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外文翻译

《Engineering Structures》

Experimental performance of RC moment frame beams with rectangular openings

《工程结构》

带矩形开口的RC弯矩框架梁的试验性能

摘要：

为研究带有开口的T形抗弯框架（MRF）梁的循环行为进行了大规模的实验案例研究。根据ACI 31-95和UBC97设计的梁位于美国西部的现有结构中。当前文献中测试数据可用性有限且现有设计标准缺乏指导，促使了四个长度为3.8–5.3 m的复制悬臂试样的构建。所有其他样本尺寸均按比例缩放至80％，从而使横截面宽为0.61，高为0.98 m。三个梁样品的开口尺寸为0.98 m x 0.37 m；对照样品没有开口。每个梁复制品都配有内部和外部仪器，该仪器由应变仪，线性电压差动传感器（LVDT）和串电位器组成，并经过在准静态对称位移反转下完成结构破坏测试。根据破坏进程和塑料铰链的发展，强度和刚度下降以及能量耗散能力等方面对所有梁的循环性能进行评估。此外，还研究了剪切变形和挠曲变形对整体位移分布的影响。简单的简支和系杆模型用于估计和比较梁在弹性范围内的承载力。失败和成功的测试结果的讨论强调了在弯矩框架梁中引入开口的适用性。

文章信息：

文章历史：2017年5月25日收到 2017年8月7日修订

2017年8月18日接受 2017年9月22日在线可用

关键词：循环加载 抗弯框架梁 开口 大规模测试 T型梁 钢筋混凝土

1.简介：

在楼板横梁中引入横向腹板开口可以提供一种经济的设计构型，该构型可以使楼层高度最小化，使公用事业服务易于通过，并减少自重恒载。当这些配置在多层建筑物中实施时，可以节约很大的成本。但是，腹板开口与其他几何不连续一样，会更改钢筋混凝土（RC）元素的可预测结构行为并引入高应力集中区域，这会导致过早开裂。除非提供特殊的加固，否则带有腹板开口的梁的刚度降低可能会导致在使用载荷下产生过大的挠度，或者在更关键的载荷下损害梁的结构完整性，例如地震事件时所施加的载荷。

尽管具有腹板开口的钢筋混凝土梁在结构工程实践中引起广泛的关注，但当前的设计规范和准则对其设计和分析几乎没有提供适当的建议，这种设计细节带来的不确定性导致普遍的不安。

此外，美国混凝土学会[1] 《建筑混凝土结构规范要求》（ACI 318）中没有明确的带有腹板开口的钢筋混凝土梁的设计程序。关于开口设计的提及仅限于ASCE-ACI报告第11.1.1.1节中的注释。钢筋混凝土构件的抗剪强度（ACI 426R ACI 426R-74，第4.7节），讨论了Lorentsen [2]和Nasser[3] 等人的工作。两位研究人员得出的结论是：（1）梁的开口应该避免在拐点附近（2）在开口的两侧都需要附加箍筋。然而，官方设计规范和准则中缺少更详细的建议。

文献中记录了有关穿孔，简支和连续RC梁的综合研究，这些梁具有不同的开口尺寸，形状和承受单调载荷的位置[2-15] 。其中，已经提出了多个标准来将开口分为大类或小类。如果即便早期由于减小的惯性矩而在开孔附近产生裂纹，也可以保持梁式行为，则可以认为腹板开口为小开口。相反，大的开口会阻止梁式行为。Siao和Yap[10]进行的测试结果表明，当在开口周围没有附加钢筋时，位于高剪切区域中具有开口的梁在压缩弦处会过早失效。开口周围的附加钢筋应包括开口顶部和底部附近的附加纵向钢筋，沿弦杆的短箍筋以及放置在开口两侧的长箍筋[3,7,9,11–16] 。为了有效地控制裂纹，还建议在开口的每个角使用对角线[3,9,13,15,16] 。

小开口的RC梁在弯曲和剪切作用下的单调试验数据[5,7,15]表明，可能出现两种可发展的破坏机制：（1）典型的梁式剪切破坏发生在45 °的倾斜平面穿过开口的中心。，或（2）框架型破坏，其特征是在每个弦杆构件中形成两个独立的对角裂纹。对具有大矩形开口和充分加固的弦杆构件的钢筋混凝土梁进行单调试验，结果发现在开口角处出现四个塑料铰链而导致失效。弯曲点位于弦的中跨[3,11,12] 。

在地震活跃的地区，必须对RC矩抗弯框架（RC-MRF）梁在非弹性变形范围内（构件的强度和刚度都会降低）的反向循环荷载的性能进行评估。在过去的五十年中，大量的实验研究[17–21] 以及分析研究[22–29]已经评估了通常使用的RC挠性构件经受大的周期性位移反转的滞后响应，并开发了滞后模型来捕获RC-MRF梁的载荷-变形响应。然而，每一个研究都是在没有开口的横梁上进行的。研究表明，周期性加载的挠曲构件的荷载-变形响应具有附加的刚度和强度减小形式，即加载循环次数和峰值变形幅度的函数。其他模式包括基本强度的下降，封顶后强度，卸载刚度，并加快了装弹刚度 [30] 。

作者还没有发现在反向循环荷载作用下具有腹板开口的RC-MRF梁的公开材料，这将允许与以上的RC挠性构件类似的方式进行性能和坍塌的评估。此外，关于带有开口的RCMRF梁的循环载荷缺乏明显的数据，这阻止了分析模型（该模型可以解释骨架退化和循环强度和刚度的多种模式）的发展。此外，由于缺乏数据，无法评估其他影响，例如无弹性挠曲和剪切变形之间的耦合以及由于锚固区内的应变渗透而导致的主要加固的延伸。

本文介绍了一个通过实验评估带有矩形腹板开口的RC-MRF T型梁的非线性性能的独特的案例研究。所有标本都是位于加利福尼亚的高层结构中的原位RC-MRF梁的大型复制品。包含开口的原位MRF梁位于建筑物内部，而不是沿着建筑物周边的更传统位置，这是建筑物本身的独特之处。此外，值得一提的是，原始的MRF抗震设计并未考虑这些开口，而是在设计的靠后阶段引入了这些开口。如上所述，缺乏足够的数据和模型数值来进行分析评估的现有数据和模型，引起了实验研究的需求性。为了加强现有结构以维持对当前和未来区域的地震需求，并评估地震荷载下当前可用的结构承载力，测试了四个完成准静态对称位移反转下的结构破坏的有代表性的梁样本。实验室梁的标本按比例缩小至原始尺寸的80％和增强尺寸。缩放后的悬臂长度范围为3.8 m至5.3 m。下标为S1至S4的标本在加州大学尔湾分校（UCI）校园的结构测试大厅中进行了构造和测试。安装在每个梁试件上的大量仪器能够（1）评估一般试件的性能（例如，铰链的开展，载荷-位移能力和力矩旋转关系），（2）评估强度和刚度的下降以及能量消散的能力，以及（3）对由剪切，挠曲，集中的固定端旋转和钢筋延伸引起的挠曲分量的详细研究。本文以简单的支撑杆分析作为结论，以估计梁的弹性承载力，并将数值结果与实验观测值进行比较。

1. 实验程序

重申一下，测试样品是位于加利福尼亚现有结构中的MRF梁的复制品。现有建筑物中的梁设计是根据ACI《结构混凝土建筑规范要求》（ACI 318-95）[31]和《统一建筑规范》（UBC 97）[32]中概述的建议进行的。利用柱子之间的MRF梁的对称性的优势，实际的样本被构造为半长悬臂梁（即试样长度=建筑物中原始梁的frac12;），如图1所示。此外，样本在所有方面和钢筋尺寸上均按比例缩小至80％以允许继续使用美国标准钢筋直径。

四个样本中的每个样本的横截面几何形状都是相同的：梁腹为0.98 m x 0.61 m，顶板的厚度为12.2 cm，宽度为1.59 m。样本的长度范围为3.78 m到5.32 m。样本S1，S2和S3的结构是长0.98 mtimes;高0.37 m的矩形腹板开口，占总梁高度的38％。样本S4（在现有结构中复制其中一个实心RC-MRF梁）没有腹板开口，其用作控制梁以验证测试设置并进行比较。在图1和表1中提供了四个样品的关于样品长度的不同几何形状。

每个样本在几何上分为三个区域：（1）区域A代表固定的梁柱界面，（2）区域B代表开口区域，（3）区域C代表施加载荷的梁头。值得重复的是在完成MRF的原始设计之后，在现有梁中引入了开口。除了加强了细节外，没有附带的结构分析和设计信息可供作者使用。

每个标本都被框入一个巨大的RC反应块中，如图2和3 所示。反应块经过后张的高强度钢棒牢固地连接并固定在实验室坚固墙壁和地板上。由于它模拟的相应的RC-MRF的已经建立柱子，因此根据“强柱/弱梁”的概念设计了反应块的加固，其目的是避免立柱出现非弹性铰接[33] 。

2.1标本加固

每个梁试件的加固细节在图2和图3以及表2中提供。每个试样的顶部和底部的抗弯钢筋由沿梁的长度方向布置了主要的U型钢筋，用于增强对挠性要求高的梁部分的L型筋以及其他组成矩形开口顶部和底部附近的门框。此外，试样S1和S2在截面C处装有箍筋，补强了现场的RC-MRF T型梁的中跨。所有纵向钢筋均按照ACI 318-11 [33]的开发长度锚固在反应块中。所有梁的试样的抗剪钢筋均由全深度箍筋组成，带有抗震钩，并用两端带有钩（）的标准十字栓封闭。此外，在矩形开口处，两根弦都用带有地震钩的小箍筋（4号杆）加固，并用标准枕木封闭。样品S2提供了额外的一组垂直十字栓。

图1

表1

图2

当将原位试样中现有的钢筋布局与ACI 318-14 [34]的规范要求和如Mansur[9]等人所述的重力梁的一般建议进行比较时。 Tan和Mansur [13]和Mansur [16]，可以得出以下观察结果：（1）沿梁，特别是沿弦杆的纵向加强足以抵抗相应横截面的要求，并满足特殊抗弯框架（SMRF）梁的所有规范要求。但是，不建议中断开口区域内的任何纵向钢筋（例如对样品S1所做的操作），因为中断可能会导致出现复杂内部相互作用机制的故障。（2）为所有试样提供了足够的横向加强型（即两端带有地震钩的封闭的马钉），并且在所有情况下沿梁的实心区域的纵向箍筋间距均符合SMRF梁的规范要求。试样S1，S3和S4的横向钢筋布置的缺点是，箍筋支腿之间的横向横截面的间距稍大于ACI 318的SMRF梁所允许的间距。所以这三个样本不能被表示为SMRF梁。相比之下，样品S2（配有附加的垂直交叉点）可以满足此要求。（3）对弦杆构件中所需的抗剪钢筋的解释提出了质疑。如果将有效深度（d）取作每个单独的弦杆构件的有效深度（d），则没有开孔（S1-S3）的梁样本都不能满足对SMRF梁在开孔区域的箍距（即lt;d / 4）在开口上方和下方，而不是梁的整体深度的规范要求。重申一下，当前的ACI代码没有为弦部分提供任何建议，因此问题仍然是d是代表整个横梁的有效深度还是弦的有效深度。（4）斜角加固可有效控制裂缝，[3]和Mansur等[9]。并未在梁中提供，但是，这种加固与梁的整体响应无关，因为在开口角处没有发生塑性铰，就像通常报道的带有大矩形开口的重力梁一样。

图5

图4

表2

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