美标钢筋混凝土特殊抗弯框架之设计(4)

3.特殊抗弯框架的设计原则

如第2.4节所述，ASCE 7使用的设计基底剪力远小于预期地震强度下线性响应所需的基底剪力。因此，设计水平地震地面运动很可能会使建筑结构远远超出响应的线性范围。与此预期一致，ACI 318规定了特殊抗弯框架的配置和构造要求，这些框架旨在产生能够进行多次非弹性响应循环且不会出现临界强度损失的结构。三个主要目标是（1）实现将非弹性响应扩展到多个楼层的强柱/弱梁设计，（2）提供在预期屈服区域实现延性弯曲响应的构造，以及（3）避免非延性失效。此外，必须详细说明与非结构构造（如楼梯和填充墙）的连接，使其不会影响预期的框架性能。

3.1强柱/弱梁框架设计

当建筑物在地震中摇摆时，损伤随高度的分布取决于侧向层间位移的分布。如果建筑物有弱柱或弱梁柱节点，则层间位移倾向于集中在一层或几层（图3-1a），并可能超过柱的层间位移能力。另一方面，如果柱在建筑高度上提供了一个刚性和坚固的依靠，则层间位移将更均匀地分布（图3-1c），局部损伤将减少。此外，给定楼层中的柱承担这些柱上方整个建筑的重量，而梁仅支撑它们构成其一部分的楼板的重力荷载。因此，柱的破坏比梁的破坏更严重。因此，建筑规范规定，柱应比支撑柱的梁更为坚固。这种强柱/弱梁原理是在强震地面震动期间实现框架安全性能的基础。

（a）楼层机构（b）中间机构（c）梁机构

图3-1特殊抗弯框架的设计避免楼层机构（a），实现中间机构（b）或梁机构（c）

ACI 318采用强柱/弱梁原理，要求柱抗弯强度之和大于特殊抗弯框架的每个梁柱连接处的梁弯矩强度之和。研究（例如，Kuntz和Browning 2003，Moehle2014）表明，只有当柱梁强度比相对较大（大约四个或更多）时，才能实现图3-1c的完整结构机制。由于该比率在大多数情况下是不切实际的，ACI 318采用了较低的强度比率1.2。因此，预计会出现一些与中间机制（图3-1b）相关的柱屈服，因此必须对柱进行相应的构造。本文第5.5节总结了ACI318的详细要求。

3.2延性弯曲性能的梁和柱构造

理想的屈服机制包括梁在整个结构高度上的屈服以及底部的柱。然而，现实情况下，除非柱比梁强得多，否则也必须预计一些柱沿结构高度屈服（见第3.1节）。因此，应构造每个梁柱节点处梁和柱的端部区域，以便这些区域能够承受非弹性弯曲响应，而不会出现临界强度衰减。在抗弯框架平面内，所有楼盖处柱纵向钢筋和所有内部节点处的梁纵向钢筋应连续穿过节点，否则应证明此类节点能够承受多个屈服后循环。横向钢筋应限制核心混凝土，并对纵向钢筋的屈曲提供约束。该横向钢筋应从接合面沿一定长度延伸，该长度将包围梁和柱端部的可能屈服区域。图3-2说明了梁柱连接附近所需的典型详图。

图3-2延性弯曲响应所需典型钢筋构造的框架立面图和截面图