摘要：美国规范抗震设计中，特殊抗弯框架（SMF）是很重要的一个概念，在抗震设计中非常重要，特别是我国钢结构应用越来越多，什么是特殊抗弯框架及如何设计对于理解国外的抗震设计理念很重要。慢慢的，在1970和1980年代，建筑规范开始采用这些研究成果，对高烈度区抗弯钢框架抗震设计需要特殊的设计、构成、和构造。...
罗纳德·O·汉堡、赫尔穆特·克兰温克勒、詹姆斯·奥·马利、斯科特·M·亚当
在美国规范的抗震设计中，特殊矩框架（SMF）是抗震设计中一个非常重要的概念，特别是随着钢结构在我国的应用越来越多。 什么是特殊力矩框架以及如何设计它对于了解国外很重要。 抗震设计的理念非常重要。 美国NEHRP编制了一系列设计指南，由具有丰富设计经验的工程师总结设计实践编写而成。 国外设计工程师和软件开发人员对本系列指南给予了高度评价。 美国有很多高层钢结构建筑。 经过长时间的工程实践，我摘录了一篇关于特种弯曲钢架设计的文章。 希望对工程师了解国外抗震设计理念和实践有所帮助。
1 简介
建筑抗震力系统中常采用特种抗弯钢框架，以非线性耗能大的方式抵抗地震作用。 它们是美国建筑规范允许用于 160 英尺以上建筑物的少数可选系统之一，即使对于最严格的住宅建筑也是如此。 最高烈度地区的类别和地震区划。 特种抗弯钢框架的梁、柱、梁柱节点成比例，通过强震作用下的多次非线性往复滞回，结构在结构上抵抗弯矩引起的建筑物侧向移动，轴向力和剪切力。 特殊比例（主要指刚度比）和结构要求是抗强震大非线性行为的基本要求。 由于这些特殊的要求，改进的非线性响应特性，以及对中等力矩框架和普通力矩框架不太严格的结构要求，这些力矩框架被称为特殊力矩框架。
特殊的抗弯钢框架设计要求包含在一系列标准中。 ASCE/SEI 7-05《建筑物和其他结构的最小设计荷载》(ASCE 2006)，后简称ASCE 7，规定了特殊弯曲钢框架的基本荷载标准，以及相应的侧角限制。 ANSI/AISC 341-05，钢结构建筑的抗震规定 (AISC 2005a) 提供了材料、框架构件（梁、柱、梁柱连接）、连接和施工质量控制的详细设计要求。 此外，AISC 341 还对不属于抗震系统的柱提出了要求。 AISC 341 的多个部分考虑了特殊抗弯钢框架的这些相关要求，主要要求涵盖在第 9 部分第 1 部分中。AISC341 第 9 部分参考 ANSI/AISC358-05 特殊和中间钢弯矩框架的资格预审连接for Seismic Applications包括Supplement No.1（AISC 2005b），用于促进和规范特殊力矩钢框架连接设计，而不需要每个项目都做实验。 AISC 358-05 中有一系列不同的弯曲连接配置，2010 版本中添加了额外的连接。
AISC 341 和 358 与 ANSI/AISC 360-05、钢结构建筑规范 (AISC 2005c) 和 AISC 303-05、钢建筑和桥梁标准实践规范 (AISC 2005d) 结合使用。 AISC 360 是主要的 AISC 规范，给出了所有建筑钢结构的设计和施工要求。 除了这些规范之外，美国焊接协会 (AWS) 标准 AWS D1.1 结构焊接规范 (AWS 2004) 和 AWS D1.8 抗震结构焊接规范 (AWS 2005) 给出了特殊力矩框架的焊接和安装要求。 AISC341 2005 版本与 AWS D1.8 有许多重复的要求。 但2010版本将参考AWS D1.8的要求。 还有一本手册，即 AISC 抗震设计手册 (AISC 2006)，它为钢结构的抗弯框架和其他抗震系统提供了有用的设计辅助工具和计算示例。
本指南是为执业结构工程师编写的，旨在帮助他们理解特殊抗弯钢框架设计中的 ASCE 7、AISC 341 和 AISC 358 规范。 按照执业工程师习惯的顺序，首先介绍抗震设计的历史和一般原则，然后介绍系统相关的分析和设计要求。 虽然该指南针对的是执业结构工程师，但它也适用于建筑官员、教师和学生。
本指南遵循2005年版AISC 341和358以及ASCE 7中的相关设计荷载要求。AISC 341主要针对抗震设计系统中的D、E和F类（在ASCE7中定义）。 美国常用的国际建筑规范或 IBC (ICC 2006) 参考 ASCE 7 来确定地震荷载。 AISC 341 与 ASCE 7 一致，并且在术语、系统定义、应用限制和其他问题方面进行了协调。
本指南的主要部分侧重于规范要求和应用。 包括历史背景和插图要求。 评论中包含其他指导。 第 3 至 6 部分给出了分析、性能、比例、特殊抗弯钢框架施工要求及其相关的建筑物其他部分。 第七部分介绍了施工及施工相关方面，强调了特种抗弯钢框架施工中的特殊点。 参考文献、符号和缩写以及致谢位于第 8、9 和 10 节中。
AISC341 2005 和 2010
AISC341-05和AISC358-05是目前ASCE7和2006IBC中特种抗弯钢框架结构设计的主要参考。 AISC341的更新版本正在准备中，预计将于2010年发布。AISC341中的大部分特殊抗弯钢架设计将与2005年版本相同。 该规范经过重新组织，与 AISC 360 更加一致，并包括更多的建筑抗震系统组合。 AISC358-05 预计将于 2009 年发布附录。除了原始出版物中包含的节点之外，还包括预先审查的节点。
规范要求和指南建议
建筑规范规定了设计和施工的最低要求，是行政管辖区采用的法律要求。 因此，采用AISC341、358、360以及相应的ASCE7作为必须满足的最低要求。 本指南主要旨在说明建筑规范和参考规范的要求。 它还提供了规范或标准可能未要求的其他良好设计和施工实践的建议。 该指南区分了建筑规范要求和其他建议。
2、专用折弯架的应用
2.1 历史背景
尽管特殊力矩框架的概念在建筑规范中相对较新，但从最早在建筑中使用结构钢开始，钢框架已经使用了一百多年。 在钢结构建筑中使用框架来承载垂直荷载始于芝加哥家庭保险大楼，该大楼高 138 英尺，建于 1884 年，通常被认为是最早的摩天大楼（图 2-1）。 它与芝加哥的其他高层建筑一起，形成了一代高层建筑，采用钢框架承载混凝土楼板和其他承重构件，外墙采用无筋砖填充。 这些早期的结构一般采用钢板制成的“H”、“L”、“Z”形。 从曼哈顿大厦 (1889) 开始，边缘框架连接通常使用刚度较大的三角形节点板，并使用角钢和地脚螺栓连接到梁和柱（图 2-2）。 通常，钢框架完全用砖、混凝土或两者封闭，以提供防火保护。 轶事证据表明，这些早期的抗力矩框架结构忽略了钢和砖的组合结构贡献，假设框架连接足够灵活，可以被认为是“铰接”的重力载荷和“刚性”的横向载荷。 尽管有这些假设，结构中的钢框架在综合作用下得到了显着强化，并且对于水平和垂直载荷具有较大的框架连接刚度。
图 2-1 保险公司大楼 - 伊利诺伊州芝加哥，1885 年
早期的摩天大楼
这种基本的施工方法在 20 世纪 30 年代的高层建筑中仍然很流行，尽管在 1900 年代初轧制 H 型钢复合型材得到了更多的应用，特别是轻钢框架。 许多高层建筑都属于这种类型，包括多年来一直是世界最高建筑的纽约帝国大厦。
图2-2 典型的早期弯曲连接，由厚三角形连接板、角钢和连接梁柱的锚栓加固
从第二次世界大战开始，建造无筋填充外砖墙变得不经济，尤其是高层建筑。 新的现代建筑风格使用更现代的玻璃和铝幕墙系统。 这些新型幕墙的窗户较大，不想使用大节点连接板，因此工程师开始设计无连接板，使用角钢或分体T型钢将梁翼缘的顶部和底部连接到柱上（图 2-3）。
图2-3 铆接与非加强角钢连接
20 世纪 50 年代，随着焊接引入建筑施工，角钢和拼合三通被法兰板取代，法兰板在工厂焊接到柱法兰上，然后铆接到梁法兰上。 到了 20 世纪 60 年代，铆接变得不经济，被高强度螺栓取代。 最终，到了 20 世纪 70 年代初，工程师开始使用当今所谓的焊接非加固翼缘到螺栓腹板（图 2-4）连接类型，该连接类型结合了现场焊接、全接头坡口焊接来将节点梁翼缘连接到柱上和制造工厂焊接、现场螺栓连接的剪力板将节点腹板连接到柱上。
图2-4 焊接非加强法兰-螺栓法兰连接
1970-1994 年经常使用
几乎从建筑施工一开始，工程师就开始注意到抗弯钢框架似乎在地震期间表现出更好的性能。 20 多座此类建筑在 1906 年旧金山地震和随后的火灾中幸存下来，而旧金山中央商务区的其他建筑几乎没有幸存（图 2-5）。 许多这些钢框架建筑至今仍在使用。 随着 20 世纪 90 年代的临近，钢结构发生了更多的地震，几乎没有造成明显的损坏，并赢得了卓越抗震能力的声誉。 值得指出的是，这些结构的良好抗震性和耐火性是由于钢框架与复合砖和混凝土的相互作用，而钢构件使用轻质耐火材料并不能从复合行为中受益。
由于这些结构明显优越的性能，20 世纪 60 年代的建筑规范青睐抗弯钢框架。 在这些规范中，建筑物有一个完全承受垂直荷载的空间框架，因此可以设计水平阻力系统，使给定地震力的 2/3 传递到支撑框架，一半的力传递到承重框架墙结构。 此外，这些规范要求在 160 英尺以上的建筑物中使用抗弯矩框架。
20世纪60年代和70年代，加州大学伯克利分校的Egor Popov教授和其他研究人员开始对抗弯矩钢框架进行往复实验，发现需要进行一些刚度比控制和结构构造才能在强载荷下获得优异的非线性行为。地震。 慢慢地，在 20 世纪 70 年代和 80 年代，建筑规范开始采用这些研究结果，要求对高严重地区的抗弯钢框架的抗震设计进行特殊的设计、组成和施工。 符合这些设计标准的框架首先被设计为延性抗弯矩空间框架，后来在 1988 年 UBC 统一规范中被设计为具有最高反作用修正系数 Rw 的特殊抗弯矩空间框架。 使用名词“特殊”是因为这些结构的特殊标准，并且因为预期它们在强地震下提供特别优越的性能。
最初，特殊设计标准仅限于能够形成连接的构件的强度要求，其中焊接非增强法兰螺栓腹板连接作为必须满足的标准。 后来，提出了提供强柱/弱梁、节点区域抗剪强度与梁弯曲能力的平衡、截面宽厚比和横向支撑标准的要求。 这个时代的建筑规范要求在超过240英尺的高强度区域使用延性抗弯空间框架，因此这一时期美国西部几乎所有高层建筑都使用抗弯钢框架结构。 20 世纪 60 年代和 1970 年代设计的结构倾向于在所有梁柱节点处使用弯曲连接，为侧向力分布提供冗余能力。 然而，到了 20 世纪 80 年代，工程师们开始更加经济地进行设计，通过使用跨度较小的较大力矩框架，最大限度地减少昂贵的现场焊接，从而减少冗余结构并提高中央横向力阻力。 在极端情况下，一些高层结构在每个方向上仅提供一跨的抗弯框架。
图2-5——旧金山的钢框架结构在1906年地震中表现良好
1994年洛杉矶地区北岭地震后，工程师们惊讶地发现，一些现代特种抗弯框架结构的梁柱焊接节点出现了脆性断裂。 图 2-6 显示了此类故障的示例，但是，还发现了许多不同类型的故障，大多数是从底部梁翼缘连接到柱翼缘开始的。 一年后，1995 年日本神户地震也发生了类似的破坏。 根据这些发现，一个名为 SAC Collaborative 的专业小组开展了一项由联邦政府资助的多年研究项目，旨在制定建议以确定这种意外行为的原因，并制定建议以构建更坚固的抗力矩框架。 SAC 经过八年时间和 1200 万美元的研究成果，得出了 AISC341、AISC358 和 AWSD1.8 中包含的现代力矩框架设计规范。
图 2-6 - W14 柱梁柱焊接接头处的 Northridge 地震裂缝
1994年北岭地震及SAC钢结构工程
1994 年加利福尼亚州北岭地震后，特殊抗弯钢框架连接（洛杉矶地区）的失效引发了人们对现有设计和施工流程的担忧。 许多建筑物仅在中等非线性要求下就会出现梁柱连接失效的情况。 损坏包括从梁翼缘底部到柱翼缘焊接坡口完全焊透、梁翼缘裂纹、柱截面裂纹（FEMA2000）。 裂纹是由于基本接头几何形状、缺乏对材料性能的控制、焊缝填充金属硬度低、伸长率不受控制、质量控制不充分等因素造成的。 SAC Associates 的研究发表在 FEMA 350、351、352、353 和 355 系列报告中，构成了特殊抗力矩钢框架当前设计规范的基础。
2.2 钢框架的抗震性能
即使在加利福尼亚和阿拉斯加等地震严重程度较高的地区，强烈地震也很少见，对典型建筑工地的影响平均间隔数百年。 因此，设计能够承受如此严重且罕见的地震的结构在经济上是不切实际的。 相反，建筑规范采用的设计理念是通过避免严重地震期间的倒塌来提供安全性，同时允许广泛的结构性和非结构性损坏。
特殊抗弯钢框架的非线性行为有望通过在梁柱节点和柱底座处形成塑性铰来实现。 塑性铰是通过梁的弯曲屈服和柱节点区域的剪切屈服来实现的。
除了上述讨论之外，研究和常识表明，在设计特殊抗弯钢框架时，还应考虑其他破坏模型，其中一些模型在过去的地震中没有观察到。 这些模式与框架的行为相关，而不是与分区和地基等其他元素相关，包含以下标准：
▸光束行为。 预计梁在目标塑性铰位置处会经历较大的非线性角度，无论是在端部、在梁设计截面的故意弱化部分中，还是在梁跨度内（如果存在较大的重力引起的弯矩）。 失效模式可包括附加局部不稳定性（图 2-7）和横向扭转不稳定性。 每种模式本身或两者的组合都会导致强度和刚度不断降低，地震后修复起来成本高昂。
图 2-7 高度非线性角塑性铰区域中梁翼缘和腹板的典型行为
局部不稳定
▸梁柱连接。 连接必须能够将从梁到柱形成的弯矩和剪力传递给柱。 由于材料强度过高和应变硬化，这些弯矩和剪切力可能比使用规范载荷分析得出的设计内力大得多。 根据所使用的连接类型，这可能会导致损坏模式，例如：
•在焊缝中或沿焊缝周边
•较大应变下的材料失效
•维修孔损坏
•螺栓孔净截面破坏、螺栓抗剪切和拉力破坏、螺栓轴承和轴承座抗剪切破坏。
▸节点区域行为。 节点区承受从梁到柱的较大剪力。 作为立柱的一部分，它还可以承受很大的压应力。 可能的失效模式包括剪切不稳定（如果使用双层面板来加固接缝区域）和焊接失效。 与从梁翼缘到柱的直接力传递相关的失效模式包括柱翼缘弯曲、腹板屈曲和腹板失稳。
▸ 列行为。 目的是防止大多数柱子发生非弹性变形，并最大限度地减少高轴向压缩对弯曲行为和可能形成的单层结构的有害影响（图 2-8）。 然而，许多设计符合 AISC341 §9.6 强柱/弱梁要求的柱在大地震期间可能会经历大的非弹性旋转角度。 因此，除了基本的柱弯曲失稳外，过度的局部失稳和侧向失稳也是可能的失效模式。
图2-8 形成单层框架机制，也称为“弱层”机制
▸柱接头。 柱拼接失效模式与梁柱连接列出的失效模式类似。 柱拼接失效不仅降低或降低了抗弯、抗拉能力，而且也降低或降低了柱传递剪力的能力。 由于特殊抗弯钢框架中的重力柱可能会遭受较大的横向变形和相应的地震力，因此这些柱中的柱间拼接可能会遭受这种损坏。
▸ 柱底座。 失效模式取决于柱与基础的连接。 这些包括锚杆伸长或拔出、底板失效或柱底板接头，以及如果非线性变形集中在柱底区域，则过度的局部或侧向扭转不稳定。
▸ 结构性P-delta 效应。 当结构同时受到重力和横向作用时，会发生内力放大和横向位移，称为 P-delta 效应。 这种效应会降低框架的侧向阻力和刚度，一旦机构建立，可能会导致负有效切向刚度，从而导致倒塌。
▸横向塌陷。 当有效楼板剪力因初始内力和P-δ而超过楼板抗剪力时，可能会发生框架倒塌。 本指南重点关注设计准则和分析验证，以确保在不允许的模式下不会出现上述损坏模式。
2.3 何时使用特殊抗弯钢框架
抗弯框架结构的主要优点是没有结构墙或垂直对角支撑。 这提供了建筑设计的自由度，允许开放的跨度和无障碍的视野。 这一优点的代价是抗弯矩框架的建造成本可能比支撑框架或剪力墙结构更昂贵。 与支撑结构相比，增加的成本来自于更大的截面来抵抗弯矩、增加的钢材用量以及节点需要更多的人力。 然而，通常情况下，抗力矩框架对基础施加的力比其他系统更小，从而形成相对更经济的基础。
一旦工程选定了抗弯钢框架，设计者可以从多种类型中进行选择，包括特殊抗弯钢框架、中等抗弯钢框架、普通抗弯钢框架和不具有特殊抗震能力的抗弯钢框架。
对于不是专门为抗震而建造的抗弯框架，没有结构要求。 它们只需符合ASCE7和AISC360的强度和位移比要求。 在 D、E 和 F 类地震中，这些框架不允许作为抗力系统。 普通抗弯框架，按照AISC341，§11给出的限制要求设计，允许用于适合所有地震类别的轻型、单层结构和低层住宅结构，对地震类别A、B没有限制，和 C. 中等抗力矩框架，在 AISC 341，§10 中具有更严格的限制，在地震类别 D 中允许高度为 35 英尺美国钢结构设计手册，并且可用于地震类别 E 和 F 的轻型单层结构。符合 AISC 341，§9 的特殊抗力矩钢框架适用于所有地震类别，并且对于地震类别 D、E 和 F 中超过 160 英尺的结构来说是必需的。该结构必须满足某些常规形状要求，并可扩展到更多超过240英尺需要使用特殊的抗弯钢架。
近年来，许多地震烈度较高的高层建筑都采用了双系统。 特殊的抗弯钢框架可提供 25% 的横向强度，并与剪力墙或支撑框架结合使用。 对于无抗震结构的框架、普通受弯框架、中型受弯框架、特种受弯钢框架，建筑规范要求的抗震强度相应较小。 然而，性能更好的系统需要更多的结构要求，并且通常会增加建造成本。
2.4 帧率
除了作为双系统一部分的特殊抗弯钢框架外，基础抗剪能力不是主要的设计考虑因素。 影响特殊抗弯钢框架构件尺寸选择的主要因素是控制设计侧向位移比在允许水平内，防止Pδ失稳，结构构件比符合AISC341§9.6强柱弱梁规范。 许多设计师发现，使用大腹板高度的柱（W24、W36、层压箱形截面）是一种经济的选择，可以促进位移比控制和强柱/弱梁要求。 翼缘长度较长的截面美国钢结构设计手册，特别是当截面较小时，可能会导致局部不稳定和横向扭转屈曲，应避免。 限制力矩框架的跨度通常具有优势，因为大跨度框架往往更灵活，增加了需要控制位移比的横截面尺寸。 框架跨度超过 40 英尺是不切实际的。 然而，还需要避免短跨度，因为非线性行为是由相对于梁的弯曲屈服的剪切屈服控制的。 同时，大多数特殊抗弯钢框架中的预制连接都有梁跨比限制，以防止跨度过小。 跨度小于 20 英尺是不经济的。
钢框架构件承受较大非线性变形的能力部分取决于截面高度和面积。 符合 AISC 341，§8.2b 的小面积和小高度的横截面连接往往比大高度和大横截面的横截面具有更大的非线性变形能力。 因此，更希望将特殊抗弯钢框架的侧向阻力分布在更多的框架跨度上，从而提供高冗余度并减小框架尺寸。 在某些情况下，较小的部件可以抵消额外的加工成本。
2.5 承载能力及位移比
虽然刚度通常控制大多数特殊的抗弯钢框架比例，但也应考虑强度。 ASCE 7，§12.2.1，表12.2-1允许特殊抗弯钢框架使用修正系数R为8。即设计基础剪力允许等于弹性分析结果的1/8 ，只要基础剪力不小于所有结构的最低水平。 基础剪力计算通常近似于 ASCE7，§12.8.2 中定义的上限周期。 必须检查风荷载，并且可以控制强度要求，特别是对于较高的结构。 常见地震荷载控制位移比要求和风荷载控制强度要求。 无论重力、风或地震控制如何，当使用特殊的抗弯钢框架时，比例和施工要求均适用。
框架刚度必须足以将各层的位移比控制在一定范围内。 ASCE 7，§12.1，表 12.12-1 提供了允许的地板漂移，Δa 是结构类型的函数。 冗余系数ρ根据ASCE 7，§12.3.4.2的要求确定，也影响允许位移比。 ASCE 7，§12.12.1.1 限制设计楼层位移比，ΔU 至 Δa/p。
无论是否使用许用强度设计载荷和抗震系数评估强度，位移比计算均使用地震力水平计算，并使用变形系数 Cd 放大。 该规范没有规定风荷载的具体位移比限制。 许多高层建筑设计工程师通过控制风荷载位移比来增加强风下的舒适度。 在一些建筑物中，希望限制位移比并保护外墙、楼梯和其他结构单元免受从一层到另一层的垂直损坏。
刘春明供稿，侯小武审核
