住宅楼设计 12.4 结构系统外文翻译资料

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12.4结构系统

一般而言，用于钢结构建筑物和结构的抗侧向力系统可分为三大类：

1.支撑框架

2.无支撑或抗弯框架

3.双系统，由两个系统的组合组成，旨在协同工作

这些不同结构系统的设计和详细要求受每个国家特定的建筑法规和建筑标准法律要求的约束。在美国，模型构建规范规定了对各种结构系统对不同结构的适用性的限制，最小载荷标准以及对建筑物刚度的限制。本出版物的相应章节提供了有关这些问题的讨论（请参见第11章）。钢构件及其连接件的抗震性能的配比和细化标准受AISC地震规定[AISC，1997]和补编[AISC，2000]的约束。以下各节描述了通常用于钢结构抗震的各种结构系统，与这些结构系统相关的性能问题，并简要讨论了美国建筑规范对这些系统的设计要求。

在美国建筑规范中，通常基于例如支撑框架，弯矩框架等的类型，并且还基于为了优异的地震性能而对结构进行配置和详述的程度来对结构系统进行分类。具有良好配置和出色细节的结构被归类为“特殊”，而对配置和细节控制有限的结构被归类为“普通”。在配置和详细信息上具有中等控制级别的结构被分类为“中级”。与中级和普通结构相比，被归类为特殊结构的结构可按比例分配，以减小横向设计力，并因此增加延展性要求。特殊结构可以在任何位置使用，无论地震性如何，或用于任何占用结构，而中间结构和普通结构的使用根据结构大小，占用情况在应用中受到限制，并且对于某些结构，只能在区域中使用低地震。除了这三类外，美国建筑规范还定义了一类钢结构，专门用于地震力，但未提供任何地震详图或配置控件。此类结构仅允许在低地震活动区使用，并且必须针对较大的设计力水平进行设计。有关这些主题的更多信息，请参阅有关建筑规范的配套章节（请参阅第11章）。

12.4.1支撑框架

在支撑框架中，结构的横向稳定性主要是通过在梁柱框架的垂直平面内存在对角支撑来实现的。支撑框架通常可分为同心支撑框架（CBF），偏心支撑框架（EBF）或不完整支撑框架。在CBF中，框架被构造成使得在支架与框架的连接处，支架和其他元件的工作点是重合的，或者几乎是重合的。这种CBF表现为垂直悬臂桁架，并通过在各个构件中产生轴向力来抵抗横向力（图12.23）。其他支撑框架配置依赖于垂直桁架作用加上梁和/或柱中的弯曲以提供侧向阻力的组合。图12.24给出了许多常见的支撑框架配置的示意正视图，尽管可以找到这些配置的许多变体。通常，单个对角线，X支撑，V形支撑，V支撑和拉链支撑框架可以归类为CBF。

图12.23支撑框架中的垂直桁架动作

图12.24常见的支撑框架配置。

12.4.1.1 X支撑框架

X形支撑框架是支撑框架结构中最经济，最受欢迎的配置之一，尤其是在工业应用中，横跨海湾的大对角线的建筑影响通常不受关注。在设计许多X形支撑框架时，假定这些支撑仅能够抵抗拉伸载荷。采用这种方法时，设计者通常假设压缩支撑在可忽略的载荷下弯曲，因此在分析中可以忽略不计，从而产生了静态确定的结构，并简化了设计。而且，该假设允许将细长的杆件用于支架，包括杆，单角钢，扁钢和电缆，从而实现了经济的结构。

图12.25高架水箱支撑结构中的杆撑断裂。

尽管仅受拉力支撑的框架在设计人员中很受欢迎，但它们在过去的地震中表现不佳，并且现代建筑规范阻碍了它们的使用，除了较小的结构或低地震区域。仅受拉支架有几个问题。许多这样的支架安装时有些松弛。当结构因地面震动而承受压力时，由于松弛，它们会承受冲击型载荷。这种冲击载荷会导致支架的脆性断裂。随着结构从一个响应方向向另一个响应方向循环，将由于感应压缩而弯曲的拉力支架拉入拉力时，会发生类似的效果。通过压缩中的屈曲经常导致在端部连接附近和在屈曲中跨处的局部塑性铰，这一事实可以使这种影响更加严重。这可能会导致非常高的局部应变，并在几次运动循环下导致低循环疲劳型断裂。图12.25是水箱上杆断裂的图片，这是文献中提供的许多示例之一。由于这些问题，一些建筑规范要求将受拉的框架设计为以弹性方式抵抗设计震动。尽管这确实导致了比其他情况所需的框架更强大的框架，但它不能直接解决与该结构系统相关的问题，并且可能是无效的解决方案。

如果将X形支撑框架设计为既具有拉伸性能又具有压缩性能，那么为了满足规范中包含的最小细长度要求，通常必须将支撑结构做得相当重。一个常见的设计问题涉及成比例地压缩支架时应使用的有效长度。 Goel [1986]等人进行的研究表明，在X形支撑框架中，抗拉支撑有效地支撑压缩支撑，以承受平面内和平面外载荷，因此X支撑的长度可取为全长的一半。对角线长度。另外，如果端部连接提供了显着的旋转约束（如平面内屈曲行为的常见情况），则通常可以应用小于一个的有效长度因子。

空心结构截面通常用作X形支撑框架中的支撑元素，因为它们是获得较大回转半径并满足压缩设计最小长细比的经济型截面。但是，当这些部分弯曲时，它们会发生局部弯曲和一种称为油罐装的行为。这经常导致支架脆性断裂。 Goel [1992]建议使用管状截面的法兰的最小宽度与厚度之比，以避免这种现象，或用坚固的材料（例如混凝土）填充管状构件，以防止法兰局部弯曲。出于相同的原因，规范规定了各种截面支撑元件的最小宽度-厚度比。

图12.26特殊CBF的角撑板细节图

X支撑框架可以作为特殊CBF，普通CBF或无详细框架。要获得特殊CBF的资格，必须选择具有足够的宽厚比的支撑元件，以最大程度地减少局部弯曲的可能性，支撑必须符合最小的细长标准，连接的设计必须具有足够的强度，以确保框架的无弹性行为。由支架屈曲和/或屈服来控制，而不是由连接失败引起，并且支架的端部连接必须成比例以适应支架的屈曲，而不损坏角撑板。图12.26展示了这样的细节。在此详细信息中，垂直于撑杆轴线的塑料铰链线划过了角撑板。角撑板必须绕该线弯曲自由旋转，而不能限制该板与梁或柱的连接。支架从此自由旋转线处退回的距离等于板厚度的两倍。以这种方式详述的连接将能够通过沿该旋转线的板的良性塑性铰接来承受支撑屈曲。

相对于特殊的X形支撑框架，普通的X形支撑框架可以满足一些相对宽松的支撑细长和宽厚比标准，但是支撑本身必须比特殊的框架更坚固。支撑连接必须仍然设计得足够坚固，以迫使与连接相反，支撑中发生非弹性行为。但是，角撑板没有特定的细节或配置要求。除标准设计规范中所包含的内容外，无详细的X形支撑框架的设计可以不考虑对细长或宽厚比的特殊限制。

特殊的CBF在90年代中期作为结构系统被引入，这是由于人们特别担心普通支撑框架的性能不佳，正如在地震后在实验室和实际建筑物中都观察到的那样。为特殊框架提供了以减少设计力的形式提供的优先设计标准，以诱使工程师指定它们，但是对普通框架没有施加任何罚款。将来的规范可能会严重限制普通支撑框架系统的使用，或者进一步惩罚设计要求，以阻止其使用。

12.4.1.2单对角框架

单个对角框架与X支撑框架相似，除了每个支撑托架中不是一对成对的相对支撑，而是仅提供一个对角支撑。由于钢构件的屈曲后强度会显着下降，因此该系统往往具有较差的非弹性循环响应行为。当使用此系统时，可以通过提供成对的相对框架来缓解这种情况，每个相对的框架中的支撑都朝向相对指示。这样可确保无论地面运动的方向如何，每个水平面上都会有一些支撑在拉力作用下。

可以将单个对角框架设计为特殊，普通或不详细的系统。该系统的设计要求与X支撑系统的设计要求相似。另外，对于特殊和普通系统，要求在任何方向上不超过70％的侧向力都应由拉力支架抵抗。这样可以确保在每个潜在的响应方向上合理分配拉伸和压缩支撑。

图12.27人字形支撑框架的变形形状

12.4.1.3 V形，V型支撑和拉链框架

V型支撑框架和V形支撑框架在商业建筑中非常受欢迎，因为它们是一种经济的选择，而且支撑的V形或V形图案也为相对较大且通畅的门窗开口提供了机会。当这些框架被侧向加载时，侧向加载将倾向于在每个机架中的一个支架中产生拉力，并在相对的支架中引起压缩力。

如果设计支撑托架中的梁，使其依靠支撑的垂直支撑来抵抗静载荷和活荷载，则该结构系统应归类为承重墙系统，以建立设计地震力。否则，可以根据建筑规范的规定将系统归类为建筑框架系统。不管梁是否设计成独立于支撑来支撑支流重力载荷，这种框架结构都具有与后弹性行为相关的重大性能问题。大多数人字形和V型支撑框架的非线性行为是通过压缩加载的支撑的屈曲来控制的。一旦压缩侧支架弯曲，它们的强度往往会迅速下降，而拉紧支架将具有储备强度。结果，由于压缩支架的抗压强度降低并且拉伸支架仍然有效抵抗额外的载荷，因此，每对支架将在梁上施加不平衡的垂直载荷分量。该负载可能非常大，并且经常导致横梁和支撑的地板系统发生不希望的垂直塑性变形（图12.27）。

从80年代中期开始，人们逐渐认识到了这种不良的性能特征，并对设计规范进行了修订，以要求V形和V形支撑的设计要比X形支撑的坚固。这样做部分是作为惩罚，目的是劝阻工程师使用此系统，以及作为最小化的损坏量的一种手段。但是，惩罚不足以实现任何一个目标。

人字形和V型支撑框架可以设计为特殊的，普通的或非详细的系统。当设计为特殊的CBF时，在人字形或V形顶点处的梁必须设计成具有足够的强度，以承受重力载荷之外的支撑力的不平衡垂直分量（假设压缩支撑的后屈曲强度）等于屈曲载荷的30％，并且拉力支架充分发挥了屈服强度。这导致相当大的设计损失。

拉链支撑框架是解决多层人字形和V形支撑框架的后屈曲问题的一种替代方法。在此框架系统中，在支撑V形支架或倒V形支架顶点的横梁之间安装了垂直立柱或“拉链柱”，但未延伸至地面（图12.24）。当压缩支架开始弯曲时，该拉链柱将不平衡载荷重新分配给结构的其他层，从而改善了非弹性响应并减少了楼板梁的变形。

图12.28 K型支撑框架的变形形状

12.4.1.4 K支撑框架

K形支撑框架的配置与V形或V形支撑框架相似，不同之处在于，由支撑形成的V水平定向，并且其顶点在圆柱而不是梁上。对于用于抗震的支撑框架来说，这是非常不希望的配置，因为一旦其中一个支撑在压缩中弯曲，则来自拉伸支撑的不平衡力将导致柱子发生较大的横向变形，从而可能导致柱子屈曲和结构塌陷（图12.28）。因此，不允许将K支撑框架设计为特殊CBF或普通CBF。仅在地震风险低的区域的非详细系统中允许使用它们。

12.4.1.5偏心支撑框架

偏心支撑框架（EBF）是一项相对较新的创新技术，主要在加利福尼亚大学伯克利分校进行的研究基础上于80年代开发[Popov等，1989]。可能有多种EBF配置（图12.29）。在此框架系统中，有意配置了对角撑杆，使得它们的工作点在单对角线系统的情况下与梁柱节点或与在多对角线系统中的其他支架不同心。产生的偏心率会引起梁的弯曲应力和剪切应力。这些系统经过有意设计，因此通过梁的可塑性发展出非线性行为。这可以防止牙套屈曲，并导致大量的能量消散，这是抗震性的理想特性。取决于链节的长度，可能会发生剪切可塑性或弯曲可塑性。梁中发生可塑性的部分称为链节，梁本身称为链节梁。具有长连杆的梁将通过弯曲可塑性和连杆两端的塑料铰链的发展来控制。短链节的梁将通过沿链节长度分布的剪切屈服来产生可塑性。

短剪切支配的连杆比长的挠曲支配的连杆更优选[Malley and Popov，1984]。这是因为与挠性链节相比，沿着剪切链节的长度分布的可塑性提供了更多的能量耗散，同时减小了集中变形和损坏。

图12.29典型的EBF配置

EBF往往比CBF更灵活，从而在低水平地面运动时对非结构性元件的破坏有所增加。但是，它们在强烈地面震动下的行为远远优于CBF。因此，允许将它们设计成相对于CBF大幅减小横向力。

EBF的设计中的关键考虑因素包括：对连接梁提供足够的支撑，以使其在不遭受挠曲-屈曲的情况下发展可塑性，并在连接梁的腹板内提供足够的加强板，以避免腹板的横向弯曲。设计规范包括对这些设计方面的规定性要求。此外，EBF框架的立柱必须设计成具有足够的强度，以抵抗框架中完整机构的发展而产生的轴向力。

12.4.1.6不完整的支撑框架

不完整的支撑框架在框架的某些情况中具有对角支撑，但在其他情况中则没有。这是工业应用的一种常见建筑形式，在较低的楼层方便了车辆或维修保养。从本质上讲，此系统的行为更像是抗力矩框架，而不是支撑框架。这些结构的变形主要是由于无支撑层中的柱弯曲而引起的，并且非线性行为通常是通过柱中塑料铰链的发展和楼层机制的形成而发生的（图12.30）。这是不受欢迎的行为模式，因为它可能导致无支撑的故事中出现非常大的层间漂移，并可能导致P-delta（P-∆）不稳定和崩溃。在地震风险低的区域，仅允许将该系统作为非详细地震系统使用。

12.4.1.7斜撑框架

斜撑框架是另一种混合系统，其行为特征比支撑框架更类似于耐力矩框架。本质上，在斜撑的框架中，通过在梁的端部区域和立柱之间放置一个短支架来获得梁-柱节点的刚度。如果设计得当，这些结构可以具有类似于抗弯框架的良好性能。重要的设计考虑因素包括：确保支撑和框架连接能够提高连接构件的强度；确保框架的非线性行为通过优先模式（例如梁的弯曲铰接）来控制；以及确保相交点适当地将带有梁和柱的斜撑支架固定，以防止扭转屈曲的发生。规范不包括直接管理这些系统的设计或详细说明的任何规定；但是，它们可以设计为非详细系统。如果在设计中未考虑上述设计注意事项，则此类框架的性能可能会很差。

图12.30不完整的支撑框架的变形形状

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