进行测试。可以注意到，由于测试装置具有轻微的变形能力，实际的最大平面内滑移比执行器应用的名义滑移要小。
80mm厚试件的平面外力-中心位移曲线。平面外中心位移d平面外的指示通常与加密墙的平面外滑移有关，定义为d平面外与h/2的比值。
测试结果的详细描述和讨论可以在[5]中找到。然而，所取得的一些最重要的结果值得回顾。
80_oop_4E试件的响应首先表现为伪弹性行为，直到第一次宏观开裂，然后是线性响应，刚度降低，直至峰值荷载，在第一次宏观开裂后不久出现线性响应。然后，第一次软化
观察到具有显着斜率的分支，类似于承载能力下降，接着是假塑性阶段。最后，记录了软化分支以完成承载能力损失。试样80_IP OOP_L表现出几乎双线性的平面外行为，具有高达峰值载荷的伪线性响应和陡峭的软化分支，直至完全的平面外阻力损失。对于样品80_IP OOP_M观察到闷热的平面外响应，在达到峰值载荷时具有一种假塑性相，而对于样品80_IP OOP_H再次观察到几乎双线性响应。图4报告了所有80mm厚试样的IP和OOP试验结束时的损坏状态。
在最低的平面内滑移时，施加的轻微平面内损伤对URM加密的平面外响应没有显著影响，特别是在达到峰值负载之前的加密行为。实际上，平面外强度增加了6%，从未损坏试样的22.0kN增加到23.4kN
对于平面内损伤的标本，进行了登记，很可能是由于实验的变异性。然而，在增加之前应用的平面内滑移时，平面外强度总是降低，为80_IP OOP_M试样的参考平面内无损强度的48%，为80_IP OOP_H试样的参考平面内无损强度的27%。同时，随着平面内位移的增大，第一宏观裂缝处的正割刚度、峰值荷载处的正割刚度和第一宏观裂缝处的正割刚度均有所减小。
5.测试的描述和结果
这一节专门描述在120毫米厚的填料上进行的实验测试。该描述由平面内和平面外的力-位移曲线以及平面内和平面外试验过程中裂纹形态演变的表示支持该描述。与之前对80mm厚填充层的测试一样，平面内测试在达到目标平面内标称滑移时结束，而平面外测试在测试试样遭受极端损伤时中断，以防止平面外推动检控。
5.1.试件120_OOP_4e
试件120_OOP_4E在纯平面外加载下进行。结果表明，该试样的一般性能与80_OOP_4E试样相似。
在充填体上部出现的第一个伪弹性分支，直到第一个可见的对角裂缝的形成，这发生在荷载等于27.5kN时，这是在位移时得到的等于2.5mm(0.27%滑移)，观察到。试件在达到峰值荷载时响应为非线性，峰值荷载为41.9kN，当中心平面外位移为8mm(0.87%滑移)时响应为非线性。与试件80_OOP_4E不同，该试件的峰值荷载明显高于第一次宏观开裂荷载。然而，在可见的裂缝形态中没有发生明显的变化。
试件80_OOP_4E在达到峰值荷载后，试件的承载力立即下降，位移为8.4mm(0.92%滑移)，荷载降至37.7kN。然后，在中心位移为26.8mm(2.93%的滑移)和荷载为30kN时，观察到一个光滑的软化分支。在这一阶段，裂缝形态发生了快速演化，填充物上部形成了进一步的对角裂缝，然后是沿砌体下部的水平裂缝，最后是沿砌体下部的水平裂缝
在填充物中部宽度处形成垂直裂缝。之后，在测试结束时观察到更陡的软化分支，其在OOP中心位移等于64.6mm（滑移7.06％）时以等于4.7kN的力中断，OOP负荷减小-相对于登记的峰值强度，承载能力等于89％。最后阶段的特点是在填充物的上部形成水平裂缝，并且通过进一步打开先前形成的裂缝，特别是在填充物的下部，下部砖的外部瓦片失效并且在测试结束
5.2.试件120_IP OOP_L
试件120_IP OOP_L首先在试样上施加一个平面内循环位移路径，直到达到最大公称滑移为0.30%。由于测试设置的可变形性,实际最大平面内滑移达到标本,读到末尾的线性框架的顶梁,等于0.21%,对应于最大的平面内位移等于4.13毫米和相应的最大负载等于106.8kN。
在平面内测试过程中，试件没有受到明显损伤，只在与上部梁的界面出现了细小的裂纹。这与循环力-位移图中出现的第一个显著非线性基本一致，当正滑移为0.083%时，对应于荷载为71.0kN时，负滑移为-0.067%时，对应于荷载为-68.1kN时。由于这些裂缝，填充物与上部梁分离，这在平面外试验中得到了证实。在平面内测试中，仪器没有读取到样本的刚性平移。
在平面外试验中，充填体在中心位移为2.8mm(0.31%滑移)和平面外荷载为1kN左右时，具有线性伪弹性行为。然后，观察到具有较高刚度的第二线性伪弹性相。这发生在第一阶段加密墙溜平面外的方向沿着上边缘,而第二阶段开始的时候,由于加密在垂直方向弯曲挠度,上部边缘接触在顶梁和不再发生滑移,允许双向的形成拱起作用。第二个线性伪弹性阶段在达到峰值荷载时结束。
第一水平裂缝出现在上部砖和砂浆之间的界面的加密关节只有在峰值负载的程度。加密表现出对应的平面外强度等于41.6kN中心位移等于9.7毫米(1.06%滑移)。然后，观察到一个陡峭的软化枝。在这一阶段，填充物上部进一步出现水平裂缝，包括砖和砂浆与砖之间的界面。试验在中心位移为22mm(2.40%滑移)时中断，此时平面外荷载为19kn，相对于平面外强度，承载力降低54%。此时，填充物上部砖的外瓦发生了破坏和倾覆
5.3.试件120_IP OOP_M
在这种情况下，在平面外加载之前，试件受平面内循环位移直至达到水平裂缝出现在填充物的上部，沿一层砖与下部砂浆接缝之间的几乎整个界面出现水平裂缝。此后，荷载降至22.4kN，充填体上部出现了一些对角裂缝。然后，在中心位移为26.3mm(2.87%滑移)的情况下，载荷逐渐增大，直至试件的平面外强度达到27.9kN。在
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