罗纳德·奥·汉堡、赫尔穆特·克兰温克勒、詹姆斯·奥·马利、斯科特·M·阿丹
在美国规范的抗震设计中，特殊弯矩框架（SMF）是一个非常重要的概念，它在抗震设计中非常重要，特别是在我国，钢结构应用越来越广泛。什么是特殊弯矩框架，如何设计，对于了解国外的抗震设计理念非常重要。美国NEHRP编纂了一系列的设计指南，这些指南都是由具有丰富设计经验的工程师在总结设计实践的基础上编写而成的。国外的设计工程师和软件开发商对这一系列指南给予了非常高的评价，美国高层钢结构很多，经过长时间的工程实践，现将这篇关于特殊弯矩钢框架设计的文章翻译出来，希望对工程师了解国外的抗震设计理念和做法有所帮助。
1 简介
特殊弯矩钢框架通常用作建筑物中的抗震力系统，具有较大的非线性能量耗散以抵抗地震。它们是美国建筑规范允许用于160英尺以上高建筑物的少数可选系统之一，即使在最严格的占用类别和地震分区最高的地区也是如此。特殊弯矩钢框架具有比例梁，柱和梁柱节点，在结构上设计为通过多个非线性往复滞后来抵抗强震下弯矩，轴向力和剪力引起的建筑物横向移动。特殊比例（主要是刚度比）和结构要求对于较大的非线性行为以抵抗强震是必不可少的。由于这些特殊要求，改善了非线性响应特性，与中等弯矩框架和普通弯矩框架的结构要求不太严格相比，这些弯矩框架被称为特殊弯矩框架。
特殊抗弯钢框架的设计要求涵盖在多个标准中。ASCE/SEI 7-05《建筑物和其他结构的最小设计荷载》（ASCE 2006）（以下简称 ASCE 7）规定了特殊抗弯钢框架的基本荷载标准以及相应的偏角限制。ANSI/AISC 341-05《结构钢建筑的抗震规定》（AISC 2005a）提供了材料、框架构件（梁、柱、梁柱节点）、连接和施工质量控制的详细设计要求。此外，AISC 341 还给出了不属于抗震系统的柱子的要求。 AISC 341 的几个部分考虑了这些特殊抗弯钢框架的要求，主要要求在第 9 节第 1 部分中介绍。AISC341 第 9 节引用了 ANSI/AISC358-05 抗震应用的特殊和中等钢抗弯框架预认证连接，包括补充文件 1 (AISC 2005b)，以促进和标准化特殊抗弯钢框架节点的设计，而无需为每个项目进行实验。AISC358-05 中有一系列不同的抗弯连接配置，2010 版中增加了其他连接。
AISC 341 和 358 与 ANSI/AISC 360-05《结构钢建筑规范》（AISC 2005c）和 AISC 303-05《钢结构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，它为所有建筑钢结构提供了设计和施工要求。除了这些规范之外，美国焊接学会 (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）还为特殊抗弯框架提供了焊接和安装要求。2005 版 AISC 341 与 AWS D1.8 有许多要求重叠。但是，2010 版将参考 AWS D1.8 要求。 还有一本手册，即《AISC 抗震设计手册》（AISC 2006），其中为抗弯框架和其他抗震钢结构提供了有用的设计辅助和示例。
本指南专为执业结构工程师编写，旨在帮助他们理解 ASCE 7、AISC 341 和 AISC 358 特殊抗弯钢框架设计规范。本指南遵循执业工程师习惯的先例顺序，首先介绍抗震设计的历史和一般原则，然后介绍系统特定的分析和设计要求。虽然本指南旨在供执业结构工程师使用，但也适用于建筑官员、讲师和学生。
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 主要用于 D、E 和 F 类（在 ASCE 7 中定义）抗震设计系统。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相互协调。
本指南的主要部分侧重于规范要求及其应用。它包括历史背景和插图要求。指南的其他部分在注释中。第 3 至第 6 部分给出了特殊抗弯钢框架和与其相关的建筑物其他部分的分析、行为、比例和施工要求。第 7 部分介绍了施工和施工相关问题，强调了特殊抗弯钢框架施工中的特殊之处。参考文献、符号和缩写以及致谢在第 8、9 和 10 部分中。
AISC341 2005 和 2010
AISC341-05 和 AISC358-05 目前是 ASCE7 和 2006 IBC 中特殊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框架设计将与 2005 版相同。该规范已重新组织，以与 AISC 360 更加一致，并增加了更多抗震系统组合结构。AISC358-05 预计将于 2009 年发布附录。它包括原始出版物中未包括的预审节点。
监管要求和指南建议
建筑规范给出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，AISC 341、358、360 和相应的 ASCE 7 被采纳为必须满足的最低要求。本指南主要用于解释建筑规范和参考规范的要求，同时还给出了规范或标准可能未要求的其他良好设计和施工实践建议。本指南区分了建筑规范要求和其他建议。
2. 特殊抗弯框架的应用
2.1 历史背景
尽管特殊抗弯框架的概念在建筑规范中相对较新，但钢框架已使用一百多年，从最早使用结构钢的建筑开始。使用框架承载钢结构建筑的垂直荷载始于芝加哥家庭保险大楼，这是一座 138 英尺高的建筑，建于 1884 年，通常被认为是第一座摩天大楼（图 2-1）。这座建筑和芝加哥的其他高层建筑形成了一代高层建筑，这些建筑使用钢框架承载混凝土地板和其他荷载，外墙采用无钢筋砖填充。这些早期结构通常使用“H”形、“L”形和“Z”形钢板。从曼哈顿大厦（1889 年）开始，边缘框架连接通常使用相对坚硬的三角形角撑板，使用角和锚栓连接到梁和柱（图 2-2）。通常，钢框架完全封闭在砖、混凝土或两者中以提供防火保护。 坊间证据表明，这些早期的抗弯框架结构忽略了钢和砖的综合结构贡献钢结构脆性断裂，并假设框架连接足够灵活，在重力载荷下可视为“铰接”，在横向载荷下可视为“刚性”。尽管存在这些假设，但结构中的钢框架通过复合效应得到了强烈的刚度，框架连接刚度对于水平和垂直载荷都很大。
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
这种基本施工方法在 20 世纪 30 年代仍是高层建筑的流行方法，尽管在 20 世纪初，轧制 H 型钢复合型材得到了更广泛的应用，尤其是用于轻钢框架。许多高层建筑都属于这种类型，包括多年来一直是世界上最高的建筑的纽约帝国大厦。
图2-2 典型的早期弯曲连接，由厚三角连接板、角钢和连接梁和柱的锚栓加固
自第二次世界大战以来，建造无筋填充外砌体墙已变得不经济，尤其是对于高层建筑而言。新的现代建筑风格采用了更现代的玻璃和铝幕墙系统。这些新幕墙的较大窗户不需要大型节点连接板，工程师们已经开始进行无连接板设计，使用角钢或分体式T型钢将梁翼缘的顶部和底部连接到柱子（图2-3）。
图2-3 铆接非钢筋角钢连接
20 世纪 50 年代，随着焊接技术在建筑施工中的应用，角钢和对开 T 型钢被工厂焊接到柱法兰上，然后铆接到梁法兰上的法兰板所取代。到了 20 世纪 60 年代，铆接变得不经济，被高强度螺栓所取代。最终在 20 世纪 70 年代初，工程师们开始使用今天被称为焊接非加固法兰螺栓腹板（图 2-4）的连接类型，该连接类型结合了从连接梁法兰到柱的现场焊接、全焊接接头槽，以及工厂焊接、现场螺栓连接的剪力板接头腹板到柱。
图2-4 焊接非加强法兰-螺栓法兰连接
1970 年至 1994 年间频繁使用
几乎从建筑开始，工程师们就开始注意到抗弯钢框架似乎在地震中表现出更好的性能。1906 年旧金山地震和随后的火灾中，有 20 多座这样的建筑幸存了下来，旧金山中央商务区的其他建筑物几乎没有完好无损（图 2-5）。许多这样的钢框架建筑至今仍在使用。近 90 年后，更多的地震作用于钢结构，几乎没有造成明显的损坏，并建立了优越的抗震性能声誉。值得指出的是，这些结构的抗震和抗火性能大部分是钢框架和复合砖和混凝土的相互作用；钢构件中使用轻质防火材料并没有从复合行为中受益。
由于这些结构的性能明显优越，20 世纪 60 年代的建筑规范采用了抗弯钢框架。在这些规范中，建筑物具有承载所有垂直载荷的空间框架，因为水平抗力系统可以设计为将给定地震力的 2/3 传递给支撑框架，将一半传递给承重墙结构。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钢框架进行往复试验，发现需要一定的刚度比控制和结构配置才能在强震中获得出色的非线性行为。逐渐地，在 20 世纪 70 年代和 80 年代，建筑规范开始采用这些研究成果，要求在高强度区域对抗弯钢框架的抗震设计采用特殊的设计、组成和施工。符合这些设计标准的框架最初被设计为延性抗弯空间框架，后来在 1988 年 UBC 统一规范中，被设计为具有最高响应修正系数 Rw 的特殊抗弯空间框架。使用“特殊”一词是因为这些结构具有特殊的标准，并且人们期望它们在强震中提供异常优异的性能。
最初，具体设计标准仅限于对连接构件强度的要求，焊接非加固法兰螺栓腹板连接是必须满足的标准。后来，引入了强柱/弱梁要求，以平衡连接区域的剪切强度与梁的抗弯承载力、截面宽厚比和横向支撑标准。这个时代的建筑规范要求在 240 英尺以上的高强度区域使用延性抗弯空间框架，因此，这一时期美国西部的几乎所有高层建筑都是抗弯钢框架结构。20 世纪 60 年代和 70 年代设计的此类结构倾向于在所有梁柱接头处使用抗弯连接，以提供冗余并分散横向力。然而，到了 20 世纪 80 年代，工程师们的设计更加经济，通过使用更少的跨度和更大的抗弯框架，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心横向力的抵抗力。 在极端情况下，一些高层建筑在每个方向上仅设置一个跨度的框架。
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发生后，工程师们惊讶地发现，一些现代特殊抗弯框架结构在焊接梁柱接头处发生了脆性断裂。图 2-6 显示了此类故障的一个例子，但是，还发现了许多不同类型的故障，其中大多数故障始于梁法兰与柱法兰连接的底部。一年后，1995 年日本神户地震也发生了类似的故障。根据这些发现，一个名为 SAC 联盟的专业组织进行了一项由联邦政府资助的多年研究项目，以制定建议，以确定这种意外行为的原因，并制定建造更坚固的抗弯框架的建议。SAC 研究是八年 1200 万美元努力的成果，产生了 AISC 341、AISC 358 和 AWS D 1.8 中包含的现代抗弯框架设计规范。
图 2-6 - 北岭地震期间 W14 柱在焊接梁柱接头处开裂
1994 年北岭地震和 SAC 钢铁项目
1994 年加州北岭地震发生后，特殊抗弯钢框架连接失效（在洛杉矶地区）引起了人们对现有设计和施工程序的担忧。许多建筑物的梁柱连接失效，而非线性需求仅为中等。失效包括从梁翼缘底部到柱翼缘的全接头焊透焊缝、梁翼缘开裂以及柱截面开裂（FEMA 2000）。开裂是由于基本连接几何形状、缺乏对材料特性的控制、焊接填充金属硬度低、伸长不受控制、质量控制不足和其他因素造成的。SAC 联合协会的研究发表在 FEMA 报告系列 350、351、352、353 和 355 中，构成了特殊抗弯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强度较高的地区，强震也是罕见事件，一般建筑工地平均每几百年才会发生一次强震。因此，设计能够抵御如此强震和罕见地震的建筑在经济上并不实用。相反，建筑规范采用的设计理念倾向于通过防止强震倒塌来提供安全性，同时允许大面积的结构和非结构损坏。
特殊抗弯钢框架的非线性行为有望通过在梁柱节点和柱脚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，在设计特殊的抗弯钢框架时，应考虑其他失效模式，其中一些模式在过去的地震中没有观察到。这些模式与框架的行为有关，而不是与隔板和地基等其他元素有关，包括以下标准：
▸ 梁行为。梁预计会在目标塑性铰链位置经历较大的非线性旋转，这些位置可能位于梁的末端、梁设计中故意削弱的部分，或者在存在较大的重力矩的情况下位于梁的跨度内。失效模式可能包括附加局部屈曲（图 2-7）和横向扭转屈曲。每种模式单独或组合都会导致强度和刚度持续降低，从而使地震后的修复成本高昂。
图 2-7 高度非线性转动中梁翼缘和腹板的典型塑性铰
局部不稳定
▸梁柱连接。连接必须能够将梁产生的弯矩和剪力传递到柱子上。由于材料强度过高和应变硬化，这些弯矩和剪力可能远大于使用规范载荷进行分析获得的设计力。根据所用连接的类型，这可能导致以下故障模式：
• 焊缝内或周围
• 大应变材料失效
• 维护孔损坏
•螺栓孔净截面破坏、螺栓剪切破坏、拉力破坏、螺栓轴承及轴承座剪切破坏。
▸ 连接区行为。连接区承受从梁到柱的大量剪切力。作为柱的一部分，它还可以承受大量的压缩应力。可能的失效模式包括剪切屈曲（如果使用双板来加强连接区）和焊缝失效。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、腹板屈曲和腹板屈曲。
▸ 柱子行为。目标是将非弹性变形保持在大多数柱子之外，从而最大限度地减少高轴向压缩对弯曲行为的有害影响以及单层结构的可能性（图 2-8）。但是，许多设计符合 AISC 341 §9.6 强柱/弱梁要求的柱子在大地震期间可能会经历较大的非弹性旋转。因此，除了基本的柱子弯曲不稳定之外，过度的局部和横向屈曲也是可能的失效模式。
图2-8 形成单层框架结构，又称“弱层”结构
▸ 柱接头。柱接头失效模式与梁柱连接失效模式类似。柱接头失效不仅会降低或削弱抗弯和抗拉能力，还会降低或削弱柱传递剪切力的能力。由于特殊抗弯钢框架中的重力柱可能会经历较大的横向变形和相应的地震力，因此这些柱柱接头可能会发生这种类型的失效。
▸ 柱底座。失效模式取决于柱与基础之间的连接。这些包括锚栓伸长或拔出、底板或柱底板连接失效、如果非线性变形集中在柱底座区域，则会导致过度的局部或横向扭转不稳定。
▸ 结构 P-delta 效应。当结构同时受到重力和侧向力时，会发生内部力放大和侧向位移，称为 P-delta 效应。这种效应会降低框架的侧向阻力和刚度，一旦形成，可能会导致负有效切向刚度，从而导致倒塌。
▸ 横向倒塌。当初始内力和 P-delta 引起的有效楼层剪力超过楼层抗剪力时，可能会发生框架倒塌。本指南重点介绍设计标准和分析检查钢结构脆性断裂，以确保上述故障模式不太可能以不可接受的方式发生。
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。这提供了建筑设计自由，允许开放跨度和无遮挡视野。这种优势的代价是抗弯框架的建造成本可能比支撑框架或剪力墙结构更高。与支撑结构相比，成本增加来自抵抗弯矩所需的更大横截面、使用的钢材量增加以及接头处需要更多的劳动力。然而，抗弯框架通常比其他系统对地基施加的力更小，从而形成相对经济的地基。
一旦项目选择了抗弯钢框架，设计师可以从几种类型中进行选择，包括特殊抗弯框架、中等抗弯框架、普通抗弯框架和无特殊抗震要求的抗弯框架。
非专门为抗震而建造的抗弯框架没有建造要求，仅需满足ASCE7和AISC360的强度和位移比要求。 这些框架不得用作抗震类别 D、E 和 F 中的抗力系统。按照 AISC341 §11 中给出的有限要求设计的普通抗弯框架可用于所有抗震类别的轻型单层结构和低层住宅结构，但在抗震类别 A、B 和 C 中没有限制。中间抗弯框架在 AISC341 §10 中有更严格的限制，在抗震类别 D 中允许高达 35 英尺，可用于抗震类别 E 和 F 中的轻型单层结构。符合 AISC341 §9 的特殊抗弯钢框架可用于所有抗震类别，并且抗震类别 D、E 和 F 中超过 160 英尺的结构必须使用特殊抗弯钢框架。满足某些常规形状要求并延伸到 240 英尺以上的结构需要使用特殊抗弯钢框架。
近年来，许多高烈度地震区的高层建筑采用双重体系，特殊抗弯钢框架提供25%的抗侧力，并与剪力墙或支撑框架配合使用。对于无抗震结构的框架、普通抗弯框架、中等抗弯框架和特殊抗弯钢框架，建筑规范要求的抗震强度相应较小。然而，更好的基于性能的体系需要更多的结构要求，这通常也会增加建筑成本。
2.4 帧率
除了作为双重系统一部分的特殊抗弯钢框架外，基底剪切能力并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将设计横向偏移率控制在允许水平、防止 Pdelta 不稳定以及满足 AISC341 §9.6 中强柱/弱梁标准的结构构件比率。许多设计师发现，使用大腹板高度柱（W24s、W36s 和层压箱形截面）是一种经济的选择，既能实现偏移率控制，又能满足强柱/弱梁的要求。具有长翼缘长度的截面，尤其是当翼缘长度较小时，可能会产生局部不稳定和横向扭转屈曲，应避免使用。一般来说，限制抗弯框架的跨度是有好处的，因为大跨度框架往往更灵活，从而增加了控制偏移率所需的截面尺寸。超过 40 英尺的框架跨度是不切实际的。 但是，也应避免使用短跨度，因为短跨度会导致由剪切屈服相对于梁弯曲控制的非线性行为。此外，特殊抗弯钢框架中的大多数预制连接都有梁高比限制，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在一定程度上取决于截面的高度和面积。符合 AISC 341，§8.2b 且高度较小、截面较小的连接往往比高度较大、截面较大的连接具有更大的非线性变形能力。出于这个原因，更理想的是将特定抗弯钢框架的横向阻力分布在更多的框架跨度上，从而提供更大的冗余度并减小框架尺寸。在某些情况下，较小的构件可以抵消额外的制造成本。
2.5 承载力与位移比
虽然刚度通常决定大多数特殊抗弯钢框架的配比，但也应考虑强度。ASCE 7，§12.2.1，表 12.2-1 允许对特殊抗弯钢框架使用 8 的校正系数 R。也就是说，允许使用等于弹性分析结果 1/8 的设计基准剪力，前提是基准剪力不小于所有结构的最低水平。基准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，风荷载可能决定强度要求，特别是对于较高的结构。通常地震荷载决定位移比要求，而风荷载决定强度要求。无论是重力、风还是地震控制，当使用特殊抗弯钢框架时，配比和施工要求都适用。
框架刚度必须足以将每层楼的位移比控制在限值内。ASCE 7，§12.1，表 12.12-1 提供了允许的楼面位移 Δa，它是结构类型的函数。冗余系数 ρ 按照 ASCE 7，§12.3.4.2 的要求确定，也影响允许的位移比。ASCE 7，§12.12.1.1 将设计楼面位移比 ΔU 限制为 Δa/p。
无论使用允许强度设计荷载和抗震系数来评估强度，位移比计算都使用地震力水平计算，并由变形系数 Cd 放大。规范没有为风荷载指定特定的位移比限制，许多高层建筑设计工程师控制风荷载位移比以增加强风中的舒适度。在某些建筑物中，希望限制位移比以保护外墙、楼梯和其他从一层楼垂直延伸到另一层楼的结构元件免受损坏。
撰稿人：刘春明，审稿人：侯晓武
