60周年艺术评论
地震设计的最新进展
钢结构
佳明旺，m.asce1 Significance和米歇尔，f.asce2；
摘要：本综述综述综述了主要钢结构建筑抗震系统的抗震设计要求的演变，这是由1994年加利福尼亚州北岭地震的新发展所推动的。以及美国地震工程实践的变化。强调了这些系统在延性设计和承载力设计方面的重要方面。与创新系统有关的实践的最新进展被提及。本文的工作旨在为读者提供一个理解，为什么钢结构的当前抗震设计要求是框架。在这一过程中，强调一些有待解决的问题和不一致之处，这些问题需要在未来的研究中予以关注。新西兰基督城在2010-2011年地震后重建对未来美国地震规范的影响同时也介绍了发展情况。doi:10.1061/（asce）St.1943-541X.0001973。copy;2018美国土木工程师协会。
作者关键词：地震效应；钢结构；抗震设计；延性设计；承载力设计；建筑规范。
介绍
钢结构抗震设计是一个广泛的课题。例如，在美国，“钢结构建筑抗震规定”的最新版本[更现代地称为aisc-341-16或ansi/aisc-341-16（aisc 2016b）]已经在尺寸上与单独文件形成竞争。《非抗震设计用钢结构建筑规范》（ANSI/AISC 360-16）。因此，对钢结构抗震设计的所有设计和详细要求的详细审查及其存在的原因远远超出了技术文件、书籍章节、设计指南的范围。继续教育课程已经提供了这样的综合介绍（例如布鲁诺等人2011年；汉堡包和马利2016年；Kersting等人2015年；Sabelli等人2013年；NAEIM 2001年）。
这一最先进的审查，以补充的方式，文中提供了一个概述如何钢地震设计的哲学在近几十年来发展，由于新的发展，重大地震的发生，以及地震工程实践的变化。简要介绍了设计规范在过去几十年中是如何接近抗震设计的，并描述了1994年加利福尼亚州北岭地震是如何代表钢结构抗震设计的一个关键点。本文简要介绍了抗震设计中常用的主要结构钢体系，并强调了所有这些体系延性要求的重要方面。此外，还描述了与容量设计相关的问题。与专有和创新系统相关的实践中的最新发展受到了关注。
1professor，加利福尼亚大学结构工程系，圣地亚哥，La Jolla，CA 92093（通讯作者）。邮箱：cuang@ucsd.edu
2.布法罗大学土木、结构和环境工程系教授，212 Ketter Hall，Buffalo，NY 14260。电子邮箱：bruneau@buffalo.edu
注意事项。本手稿于2017年5月16日提交，2017年8月22日批准，2018年1月25日在线出版。讨论
有效期至2018年6月25日；单独的文件必须提交单独的讨论。本文是《结构工程学报》（ISSN0733-9445）的一部分。
这里的重点主要集中在历史观点上，考虑到推动钢结构抗震设计许多方面的遗产，以及解释当前知识的一些局限性。这样做的前提是，考虑到技术论文的空间限制，这种反省性审查存在不完整和（无意中）主观的风险。尽管如此，尽管对这一宽泛主题的所有研究和观点的全面回顾超出了本文的范围，但本文的目的是为读者提供对当前框架钢结构抗震设计要求的理解。这项最先进的审查与AISC地震规定的设计要求有关，目的是将其观察结果锚定在实际框架中；不应将其解释为对其的负面批评。为简单起见Y，审查只关注美国的实践，但涉及面更广，因为国际实践和发展通常走了类似的道路；这里强调的许多未解决的设计问题并非美国独有。
建筑规范中的抗震钢设计时代
半个世纪以来钢结构抗震设计的演变大致可分为三个时期。1988年之前，一般地震荷载规定和与材料相关的抗震设计规定（包括钢结构设计规定）通常都整合在一份文件中：当地采用的建筑模型规范。在那些日子里，低层和中高层建筑的抗震设计没有重大的不规则使用“等效侧向力”的方法。例如，在1985年《统一建筑规范》（UBC）（ICBO 1985）中，工作应力设计的基础剪力规定为
式中，水平力系数，k=考虑建筑系统相对延性和耗能的系数。
根据建筑物的抗震构件，将建筑物分为四种类型，K分别等于0.67、0.80、1.0和1.33抗震系统（SFRSS），分别定义为抗力矩框架系统、双系统、建筑物。
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框架系统（不属于其他三类的所有系统）和承重墙系统。对于钢结构建筑，只有延性抗力矩空间框架（DMRSF）可以设计为最低的抗震基底剪力，kfrac14;0.67。对于高震区的应用，附加设计要求很少。对钢DMRSF构件的唯一要求是，“框架非弹性位移期间将形成铰链的构件应符合塑性设计截面的要求。”用于承载力设计。规定“每个梁或梁与柱的力矩连接应能在梁中形成梁或梁的全塑性承载力。”
中高地震区的支撑框架。所有构件的设计应能承受规定地震力的1.25倍；连接件的设计应能充分发挥构件的承载力或规定地震力，而地震力产生的应力在工作应力设计中通常不允许增加三分之一。值得注意的是，这些要求是基于SEAOC的建议（SEAOC 1980）。
1988年版的UBC（ICBO 1988）开始了抗震钢设计的第二个时代。在地震荷载的基础剪切计算方面，本版放弃了公式（1）的格式，它依赖于经验K系数。相反，响应修正系数rw用于计算工作应力设计的vw，其中
根据SFR中的垂直分量，将每一类进一步划分为若干类及其相关的rw值。更重要的是，特殊抗弯空间框架（SMRSF）、同心支撑框架（CBF）的特殊延性设计要求。并提供了偏心支撑框架（EBF）；编写了SMRSF梁柱连接规范；提出了承载力设计概念（如规定使用放大地震荷载来保护柱不受整体破坏）。根据1988年UBC，1990年出版了第一版AISC地震规定（AISC 1990）。这种抗震钢设计实践一直延续到1994年UBC版。
就抗震钢设计而言，第三个时代的导火索是加利福尼亚州北岭市1994年1月17日发生的地震。这一事件极大地改变了美国钢结构建筑的地震研究、设计和施工，并在随后的章节中进行了全面的讨论。
在上个世纪的大部分时间里，美国的不同地区主要和广泛地使用了三种建筑规范（一种建筑规范作为参考，无论是否经过美国当地建筑规范的修改而采用）。没有强制性的国家规范）。在20世纪90年代，人们努力将这三个规范统一为一个，从而制定了国际建筑规范（IBC），其中参考了ASCE 7（ASCE 2016）的设计地震荷载和AISC抗震钢设计要求的抗震规定。为了提供ASCE 7中列出的SFRSS的具体设计要求，从2010年版开始，AISC抗震规定将钢SFRSS分为两类：力矩框架系统、支撑框架和剪力墙系统。
尽管ASCE 7标准似乎涵盖了所需的地震力（即荷载效应侧），并且AISC抗震规定涉及钢构件和组件的设计强度（即抵抗侧）。这两个标准通过响应修正系数r以一种含蓄但重要的方式相互关联。此外，因为地震荷载效应也与
构件和整个结构，AISC抗震规定不仅包括对抵抗侧的要求，还包括对所需地震荷载效应侧的要求。延性设计和承载力设计是结构抗震设计的两大支柱。为了为后续的演示铺平道路，下面简要介绍了这两个设计概念与R因子方法之间的关系。
延性设计、承载力设计和R系数
图1显示了为设计地震设计的SFR的预期结构响应。E点表示结构保持弹性时所需的地震力水平。由于这种力水平可能很高，比如说在高地震区超过建筑物反应性地震质量的1g倍，现代地震规范接受了这样一个概念，即损伤是可以考虑的经济因素。为了便于常规弹性设计（等效横向荷载或模态响应谱分析），强度设计时，E点的地震力通过响应修正系数R减小到S点的地震力；S点代表第一个重要事件（例如。力矩框架中梁的塑性铰形成，或同心支撑框架中的支撑屈曲），超过此范围，结构在非弹性范围内响应（对于工作应力设计，E点进一步降低至W点，通过n Rw因子）。当结构是多余的，且构件中嵌入了预期会发生非弹性的延性时，结构会进一步变形，超过S点至M点处的最大强度，并且如果强度降低，则会退化至U点。发生构件屈曲或P效应。因此，R系数主要由两部分组成（Freeman 1990；Guang 1991；NIST 2012）
其中，Rmu;（frac14;ce=cy）=系统级延性折减系数；Omega;o（frac14;cy=cs）=系统超强系数。
可以对R系数设计程序进行一些观察：
- 由于经济原因，结构在设计地震中受到破坏，预计将变形到非弹性范围；
- 由于弹性分析对S点的结构性能评价仍然有效，因此R系数的确定主要是为了便于常规设计；
- 对于预期经历非弹性的结构构件，需要延性（即非弹性变形能力）；以及
图1：典型结构响应和系统性能因素
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- 系统级（M点）的极限横向强度可能比进行弹性分析的S点高很多。
关于第一个弹头入口，地震代码设置了一个目标塑料
每个SFR的能量耗散机制，在保持重力承载能力的同时，将非弹性变形需求降至最低。以力矩框架设计为例，如果框架的极限强度不低于要求，经典的塑性设计可以允许在梁或柱中形成塑性铰。然而，对于抗震设计，规范旨在通过促进梁中的铰链和限制梁柱中的铰链来实现更理想的塑性机制，从而限制层机制的预成形。虽然与每个SFR的目标塑性机制相关的R系数在ASCE 7中给出，但设计人员依赖于AISC抗震规定，以确保这些系统内置了刚刚给出的第三个弹头入口中的有效延性能力。
对于设计为基本上保持弹性且在地震事件中不经历能量耗散的结构元件。第四个弹头入口意味着水平地震荷载效应明显高于根据第二个弹头入口计算的地震荷载效应。然后利用承载力设计原理计算这些结构构件的地震荷载效应。由于容量设计所需的地震力对M点的地震力水平作出响应，因此概念上需要非线性分析。为了绕开常规设计的非线性响应分析，ASCE 7使用经验的超强系数Omega;o来放大从S点到M点的地震力效应。该放大效应等于规范规定地震荷载eh乘以Omega;o得出的值，称为emh，被规定为不需要l。比使用实际材料强度预期值进行塑性分析得出的值大，称为ECL（2016年ASCE 7术语）。虽然方便。将eh乘以Omega;o被认为是有缺陷的，因为它无法捕获非线性响应期间通常发生的力再分配，这可能会影响拟受能力设计原则保护的元件的需求。在可能的情况下，AISC地震规定中提供了计算ECL的程序，并且在2016年版的AISC中要求，在规定时，即使ECL超过了基于Omega;o系数计算的值，也应将其用作容量设计的EMH值。
1994年北岭地震的影响
1994年加利福尼亚州北岭发生的地震对钢结构抗震研究、设计和施工实践的影响可能比美国任何其他地震事件都要大。在此之前，钢制特殊抗弯空间框架或简单的特殊抗弯框架（SMF）被认为是自20世纪60年代以来抗震性能最好的体系，具有最高的Rw值（或最低的K值）。人们预计，梁在柱面上的弯曲铰链形式的延性响应，在柱内的剪切屈服锰板区，或两者的组合，将发生这样一个韧性塑性机制将形成在框架。然而，在北岭事件期间，由于梁中几乎没有塑性变形的迹象，许多多层钢结构中发生了梁柱节点的脆性断裂；那些报告的连接损伤在高度范围内变化。m单层至26层，年龄从地震时的新到30年。所讨论的连接件的梁法兰与柱法兰焊接在一起，并采用全焊透（CJP）坡口焊接，梁腹板用剪切板固定在柱法兰上。
图2：1994年以前的典型特殊力矩框架（SMF）梁柱连接
（FEMA 2000 J）。基于有限的测试数据（Popov和Stephen 1970；Kravinkler等人1971年；波波夫等人1985年；波波夫和蔡1989年），这种焊接法兰螺栓连接（图2）在西海岸很流行。直到1988年UBC才批准这种所谓的北岭前连接作为SMF施工的唯一资格预审。根据W30梁的连接试验，Englehardt和Hussain（1993）在地震前不久发表了一篇论文，提出了对这种力矩连接可靠性的担忧。
在北岭地震发生后，美国发起了一项为期多年的名为SAC合资企业的努力，将设计工程师、学者、制造商以及钢铁和焊接耗材生产商的专业知识结合起来，以调查北岭断裂的原因，并开发出更好的设计和施工实践。FEMA（FEMA 2000b，c，d，e）在新结构的力矩框架设计、现有结构的升级和维修以及质量控制中记录了这项工作的结果。
FEMA-350（FEMA 2000C）总结了导致断裂的主要因素，这些断裂主要发生在梁底翼缘水平：
- 设计：假设焊接梁翼缘传递力矩，螺栓连接梁翼缘传递剪力到柱上，这是不恰当的，因为大量的梁剪力实际上通过这些连接件中的梁翼缘传递。设计中允许出现薄弱面板区加剧了这一问题；在80年代和90年代通常设计的SMF中，使用较深和较重的梁（开间较少）的后果也不太清楚；对焊接在柱面上的梁翼缘产生屈服能力的三轴应力需求的影响也低于E。刺激；
- 材料：由于20世纪80年代钢产量的变化，增加的钢屈服强度和拉伸强度对钢连接件循环性能的影响在设计中既没有重新标记也没有考虑；以及
- 焊接：研究人员和设计工程师忽略了焊接细节、工艺、消耗、工艺和检验的重要性。
在设计方面，根据SAC研究（FEMA 2000 c），制定了避免类似脆性断裂的改进地震设计程序。特别是，提出了几个主要依赖于全尺寸经验验证和相关有限元分析的预限定力矩连接。每种连接类型都有特定的适用范围（例如，尺寸、重量、梁和柱长细比参数、跨度到梁
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深度比，钢级）。这些推荐的预合格连接件也构成了AISC 358标准“抗震用特殊和中间钢力矩框架的预合格连接件”（
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