钢筋混凝土框架内填充砌体墙平面外性能评估的流型荷载拟静力试验方法

《Engineering Structures》：Quasi-static flow-type loading tests for the out of plane performance assessment of full-scale masonry infill walls in reinforced concrete frames

　　

既有针对流型荷载（即洪水、海啸）作用下结构性能评估方法依赖假设及源自其他灾害（如地震）的既有认知。然而，流型诱导荷载在本质上不同于地震作用，其对淹没构件施加长时非均匀压力。由于缩尺困难，水槽或波池中对大尺度结构构件在流体荷载下的试验十分有限。本文提出一种新颖的拟静力试验方法，用于在结构实验室环境中对受模拟流型荷载的钢筋混凝土（RC）框架内全尺寸砌体填充墙进行试验。创新试验装置采用28个气动执行器阵列，并开发了新颖的试验流程（即试验装置与荷载协议），用于拟静力模拟随流深递增的流型诱导荷载作用于全尺寸建筑构件。所提试验方法的可行性在4面全尺寸砌体填充墙（尺寸4.2 m × 2.3 m）于RC框架中得以验证。试验可评估流深递增条件下砌体填充墙的平面外（OOP）性能。带抹灰与无抹灰墙体均被测试以揭示后者对墙体整体承载力的效应。本文给出并讨论了流型试验的原始试验数据，以洞察填充墙在流型荷载下的OOP承载力。最后，将流型荷载下填充墙OOP性能与同一试件此前在地震荷载条件下的试验结果进行对比。结果证实了所提试验方法刻画全尺寸建筑构件在流型荷载下结构响应之可行性。

研究背景与问题提出

既有针对海啸与海岸洪水事件下建筑性能评估的数值分析多沿用地震工程建模策略，直至2011年东北地震海啸后，可变深度推覆（VDPO）与递增洪深分析（IFHA）等方法才被提出并纳入ASCE 7–22推荐流程。然而此类数值方法从未被试验数据验证，因为水槽或波池模拟器缩尺比介于1:6–1:100，即便日本PARI最大海啸模拟器也仅能测试1:10或1:20缩尺试件，无法可靠获取全局与局部（构件层次）结构响应，亦无法产出供数值模型校验的数据。流型荷载下大尺度试验数据缺失与可行试验技术空白，构成海啸洪水易损性评估与国标设计条文发展的关键缺陷。为此，研究人员在波流水槽之外首次尝试以拟静力方式复现海啸诱导荷载的准稳态长时特性，并基于波流水槽已证实非定常流在结构分析语境可视为准稳态的前提，提出在结构实验室内以全尺寸试件实施流型荷载拟静力试验的新路径。该研究发表于《Engineering Structures》。

主要关键技术方法

研究人员改造葡萄牙波尔图大学既有用于地震均匀压OOP试验的28气动执行器阵列（覆盖4.2 m × 2.3 m），使四水平行执行器独立控压以模拟流深递增的非均匀压力分布；采用力控协议而非位移控，依据Foster等稳态流方程（Fr<u/√(gH_w)分亚临界与壅塞流态）计算净拖曳力，结合阻挡比b/w=0.6求λ_s，并叠加静水不平衡力F_S=0.5ρgH_w²b，将总力转为流深以下墙面均布压；试件为单跨单层RC框架内填4.2 m×2.3 m砌体墙（无抹灰/带抹灰各两），以14测点拉杆配称重传感器监RC反力、27 LVDT监墙OOP变形、附加LVDT监RC框面外零变形；荷载沿OOP的z向施加，单调增流深至破坏，等效模拟VDPO。样本为4个全尺寸地中海式砌体填充墙RC框架试件，其中参照组为Furtado同型件此前均匀循环地震加载数据。

研究结果

1. 2.
   Flow-type testing facility and loading conditions（流型试验设施与荷载条件）
   研究人员增强波尔图大学OOP试验台，将原均匀压控改为四行执行器独立力控，以等效VDPO单调增流深。通过Foster方程分Fr阈计算拖曳力，取ρ=1.2 t/m³（计悬浮泥沙）、C_D及λ_s(b/w)=0.73+1.2(b/w)+1.1(b/w)²，b/w=0.6，叠静水压力，转化为流深以下均布法向压。

2.1 Experimental setup and instrumentation（试验装置与仪表）

28气动执行器分4行布于x向，木垫均压，钢反力自平衡架通过14拉杆与RC框连接并嵌称重传感器，RC框仅提供边界不承受OOP载；27 LVDT布墙面对OOP变形，6 LVDT监梁柱z向零变，1 LVDT监顶梁竖向变。

2.2 Load protocols for flow-type loading（流型荷载协议）

拟静力试验取力控；依稳态流Foster式，Fr<u/√(gH_w)时F_D=0.5C_Dρu²H_wb，Fr≥Fr_c时F_D=λ_sρg^1/3u^4/3H_w^4/3b；静水项F_S=0.5ρgH_w²b；总压转为随H_w增高、下重上轻的梯形分布，复现VDPO。

研究人员通过对4个全尺寸试件（裸墙与抹灰墙分别接受纯静水、静水+拖曳组合）加载至破坏，记录裂纹演进与极限OOP承载力，并将流型结果与前人同件均匀循环地震OOP试验对照。结果显示：流型非均匀压使墙体裂缝自受压区底部发起呈水平主导劈裂，抹灰提升整体承载力约一档；同件在地震均匀压下的破坏位移明显大于流型梯度压，证实荷载空间非均匀性是填充墙OOP能力评估中不可忽略因子；所改台架与力控协议可稳定复现随流深递增的准稳态流压，全尺寸数据填补了VDPO/IFHA数值方法缺试验校验的空白。

讨论与结论翻译

讨论指出，既往地震经验模型因荷载均布假定不能直接迁移至洪水海啸场景；本文全尺寸拟静力流型试验首次提供构件层次OOP承载力与裂纹形态原始数据，证明气动阵列台可替代缩尺水槽获取准稳态流压响应。结论如下：所提拟静力试验方法能可行刻画全尺寸建筑构件于流型荷载下结构响应；随流深递增的非均匀压协议可等价VDPO；抹灰显著改变墙体OOP能力；流型与地震均匀压下的同件响应差异量化了荷载分布效应的影响；研究成果为ASCE 7–22类流型结构分析与易损性模型校验提供首套全尺寸试验基准。