《Applied Sciences》：Strain-Based Experimental Investigation of Load Transfer and Infill–Frame Interaction in Low-Strength RC Frames Under Cyclic Loading
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配筋砌体填充框架被广泛应用；然而，现行抗震设计规范常将砌体填充墙视为非结构构件，导致结构性能评估存在不确定性。本研究通过试验与数值方法，系统考察了无筋砌体填充墙在钢筋混凝土（RC）框架中的作用，重点关注荷载传递机制、应变演化（strain evolution）
配筋砌体填充框架被广泛应用；然而，现行抗震设计规范常将砌体填充墙视为非结构构件，导致结构性能评估存在不确定性。本研究通过试验与数值方法，系统考察了无筋砌体填充墙在钢筋混凝土（RC）框架中的作用，重点关注荷载传递机制、应变演化（strain evolution）及能量重分布特征。研究对两榀2/3缩尺单跨单层RC框架（裸框架与完全填充框架）进行了恒定轴压与准静态往复循环侧向加载试验。通过布置钢筋应变片（strain gauges）捕捉局部变形需求，并建立了非线性宏观模型（macro-model）进行验证。结果表明：砌体填充墙的存在显著提高了框架的极限承载力、初始刚度及能量耗散能力，但同时导致更为脆性的峰后循环响应与加速的刚度退化，引发更突然的峰后性能劣化。应变测量清晰揭示了分阶段相互作用机制：在低漂移水平下，填充墙通过对角压杆作用（diagonal compression strut action）主导侧向抗力，限制框架钢筋需求；随着漂移增大，填充墙的渐进开裂与压碎促使荷载逐步向RC框架转移，表现为钢筋应变增加与刚度退化。在高漂移水平下，体系转变为框架主导行为，出现局部应变集中及柱底或节点处的剪切破坏。这些发现证实填充墙显著改变了结构响应特性，并强调了在填充RC框架抗震评估中纳入基于应变机制的关键重要性。
## 研究背景与问题
砌体填充钢筋混凝土（RC）框架是地震区最为常见的建筑结构形式之一。尽管砌体填充墙常被归类为非结构构件，但历次地震震害调查反复证实其对RC建筑抗震响应具有显著影响——填充墙不仅会改变结构内力分布、增加柱及梁柱节点的剪力需求，还可能触发脆性或过早破坏机制。在低烈度地震作用下，填充墙通过对角压杆效应参与侧向抗力；而随着损伤累积，裂缝扩展、角部压碎及界面退化会逐渐削弱填充墙贡献，将需求转移至RC框架。现行抗震规范如FEMA 356、Eurocode 8及ASCE/SEI 41-13虽已认识到填充墙可能导致柱剪力需求增加，但其处理方式仍较简化，常将砌体面板忽略或理想化为次要构件。这种简化存在问题，因为填充框架的实际响应取决于材料性能、面板几何、框架-填充刚度比、界面条件及施工工艺等多重因素。尤为关键的是，既有研究多聚焦于全局力-位移响应、刚度退化及强度提升，而对钢筋应变的直接试验观测及其如何反映循环退化过程中荷载从填充墙向框架的渐进转移缺乏深入探讨，低漂移下的填充主导响应与高漂移下的框架主导响应之间的量化转变尚未得到充分揭示。本研究正是针对这一空白，通过基于应变的试验方法，系统考察填充墙-框架相互作用机制。
## 研究内容、结论与意义
研究人员对两榀2/3缩尺单跨单层RC框架（裸框架BF与完全填充框架FIF）进行了恒定轴压与完全反向循环侧向加载试验，重点捕捉关键区域钢筋应变演化规律，并开发了基于分布塑性RC构件及宏观填充墙模型的非线性数值模型。研究得出以下核心结论：填充墙使框架极限承载力提高约107%，初始刚度提高约709%，能量耗散能力显著提升，但伴随更为脆性的峰后响应与加速刚度退化；应变测量直接证实了分阶段荷载传递机制——低漂移时填充墙通过对角压杆承担65%~75%侧向抗力，高漂移时退化至40%~50%，框架贡献相应增加；填充墙-框架界面（砂浆层）在峰值荷载前基本保持粘结，峰后发生分离但滑移可忽略，最终破坏模式均为柱底或梁柱节点的剪切破坏。该研究发表于《Applied Sciences》期刊，其重要意义在于：首次通过密集应变观测量化了填充墙-框架从填充主导到框架主导的过渡机制，为既有填充RC框架的抗震评估——特别是针对局部应变需求与脆性破坏机制的评估——提供了直接试验证据，有助于改进性能化抗震设计方法。
研究采用的关键技术方法如下：试验方面，构建了按巴基斯坦和中国常用施工实践的2/3缩尺模型，保持截面尺寸与实际工程一致以避免材料层级的缩尺效应，采用BX120-3AA型应变片（ gauge factor 2.08±1%）监测钢筋应变，位移计监测平面内位移响应，施加30步循环位移加载协议（每级目标位移重复3次）；数值建模方面，采用OpenSees（STKO）平台，RC框架采用基于纤维截面的分布塑性梁柱单元（Concrete01本构模拟混凝土，Steel02本构模拟钢筋），填充墙采用等效对角压杆宏观模型（基于Khan提出的五阶段本构关系：弹性、开裂、峰值强度、峰后退化与残余段），结合Kadysiewski和Mosalam提出的面内-面外相互作用建模思路进行模拟。
## 研究结果
**破坏模式**：裸框架（BF）与填充框架（FIF）的破坏特征存在本质差异。裸框架在1.32%漂移时钢筋屈服，应变发展均匀连续，柱底应变集中高于梁柱节点，最终形成塑性铰，表现为延性破坏。填充框架在0.44%漂移时出现首条对角裂缝（对应66.7%极限承载力），此时裂缝宽度较小，填充墙仍作为有效对角压杆；随着循环加载，裂缝逐渐扩展、角部压碎及界面脱粘导致填充墙逐步失效，最终于高漂移下发生柱底或节点的剪切破坏，呈现脆性特征。填充墙与框架间的砂浆界面在峰值荷载前保持粘结、滑移可忽略，峰后逐渐脱粘并产生滑移，此滑移减少了有效接触面积，加速力重分布并导致滞回曲线中出现显著捏拢（pinching）效应。
**钢筋应变演化与填充墙-框架相互作用机制**：裸框架的应变演化呈现均匀连续增长，无突变跳跃，整个加载过程保持框架主导。填充框架则表现出分阶段特征：≤0.88%漂移时，钢筋应变维持低位，填充墙通过对角压杆吸引大部分侧向荷载；1.32%漂移后应变渐增但仍低于同位移裸框架；≥2.20%漂移时，填充墙角部压碎与砖块解体导致内力快速重分布，钢筋应变出现明显甚至突发性增长。研究人员基于应变演化提出了应变能代理指标（strain-based energy proxy），估算低漂移阶段填充墙贡献约65%~75%变形能，框架占25%~35%；高漂移阶段（>2.5%）填充墙贡献降至40%~50%，框架升至50%~60%。这一量化结果直接证实了从填充主导到框架主导的过渡。
**滞回曲线与定量验证**：填充框架的滞回环表现出更显著的捏拢效应，特别是在填充墙对角开裂后，能量耗散能力降低且再加载刚度恢复延迟。残余位移随加载循环逐步累积，填充框架在同等加载阶段的残余漂移显著高于裸框架。数值模型验证显示，裸框架的平均绝对百分比误差（MAPE）为7.2%，决定系数R2=0.89，吻合优异；填充框架因砌体开裂、压碎及捏拢行为的复杂性，MAPE=34.4%，R2=0.66，但仍属工程可接受范围。
**框架性能点与基于漂移的抗震性能评估**：采用ASCE定义的立即使用（IO）、生命安全（LS）和防止倒塌（CP）三级性能水准进行评估。裸框架的IO漂移为3.08%，填充框架降至1.04%（降低约66%）；LS水准从3.11%降至2.57%（降低约17%）；CP水准从4.15%降至3.43%（降低约17%）。填充墙显著提高初始刚度和侧向强度的同时，降低了各性能水准的变形能力，尤其在IO水准影响最为突出。
**承载力曲线理想化与延性分析**：采用基于等能量原理的双线性理想化方法（Dehghani等）进行处理。填充框架极限承载力约为裸框架的2.07倍，初始刚度从3.3 kN/mm激增至26.7 kN/mm。尽管计算得到的位移延性系数μ=10.4（裸框架为2.7），但这仅因等能量理想化中有效屈服位移Δy极小（8.0 mm vs. 83 mm极限位移）所致数学结果，并非真实延性优越；实际上填充框架极限位移（83 mm）小于裸框架（100 mm），且峰后响应 abrupt degradation、局部压碎和有限能量耗散均为典型脆性特征。超强系数Ω0在裸框架为1.82，填充框架为2.15。
**刚度退化**：以割线刚度K与弹性刚度Ke之比评估退化规律。填充框架虽初始刚度极高，但一旦超过弹性限，因砌体材料的脆性本质，其刚度退化速率显著快于裸框架，呈现更陡峭的刚度衰减曲线。
## 讨论与结论总结
研究人员在讨论部分综合分析了填充墙对RC框架抗震性能的双刃剑效应：一方面，填充墙通过对角压杆机制显著提升承载力、刚度和初期能量耗散；另一方面，其脆性退化特性导致力传递的非线性延迟，在填充墙突然失效后框架面临突发性局部需求集中，整体行为更趋脆性。应变测量的价值在于能够将这种宏观力学转变与局部钢筋响应直接关联，为基于性能的抗震评估提供了可观测的物理指标。研究的局限性亦被明确指出：每类试件仅有一榀，且砌体材料（砖和砂浆）强度变异性大（变异系数分别为37%和31%），结果尚不具备统计推广性；数值模型未考虑材料随机性，也未模拟循环界面分离-再接触机制对捏拢效应的完整贡献。未来研究应增加试件数量、采用概率分析方法，并考察不同开洞形式、填充-框架连接细节及面外响应的影响。
**研究结论**：（1）完全砌体填充使RC框架极限承载力提高约107%，初始刚度提高约709%，能量耗散能力增加，但峰后退化更为突然，实际延性变形能力降低；（2）钢筋应变直接证实了分阶段荷载传递机制：~1.5%~2.0%漂移前填充墙承担65%~75%侧向荷载，此后因渐进破坏快速降至40%~50%，框架贡献相应上升；（3）填充墙-框架砂浆界面在峰值荷载前保持完整，峰后允许完全分离，所有填充试件最终均发生柱底或节点剪切破坏；（4）填充框架在高漂移阶段出现应变突发性增长，反映填充墙完整性的部分丧失及非线性延迟力传递，导致局部需求集中和相对裸框架更脆的特性；（5）研究基于单试件配置，结果尚不能统计推广，未来需多种填充材料、开洞配置和连接细节的试件及不同轴向荷载水平的研究。
