2.特殊抗弯框架的使用

2.1历史发展

尽管钢结构特殊抗弯框架的概念在建筑规范中是一个相对较新的发展，但钢结构抗弯框架已经使用了一百多年，可以追溯到结构钢在建筑施工中的最早使用。美国钢结构建筑的一个显著例子是框架承载竖向荷载的芝加哥房屋保险大楼，这是一座建于1884年的10层建筑，高度为138英尺（42米），通过钢铁构件框架承受重力荷载，它通常被认为是第一座摩天大楼（图2-1）。芝加哥、纽约和其他美国城市的这座和其他高层建筑催生了整整一代高层建筑，由支撑混凝土或木地板的承重钢框架和周边的非承重、无钢筋砌体填充墙构成。这些早期结构中的框架通常使用由板、“L”和“Z”截面组成的“H”形。从曼哈顿建筑（1889年）开始，周边框架连接通常包括大型加劲三角形节点板，通过角钢和铆钉连接到梁和柱上（图2-2）。通常钢框架完全由砌体、混凝土或其组合围护，以提供耐火性。传闻证据表明，这些早期抗矩框架结构的设计师忽略了混凝土和砌体围护的结构贡献，并进一步假设框架连接件在重力荷载下充当“铰接”连接，在侧向荷载下充当“固结”连接。尽管有这些假设，这些结构中的钢框架通过其围护的组合行为得到了实质性的加固和加强。

图2-1  家庭保险大楼——一座早期摩天大楼，芝加哥，伊利诺伊州，1884年

图2-2典型的早期抗弯连接，由重型三角形节点板、角钢和连接组合柱和梁的铆钉组成

这种基本的建筑风格在20世纪30年代一直在高层建筑中流行，但到了20世纪初，轧制的“I”形和“H”形截面开始越来越多地取代组合截面，尤其是用于较轻的框架。许多非常高的建筑，包括纽约帝国大厦，多年来一直是世界上最高的建筑，都属于这种建筑类型。

第二次世界大战后，用填充无钢筋砌体建造周边墙，特别是高层建筑，变得不经济，更多的现代玻璃和铝幕墙体系被采用作为新的现代建筑风格的一部分。这些新的幕墙体系可能具有更大的窗户，因此不能采用大型节点板框架连接，工程师开始设计无节点板的连接，使用角钢或分体式T形件将顶部和底部翼缘连接到柱上（图2-3）。

图2-3铆接、未加劲的角钢连接

20世纪50年代，随着焊接在建筑施工中越来越普遍，角钢和分体T形件被翼缘板取代，翼缘板在车间焊接到柱翼缘上，然后铆接到梁翼缘上。到了20世纪60年代，铆接变得不经济，被高强度螺栓连接所取代。最后，在20世纪70年代早期，工程师开始使用今天称为焊接无加强翼缘、螺栓连接腹板（图2-4）的连接类型，包括现场焊接的完全熔透坡口焊缝，将梁翼缘连接到柱上，并使用车间焊接的现场螺栓连接剪切板将梁腹板连接到柱上。

图2-41970年至1994年，焊接无加强翼缘、螺栓连接腹板广泛使用

几乎从钢框架作为建筑施工的一种手段开始，工程师们就开始注意到，钢框架似乎在地震中表现出优越的性能。超过20个这样的结构经受住并幸存下来的1906旧金山地震和随后的火灾，而在旧金山中心商业区的其他建筑物仍然屹立（图2-5）。许多钢结构建筑至今仍在使用。近90年来，随着更多的地震震动了几乎没有明显损坏的钢结构，一个优越的抗震能力的声誉被创造出来。这些结构所具有的大部分抗震和耐火性能是钢框架和包围砌体和混凝土的复合相互作用的结果。对钢构件采用轻质防火材料的现代钢结构没有这种组合性能的优点。

图2-5旧金山市中心的钢结构建筑在1906地震中表现良好。

由于这些结构具有明显的优越性能，20世纪60年代的建筑规范采用了钢框架的优先抗震设计标准。根据这些规范，具有完整的垂直承载空间框架作为其抗侧力系统的建筑物可设计为支撑框架规定的地震力的三分之二和承重墙结构规定的力的一半。此外，这些规范要求在高度超过160英尺（49米）的建筑物中采用此类抗弯框架。

在20世纪60年代和70年代，加州大学伯克利分校的Popov教授和其他研究人员开始对钢结构抗弯框架进行循环实验室测试，发现对这些结构的配置和构造的一些控制是在强地震中获得优越的非弹性行为所必需的。渐渐地在整个20世纪70年代和80年代，建筑规范开始采纳这些研究人员的建议，并要求在高地震概率地区用于抗震的钢框架进行特殊设计、配置和构造设计。符合这些设计标准的框架首先在《统一建筑规范》（UBC）中被指定为延性抗弯空间框架，然后在1988年《UBC》（ICBO1988）中被指定为特殊抗弯矩空间框架，其响应修正系数最高为Rw。之所以采用“特殊”一词，既因为这些结构的设计采用了特殊标准，也因为人们期望它们在强震中提供特殊的，即优越的性能。

最初，特殊设计标准仅限于要求连接能够发展连接件的强度，焊接无加强翼缘螺栓连接腹板连接件被视为符合标准。随后，引入了强柱/弱梁、节点域剪切强度（定义见第7页）、截面紧凑和横向支撑标准的要求。这一时期的建筑规范要求在强震区高度超过160英尺（49米）的所有结构中使用延性抗弯空间框架，因此这一时期在美国西部建造的几乎所有高层建筑都是钢结构抗弯框架结构。20世纪60年代和70年代设计的此类结构倾向于在每个梁柱接头处采用抗弯连接，从而提供了大量冗余和抗侧力分布。然而，到了20世纪80年代，工程师们已经开始节约他们的设计，并通过使用更少的抗弯框架开间（使用更重的梁和柱）来减少昂贵的现场焊接，从而减少冗余结构和更集中的抗侧力。在极端情况下，一些高层结构在建筑的每一侧仅配备一个或两个抗弯框架开间。

1994年洛杉矶地区发生Northridge地震后，工程师们惊讶地发现，20多个现代特殊钢结构抗弯框架的焊接梁柱连接件发生了脆性断裂。图2-6显示了此类损坏的一个实例；也发现了许多不同类型的裂缝，大多数裂缝起始于底部梁翼缘与柱翼缘的连接处。一年后的1995年日本神户地震也发生了类似的破坏。根据这些发现，一个由专业协会和研究人员组成的团队（称为SAC团队）参与了一项由联邦政府资助的多年研发计划，以确定这种偶然性能的原因，并为更坚固的框架结构提出建议。SAC研究耗资1200万美元，历时八年，为AISC 341、AISC 358和AWSD1.8中包含的抗弯框架的当前设计规定提供了基础。

图2-6Northridge地震中焊接梁柱连接处W14柱断裂。

1994年Northridge地震和SAC项目在1994年加利福尼亚州Northridge地震后，洛杉矶地区焊接钢框架连接的损坏引发了对既定设计和施工方法可靠性的担忧。许多建筑物在梁柱连接中遭受损坏，这些连接仅经历了中等非弹性要求。破坏包括底部梁翼缘至柱翼缘全焊透坡口焊缝断裂、梁翼缘裂纹以及穿过柱截面的裂纹。断裂是由于基本连接几何形状、缺乏对母材性能的控制、使用具有固有低韧性的焊接填充金属、不受控制的沉积速率、质量控制不足以及其他因素造成的。SAC钢铁项目研究，发表在FEMA 350、FEMA 351、FEMA 352、FEMA 353和FEMA 355系列报告中，支持了钢结构特殊抗弯矩框架设计(FEMA 2000 a-e)的现行规范要求。