引用格式：
Wang JX, Sun YH, Gao S, Wang WD. Anti-collapse mechanism and reinforcement methods of composite frame with CFST columns and infill walls. Journal of Constructional Steel Research, 2023, 208: 108022.
Highlights:
1. Numerical models are established for the collapse of CFST frame with infill walls.
2. Infill walls change the load-resisting path and improve the load redistribution.
3. The reinforcement methods of the CFST frame with infill walls are investigated.
4. Simplified prediction method for the anti-collapse capacity is proposed.
论文信息：
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143974X23002493
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https://authors.elsevier.com/c/1h7o3,3HWfIADz
DOI: 10.1016/j.jcsr.2023.108022
一、研究背景
自911事故发生后，越来越多的学者开始关注结构抗倒塌性能的研究。现有研究以提高结构构件(梁、柱、板)的承载力为主要研究目标，发现可以通过防止或延缓失效柱上部梁构件的断裂来增强结构的抗倒塌能力。与梁、板相比，传统设计将填充墙视为非结构构件，通常忽略了其抗力贡献。由于填充墙与框架结构构件之间的相互作用，填充墙框架结构的力学性能与裸框架结构有很大不同。以往对填充墙框架结构的研究主要集中在抗震性能方面，而关于填充墙对结构抗倒塌性能影响的研究较少，且主要集中于RC结构和钢结构。
近年来的极端灾害表明，带砌体填充墙的框架结构在偶然荷载作用下可能遭受严重破坏(图1)，造成墙体破碎失稳乃至倒塌，严重影响结构的刚度和承载力。对填充墙采取必要的加固措施既能充分利用现有材料，又能防止填充墙面外坍塌对下部结构的冲击。因此，有必要采取相应的加固措施，延缓或防止填充墙过早破坏，提高建筑结构的抗倒塌能力。近年来，出现了一些对填充墙的加固和改进方案(图2)，而现有的加固方法主要集中在提升RC框架和钢框架的抗爆和抗震性能，缺乏针对砌体填充墙加固以提高框架抗倒塌能力的试验研究和数值分析。为此，本文采用ABAQUS/Explicit软件进行数值模拟。在验证的有限元模型基础上，对填充墙的抗倒塌贡献及加固方法进行了分析，并给出了钢管混凝土框架-填充墙结构的抗倒塌简化计算方法。
二、前期试验
课题组前期对两榀两层两跨CFST组合框架试件进行了拟静力倒塌试验，其中一榀为带砌体全高填充墙的框架子结构(SF-W)，另一榀为无填充墙的裸框架(SF-N)。试验介绍如下：
试件的试验装置和设计细节如图3所示。在非失效柱顶部施加竖向恒定轴力，在梁端设计水平约束装置，模拟水平拉结作用。利用液压千斤顶对失效中柱顶部施加竖向位移。钢管混凝土柱截面尺寸为150×3mm，钢梁截面尺寸为H150×75×4×6mm。钢梁与组合楼板通过M13×40抗剪栓钉连接，间距为75mm。压型钢板厚度为1mm，板内布置HRB300级钢筋(d=6mm)，纵向和横向间距分别为150mm×120mm。填充墙砌体材料采用加气混凝土砌块，砂浆缝平均厚度5mm。砌块和砂浆的抗压强度分别为6.46MPa和11.96MPa。沿填充墙高度方向每两层砌块布置拉结钢筋(d=2mm)。
三、有限元模拟
如图4所示，采用ABAQUS/Explicit软件建立了试件的精细化有限元模型。混凝土、栓钉和砌块采用实心单元(C3D8R)，拉筋和钢筋采用桁架单元(T3D2)，压型钢板、钢梁和钢管采用壳单元(S4R)建模。为提高计算效率，钢构件和混凝土构件均采用40mm的全局网格尺寸。对于可能发生断裂或大变形的区域(柱附近的钢梁、环板等)，采用了20mm的加密网格尺寸。在有限元模型中将左侧组合梁端的边界条件定义为U1=U2=U3=0=UR1=UR2=0。非失效柱底部边界条件为U1=U2=U3=0，非失效柱顶部轴向力采用压强加载。竖向加载通过失效柱顶部的位移控制加载实现。
填充墙的精细建模方法是分别对砌块和砂浆进行建模，以模拟填充墙的真实几何分布和砌筑方式。砌块之间的破坏发生在砂浆接缝处(或砌块与砂浆的界面处)，采用内聚力单元进行模拟。在不同砌块之间插入零厚度内聚力单元，模拟砂浆缝的力学行为。在填充墙的侧面和底部与框架之间也插入了内聚力单元，而在填充墙的顶部与钢梁的底部之间没有配置内聚力单元，以反映它们之间的弱连接和砂浆施工质量的潜在问题。当剪切应力或拉应力超过内聚力单元强度极限时，砌块体之间发生剪切开裂或拉破坏。根据规范GB5003-2011，其抗拉强度大致等于其抗剪强度(本研究为1.43MPa)。
为验证本研究数值模拟方法的合理性，选取Li等和Shan等的全填充墙和部分填充墙RC框架抗倒塌试验进行数值模拟验证。图5为有限元模型与试验框架最终破坏模式及荷载-位移曲线对比图。发现有限元模型计算曲线与试验曲线吻合较好，因此数值模拟方法可用于进行以下参数和机理分析。
如图6-图7所示，将有限元模拟结果与试验结果进行对比。数值模拟结果与试验中出现的破坏模式较为吻合，包括钢梁不同程度的局部屈曲变形和拉伸断裂，填充墙沿对角线方向出现裂缝，部分砌块间出现局部分离等。因此，精细化的填充墙建模方法可以模拟砌块和砂浆缝的开裂或拉伸破坏。对比试件的破坏模式，发现填充墙改变了钢管混凝土组合框架在竖向荷载作用下的破坏模式。
图8为试验和有限元模型P-Δ曲线，发现试验和有限元模型P-Δ曲线拟合良好。在初始阶段试件SF-W的初始刚度比SF-N高47.6%。在Δ=10mm处，试件SF-W的填充墙先开裂，框架刚度降低。试件SF-W的峰值荷载比SF-N增加了16.4%。Δ=115mm后，填充墙破坏严重，对框架抗力贡献明显降低。因此，有必要进行后续的数值模拟，进一步明确填充墙的破坏机制，并在此基础上提出填充墙的加固方法，以延缓墙体的开裂和破坏，并在加载后期提升填充墙对框架的抗倒塌贡献。
对试件SF-W的抗力机理进行了分析研究(图9-图11)，结果表明：加载初始阶段，填充墙对竖向荷载的抗力贡献显著，填充墙在角部形成局部受压区，随后局部受压区应力斜向发展，填充墙沿对角线方向开裂。随着竖向位移的增加，不同层砌体间出现水平裂缝，裂缝不断扩大，部分砌体之间出现局部分离，填充墙的抗力贡献显著降低，钢管混凝土组合框架几乎提供了结构的抗力。在小变形阶段，中柱上的荷载通过填充墙内形成的对角斜撑杆转移到相邻跨。在大变形阶段，对角斜撑杆失效，同时二次支杆开始发挥作用，框架的刚度显著降低，中柱荷载在填充墙中重新分配，并逐渐从对角斜撑杆转移到二次支杆上，进而传递到相邻跨。
由上分析可知，框架倒塌过程中，填充墙过早失效影响了后期对框架的抗力贡献。因此，有必要采取相应的加固方法来延缓或防止填充墙的过早破坏，提高框架结构的抗倒塌能力。考虑采用以下三种加固方式：改进拉结筋(增大拉结筋直径、改进拉结筋布置方式)、粘贴CFRP布(斜向布置、X型布置)和喷涂ECC材料(单面、双面)对框架进行加固，如图12-14所示。
由图15-图18可知，在通长拉结筋直径取2mm-8mm范围内，增大拉结筋直径可以有效提升框架抗连续倒塌能力。相对其他拉结筋布置形式，“V”型斜向布置拉结筋对墙体内砌块的拉结作用更好，框架抗倒塌性能更强，其峰值承载力与极限承载力分别提升了4.5%和46.1%。粘贴CFRP布和喷射ECC材料对填充墙进行加固可以显著提升框架在加载全过程的承载力，其中“X”型粘贴CFRP布和双面喷射ECC材料对框架峰值承载力可分别提升25.1%和22.9%，极限承载力可分别提升96.2%和74.5%。因此，“X”型粘贴CFRP布对填充墙进行加固具有更好的抗倒塌性能，故在实际工程中对填充墙框架进行加固时可优先考虑此种方法。
四、抗倒塌简化计算
为了进一步评估填充墙对钢管混凝土组合框架抗倒塌能力的影响，通过将填充墙等效为对角斜撑杆(图19)，建立试件SF-W的简化分析模型如图20所示。试件SF-W的竖向抗倒塌能力P为组合梁与填充墙抗力的竖向分量之和，基于公式给出的钢管混凝土框架-填充墙结构的简化计算方法得到了简化计算结果，与试验及模拟结果对比，理论计算方法计算得到的承载力的相对误差均小于10%，说明上述理论计算方法可适用于计算钢管混凝土组合框架-填充墙结构的抗倒塌竖向承载力。
五、结论
Conclusions
1
填充墙在初始加载阶段对抵抗竖向荷载有明显贡献，最大贡献为55.3%。而在大变形阶段，由于填充墙的开裂和脱落，砌体块之间出现局部分离，抗力贡献较小，保持在20%以下。
2
在小变形阶段，中柱的竖向荷载通过填充墙中的斜压杆传递到相邻跨。大变形阶段，失效柱的荷载通过二次撑杆传递到相邻跨中。填充墙作为等效压杆，改变了框架的传力路径，有效提高了框架的荷载重分布能力。
3
粘贴CFRP布和喷涂ECC材料加固填充墙后，峰值荷载可分别提高25.1%和22.9%，极限荷载可分别提高96.2%和74.5%。X型粘贴CFRP布加固填充墙具有较好的抗倒塌能力，在实际工程中对带填充墙的框架进行加固时可优先考虑。
4
提出了填充墙钢管混凝土组合框架竖向抗倒塌能力简化计算公式，计算分析中将填充墙简化为斜压杆，理论计算的抗倒塌能力与试验及数值计算结果的相对误差小于10%。
六、相关文献
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作者简介
王景玄：男，甘肃人，博士，副教授。主要从事钢管混凝土组合结构基本理论、抗震、抗火及防连续倒塌控制等方面研究。第六届全国青年教师教学竞赛（工科组）一等奖获得者。
2011.09-2015.06，兰州理工大学土木工程学院结构工程专业，博士研究生（导师：王文达教授）
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Part.6
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Part.7
子程序开发等
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Part.8
装配式钢筋混凝土结构
[1].Yuan Yu-Jie, Wang Wen-Da*, Huang Hua. Deformation mechanism of steel artificial controllable plastic hinge in prefabricate frame. Journal of Constructional Steel Reserarch, 2023, 201: 107735.
Part.9
新型高性能结构材料
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编辑：郑 龙
审核：王文达
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王文达课题组
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兰州理工大学土木工程学院王文达课题组
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