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填充框架结构的容量设计
摘要
由于经济和传统的原因，砌体是一种方便的材料，在地震区，仍然使用带有砌体填充的钢筋混凝土框架作为结构系统来提供抗震能力。尽管填充框架在适当设计时可以表现出足够的响应，但在过去的地震中发生了严重的破坏和生命损失。与填充框架建筑物损坏或倒塌有关的一些问题是：砌体填充的不规则分布、钢筋混凝土框架的不适当细节、部分填充以及材料和工艺的缺陷。然而，设计标准不足和对结构行为缺乏理解也是关键问题。因此，制定简单、合理的设计程序以获得安全、经济的解决方案是非常重要的。
利用能力设计的原理，提出了一种新的悬臂填充框架的设计方法，其中通过控制柱基纵筋的屈服来实现延性行为。在填充框架和基础之间建立了预裂连接，在那里可以放置普通的圆销来控制剪切滑动。所提出的程序还确保了对横向阻力的简单评估，避免了与面板-框架相互作用的复杂性相关的不确定性。 建议采用带斜筋的锥形梁柱节点，以减少节点的开口，提高横向力从框架到砌体面板的传递。
引言
人们普遍认识到，填充框架结构表现出不良的地震性能，因为许多建筑物在过去的地震中失败了。最重要的问题之一是在循环加载下观察到的刚度，强度和耗能能力的下降，这是由于砌体墙的逐渐损坏和面板框架界面的恶化所致.因此，只能实现低到中位移传导。缺乏对结构行为的理解也导致填充框架的不良性能.必须认识到，这些复合结构表现出复杂而明显的非线性响应，这是由于未加筋砌体的脆性行为、框架的延性非线性特性、两个构件的不同变形性能和强度以及面板框架界面的可变条件所致。
填充框架通常用于世界各地高地震活动区域的低高度和中等高度建筑，特别是在劳动力成本不高或由于传统原因使用砌体结构的发展中国家。人们认为，制定合理的设计程序不仅是减少生命和财产损失的关键问题，而且是获得安全的最终经济解决方案的关键问题。
“填充框架”一词是指由一个或多个被框架包围的填充面板形成的复合结构。 通常使用不同的术语取决于构造技术。 在某些情况下，填充框架一词是指框架首先建造，然后填充一个或多个砌体面板的情况。 几位研究人员介绍了“封闭砌体”一词来描述这种情况
砌体面板施工后浇筑钢筋混凝土框架。作者认为，这是一个不适当的名称，因为砌体面板不受框架的限制，特别是在侧向力下，产生开裂的面板框架界面。 因此，这里使用的名称“框架砌体”专门指这种类型的结构，而“填充框架”在一般意义上使用。
设计标准
背景
不同研究人员报告的实验数据[3]表明，如果填充框架被正确地设计和构造，则可以获得合理的延性响应。在非弹性范围内，周围框架能够抵抗较大的变形，而砌体面板在相对较低的畸变下开裂和失效。因此，只要避免或充分控制脆性破坏模式以延缓其对响应的影响，它们就可以被认为是有限延性的结构(全球延性系数在2.0至3.0之间。
填充框架通常是按照简化的程序设计的，其中考虑到砌体的剪切粘结强度和施加的垂直荷载，对结构的横向阻力进行评估。周围的钢筋混凝土框架通常是为了抵抗桁架机构产生的轴向力而设计的，而不考虑由于面板和框架之间的相互作用而产生的特定方面。 还应考虑其他方面，如楼板梁和梁柱节点的适当设计，以及控制柱的潜在滑动剪切破坏。
在过去几年中，作出了重大努力，通过在面板的砂浆接缝中提供水平钢筋来改善填充框架的响应。这种钢筋正确地锚定在周围的柱上，并根据这一标准提出了设计建议(Aguilar等人。 [1]、Alvare z[2]、Zarnic和Tomazevic[10])。
Paulay和Priestley[6]和San Bartolome等人。[9]建议，填充框架可以设计成在“弯曲模式”下失败，通过屈服张力柱，以获得合理的延性行为，避免其他脆性类型的破坏。然而，张力柱的屈服会产生缺乏约束和稳定性的问题。当填充框架的柱受到拉力时，许多近水平裂缝穿过柱的宽度。如果砌体面板能够抵抗等效桁架机构产生的对角线压缩力，则增加的力将产生纵向钢筋的屈服。由于拉伸力， 因此应变沿柱近似恒定，钢筋的屈服导致构件的显著伸长，这通常与砌体面板的脆性特性不相容。柱的伸长减少或消除了框架在抑制砌体面板方面的有益效果，并危及面板在平面外作用下的稳定性。
拟议程序
正确设计的解决方案可以以不同的方式实现。根据容量设计原则，可以避免周围框架或砌体面板中的不良破坏模式，而在结构的特殊部分故意诱发塑性变形，这一点已得到充分的详细说明。在这种情况下，必须保证基础系统能够弹性地抵抗上部结构传递的动作。作为第一步，确定需要控制或避免的失效模式或其他有害影响是非常重要的。 最重要的是：
- 砌体的剪切开裂。在受地震影响的填充框架建筑中，由于剪切应力而导致的砌体面板开裂是一种非常常见的破坏类型。这类破坏主要受砂浆接缝的抗剪强度，砌体单元的抗拉强度以及剪切和法向应力的相对值控制。根据这些参数，剪切应力与垂直轴向应力的结合可以产生裂缝，穿过砌体单元，或者沿着砂浆接缝脱粘（也称为剪切摩擦破坏）。 在后一种情况下，裂纹通常沿着对角线方向发展成阶梯状。 剪切开裂不一定代表破坏条件，只要开裂的面板受到周围框架的约束，并控制剪切变形。对角线裂纹的形成仅视为一种可使用极限状态。然而，对于空心砌体，砌体单元的开裂会产生结构的破坏
- 钢筋混凝土构件的延伸。钢筋混凝土构件的纵筋在拉伸时能屈服，具有显著的延性。 然而，这在填充框架结构中并不方便，因为框架构件的过度伸长降低了框架的有益效果，抑制了砌体墙的剪切变形。 因此，周围框架的柱和梁应设计成抵抗地震作用引起的拉伸轴向力，而不屈服于钢筋。
- 梁柱节点破坏。在加载角附近的区域，沿接触长度产生较高的法向和切向应力，从而产生较大的剪切力和弯矩。这些梁柱节点的应力状态可能导致从内部到外部角的宽对角裂缝的形成。虽然在不同的调查中观察到这种失败模式，但人们对这种失败模式的关注却很少。梁柱节点的破坏对填充框架的行为产生了不利的影响，因为横向力不能从楼板梁传递到柱和砌体面板。此外，对角线裂纹的形成导致接头的开口。因此，加载角处的接触长度和等效支柱的宽度减小，导致砌体面板中的应力增加。
- 柱的剪切失效。由于与填充面板的相互作用而产生的剪切力，柱可能会失效。 最大剪切力沿接触长度发生，靠近加载角。滑动剪切破坏是由于剪切力和拉伸轴向力的不利组合，在靠近梁面的柱顶发生的一种特殊情况。
在接下来的章节中，提出了一种新的悬臂填充框架延性设计方法。这里使用“悬臂”一词来指填充框架，其中弯曲效应是显著的，并且可以发生柱纵筋的屈服。 Crisafulli[3]还提出了蹲式填充框架的设计建议，但由于空间的限制，这些建议没有包括在这里。
悬臂填充框架的抗弯屈服设计
程序的一般说明
通过合理的设计可以改善悬臂填充框架的地震响应，其中延性行为是通过控制受拉轴向力作用的柱的屈服来实现的，并且防止砌体面板受到严重的损坏。为了保持砌体面板的几何形状，柱的伸长用附加纵向钢筋控制，如图1所示。 这些附加的钢筋，没有锚定在基础上，确保在柱的底部形成一个弱区域，在那里大多数塑性变形将发展。根据这一准则，柱抵抗拉伸轴向力的能力由锚固钢筋的数量决定。因此，考虑到简单的弯曲机理，避免了与面板-框架相互作用有关的一些不确定性，可以很容易地评估填充框架的横向强度。 基于这一机制，可以确定锚固在基础上的柱的纵向配筋量Asa，以抵抗地震设计力。
根据容量设计的原则，需要估计填充框架可以承受的最大剪切力，以确保所选择的塑性机构得到实现，避免脆性破坏模式。设计剪力Vu可以从规范规定的剪力需求V来确定，考虑填充框架的抗弯过强以及较高响应模式的影响[6]：
其中o是弯曲过强度因子，定义为规范力引起的弯曲过强度与倾覆力矩的比值，v是动态剪切放大系数，定义为建筑[6]层数的函数。
锥形梁柱节点
附加柱钢筋
锚固钢筋
注:横向和基础加固未显示
图1根据所提出的方法设计的填充框架的加固细节。
滑动剪切可以发生在压缩柱的底部，因为在柱受到拉伸时先前形成的主裂纹。设计人员应意识到这一问题，并对裂纹截面进行验证，以确保强度等于或大于施加的剪力。 裂缝截面的抗剪强度是由混凝土表面之间的摩擦和穿过裂缝的钢筋中的销钉作用的结合机制引起的。 由于销钉作用的发展需要较大的相对位移，因此在设计中通常假设只有摩擦机构Vf才能给出裂纹截面抗剪承载力的保守估计，可以根据以下表达式计算：
其中micro;是混凝土的摩擦系数（通常等于1.4的混凝土整体[5]），P是作用在截面上的重力载荷，Asifsi表示提供夹紧作用的纵筋中的轴向力（该方程中考虑的力在拉伸时为正）。
上一节提出的设计方法也适用于多海湾填充框架，只要柱的纵向钢筋发生拉伸屈服。 框架构件和砌体面板中的作用评估可以使用一个简单的模型，如等效桁架机构。然而，重要的是要考虑地震力沿梁的真实分布。一个不充分的表示，例如假设在梁的一端施加与一定楼板水平相对应的总侧力，会导致结构构件轴向力的重大误差。连接的抗弯强度可以用类似的程序来计算，就像考虑多个钢筋层的钢筋混凝土柱一样。平衡和相容性方程允许计算穿过连接的纵向钢筋的应力和应变。
加强措施
可以采取其他措施，改善受地震作用的填充框架的行为。 使用带对角线钢筋的锥形梁柱节点有助于通过限制节点的开口来减少砌体面板的变形(见图2)。这改善了横向力从框架到面板的传递，增加了压缩支柱的宽度。此外，在这种情况下，在柱顶形成滑动剪切裂纹是不可能的，因为大部分侧向力是通过接头的对角线表面传递给面板的。 对所提出的细节的有益效果进行了实验验证[3,4]。由于实际原因，锥形梁柱节点容易在框架砌体结构中建造，即在砌体墙施工后浇筑钢筋混凝土框架。
对角线加固的细节
U形柱
图2锥形梁柱节点的细节
图3说明了填充框架设计的进一步发展，其中在砌体面板和基础之间建造了钢筋混凝土梁。 这样，框架就完全包围了较低的砌体面板，从而保持了面板的几何形状。 当结构发生大的位移时，纵向钢筋的屈服集中在柱的底部，底梁与基础分离，使砌体面板伴随着框架的变形，变形明显减少。 为了实现这种行为，必须确保沿梁-基础界面形成裂纹。 通过在基础上施加足够的密封胶来打破硬化混凝土和新鲜混凝土之间的粘结，避免界面处拉应力的发展，可以获得预裂连接。基础顶面应适当粗糙，以允许通过摩擦传递剪应力。
图3建议设计填充框架与预裂连接。
底梁
横向和基础加固
再来一次-领带
接头
普通圆钉
普通圆销可以嵌入到基础和底部梁中，以控制填充框架的滑动剪切，在预裂连接的摩擦强度
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