美标钢结构特殊抗弯框架之设计(4)

3.钢结构特殊抗弯框架的设计原则

ASCE 7确定所需的框架强度的方法包括地震反应修正系数R，该系数反映了设计水平地面运动的预期非弹性反应程度以及框架系统的延性能力。允许使用R=8的值设计钢结构特殊抗弯框架，并且当受到设计水平地面运动时，钢结构特殊抗弯框架预计能够承受多个周期的显著非弹性响应。但许多钢结构的特殊抗弯框架结构都有很大的超度。这种超强是由许多因素造成的，包括柱尺寸过大以满足强柱/弱梁标准、使用过大截面以提供足够的刚度以进行侧移控制以及钢材料本身强度的变化。因此，尽管规范规定的R值为8意味着在强度为设计地震的1/8的振动下开始非弹性行为，但许多钢结构特殊抗弯框架结构在强度约为设计地震的1/3的振动下，甚至在强度更大的振动下，仍保持弹性。

AISC 341配置和构造要求提供延性非弹性响应。主要目标是（1）实现强柱/弱梁条件，这有助于将非弹性响应分布在多个楼层上，（2）避免重力荷载和预计侧向地震位移下的P-Δ不稳定性，以及（3）纳入在屈服区域实现延性弯曲响应的构造。

ASCE 7§12.2.1表12.2-1中关于钢结构特殊抗弯框架的设计标准，包括R、Cd和超强系数，Ωo、系数是根据历史先例和框架的过去性能确定的，框架基本上具有全强度，梁和柱之间具有完全约束连接。ASCE 7§12.2.1.2建立了等效性标准，根据该标准，结构体系的指定部件或构造的替代物可被鉴定为与指定部件等效，允许使用相同的R、Cd和Ωo进行这些替换时的系数。认识到这一点，AISC 341§E3.2修改了钢结构特殊抗弯框架的设计基础，以允许使用部分强度、部分约束连接，前提是通过测试和分析证明了这一点，如ASCE 7§12.2.1.2允许的连接。

目前，有一种局部强度连接技术，即Simpson强力连接框架™已证明连接件足以替代钢结构特殊抗弯框架中的完全约束连接。在采用这种连接技术的框架中，非弹性行为通过与柱相邻的连接构件的受控屈服来调节。这种屈服对框架性能的影响类似于具有全强度连接的梁中塑性铰的形成。为简单起见，本文并不区分完全约束和部分约束连接，除非对设计考虑非常重要。

部分约束连接在ASCE 7-16和ASCE 341-16出版之前，要求钢结构特殊抗弯框架包含全强度、完全约束的梁柱连接。ASCE 7-16建立了等效标准，该标准已用于鉴定一种部分强度弯矩连接技术的使用。未来可能使用其他部分强度技术。

3.1强柱弱梁框架

为了避免多层结构中出现P-Δ失稳，需要在结构高度上实现相对均匀的侧移分布。为了实现这种分布，避免早期形成单层机制，其中非弹性响应主要由单层内柱顶部和底部塑性铰的形成决定（图2-8），这一点尤其重要。当这种单层机制形成时，结构位移的大部分非弹性部分将发生在这些层内，从而在这些位置产生非常大的P-Δ效应。为了避免这些影响，建筑规范要求设计促进形成以梁铰为主的多层侧移机构，而不是柱链，如图3-1中的理想侧移机构。这些要求称为强柱/弱梁设计。

图3-1 理想侧移机构，用于具有强柱/弱梁设计的柱

AISC 341§E3.4采用强柱/弱梁设计方法，要求每个接头处的柱弯曲强度总和超过梁弯曲强度总和。为了确定柱适用抗弯强度，考虑柱中同时存在的轴向荷载以及抗弯要求。这些规定提供了确定柱–梁强度比的表达式，并承认设计要求不足以完全避免柱的弯曲铰。符合强柱/弱梁要求适用于框架顶层的柱、设计需要的强度大大低于其设计强度的柱以及豁免的柱，因为它们仅为所考虑楼层的框架或结构提供有限的侧向抗力。

AISC 341规定要求对梁柱连接进行附加侧向支撑，除非可以确保柱将保持弹性。本文第5.4节讨论了此附加支撑要求。分析研究表明，AISC 341§3.4强柱/弱梁规定不足以在所有情况下避免形成楼层机制。设计师可能希望将立柱尺寸增加到规范要求之外，以在较大地震事件中获得更好的性能。当柱梁弯矩比为2或更大时，AISC341§E3.4c允许假设柱将保持弹性。这种方法的优点通常是减少了提供昂贵腹板加劲肋和补强板的需要；因此，尽管项目中使用的钢材总重量增加，但该方法可能更具成本效益。