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12.4结构系统
钢结构建筑和结构的抗侧力系统一般可分为三大类：
1. 支撑框架
2. 无支撑或抗力矩框架
3. 双系统，由两个系统的组合组成，设计为一致行动
这些不同结构系统的设计和详细要求受各国建筑规范和建筑标准法律要求的约束。在美国，模型建筑规范规定了各种结构系统适用于不同结构的限制、最小荷载标准和建筑刚度限制。本出版物的一个附属章节提供了对这些问题的讨论（见第11章）。为抗震目的，钢构件及其连接件的比例和细节标准受AISC抗震规定[AISC，1997]和补充[AISC，2000]的约束。以下章节描述了钢结构抗震常用的各种结构系统、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设计的要求。
在美国建筑规范中，结构系统通常根据类型进行分类，例如，支撑框架、力矩框架等，还根据结构配置和详细程度进行分类，以获得卓越的抗震性能。具有良好配置和优良细节的结构被归为“特殊”结构，而对配置和细节控制有限的结构被归为“普通”结构。具有配置和细节控制中级的结构被归为“中间”结构。被归为特殊的结构可能是支撑物。与中间结构和普通结构相比，减少了横向设计力，从而增加了延性需求。特殊结构可用于任何位置，无论地震活动性如何，也可用于任何占用结构，但根据结构尺寸、占用率限制使用中间结构和普通结构，对于某些结构，只能用于低地震活动性区域。除了这三类之外，美国建筑规范还定义了一类钢结构，其设计用于地震力，但不提供任何地震细节或配置控制。此类结构只允许在地震活动性较低的区域内使用，并且必须针对相对较大的设计力水平进行设计。有关这些主题的更多信息，读者可参阅《建筑规范》的配套章节（见第11章）。
12.4.1支撑框架
在有支撑框架中，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。支撑框架一般可分为同心支撑框架（CBF）、偏心支撑框架（EBF）或不完全支撑框架。在CBF中，框架的配置使得在支撑与框架的连接处，支撑和其他元素的工作点是一致的，或者几乎是一致的。此类CBF表现为垂直悬臂桁架，通过在各构件中产生轴向力来抵抗侧向力（图12.23）。其他支撑框架结构依靠垂直桁架作用加上梁和/或柱的弯曲来提供横向阻力。图12.24给出了一些常见的支撑框架结构的示意图，尽管可能会发现这些结构的许多变化。一般来说，单斜撑、X撑、V撑、V撑和拉链撑框架可归类为CBF。
图12.23支撑框架中的垂直桁架作用。
x-支撑 单对角 V形 V形支撑 拉链
对角线的
K型支撑 偏心支撑 不完全支撑 膝盖支撑
有支撑的
图12.24常见的支撑框架结构。
12.4.1.1 x-支撑框架
X型支撑框架是支撑框架结构中最经济和最受欢迎的配置之一，特别是在工业应用中，跨海湾的大对角线的建筑影响通常不受关注。许多X型支撑框架的设计假定支撑只能承受拉伸载荷。当采用这种方法时，设计人员通常假定压撑在可忽略的荷载下发生屈曲，因此在分析中可以忽略不计，从而形成静态确定结构，并简化设计。此外，该假设允许将非常细长的构件用于支撑，包括杆、单角、扁钢和电缆，从而形成经济结构。
图12.25高架水箱支撑结构中的断裂杆支撑。
尽管仅受拉支撑框架在设计师中很受欢迎，但在过去的地震中，它们表现得并不特别好，现代建筑规范不鼓励它们的使用，除了小型结构或低地震活动区。有几个与仅受拉支撑相关的问题。许多这样的支架安装时有些松弛。当结构对地面震动的反应使它们受到张力时，当松弛部分被拉紧时，它们会经历冲击式荷载。这种冲击载荷可导致支撑的脆性断裂。当结构从一个响应方向循环到另一个响应方向时，类似的效应也会发生，因为受诱导压缩弯曲的拉筋被拉入张力。这种效应可能会更严重，因为受压支撑的屈曲通常会导致靠近端部连接的局部塑性铰和支撑的中跨。这会导致非常高的局部应变，并在几次运动循环下导致低周疲劳型断裂。图12.25是水箱上断裂杆支撑的图片，这是文献中提供的许多示例之一。由于这些问题，一些建筑规范要求只设计受拉框架，以抵抗弹性设计振动。虽然这确实会产生比其他要求更强的框架，但它并不能直接解决与此结构系统相关的问题，而且可能是一个无效的解决方案。
如果x-支撑框架设计用于拉伸和压缩行为，则支撑通常必须相当重，以满足规范中包含的最小长细比要求。一个常见的设计问题涉及到在按比例分配支撑以供压缩时应使用的有效长度。Goel[1986]和其他人进行的研究表明，在X-支撑框架中，张力支撑有效地支撑了平面内和平面外荷载下的压缩支撑，因此X-支撑的长度可以取整个对角线长度的一半。此外，如果端部连接件提供了明显的旋转约束，如平面内屈曲行为的一般情况，则通常可采用小于1的有效长度系数。
空心结构截面是X形支撑框架中常用的支撑构件，因为它是获得大回转半径和满足压缩设计最小长细比要求的经济截面。然而，当这些部分屈曲时，它们会受到局部屈曲和一种被称为油桶的行为的影响。这经常导致脆性支撑断裂。Goel[1992]建议管段法兰的最小宽厚比，以避免这种情况，或用固体材料（如混凝土）填充管构件，以支撑法兰。
图12.26特殊CBF角撑板详图。
防止局部屈曲。由于同样的原因，代码规定了不同横截面支撑构件的最小宽厚比。
X-支撑框架可以是特殊CBF、普通CBF或非细节框架。为了符合特殊CBF的要求，必须选择具有足够宽厚比的支撑构件，以将局部屈曲的可能性降至最低；支撑构件必须符合最小长细比标准；连接件的设计必须具有足够的强度，以确保框架的非弹性行为受支撑屈曲和/或屈服的控制。支撑的端部连接必须成比例，以适应支撑的屈曲，而不会损坏角撑板。图12.26说明了这一细节。在这个细节中，一条塑料铰链线，垂直于支撑的轴，被画过角撑板。角撑板必须能够在绕这条线弯曲时自由转动，而不受板与梁或柱连接的约束。从这个自由旋转线起，支撑被向后支撑的距离等于板厚的两倍。以这种方式详细说明的连接将能够通过沿着该旋转线的板的良性塑性铰来容纳支撑屈曲。
普通的x-支撑框架可能满足相对于特殊x-支撑框架的支撑长细比和宽厚比的放松标准，但支撑本身的设计必须比特殊框架强一些。支撑连接件的设计强度必须足以迫使支撑件发生非弹性行为，而不是连接件；但是，对于节点板没有具体的细节或配置要求。除标准设计规范中包含的情况外，非金属x-支撑框架的设计可不考虑长细比或宽厚比的特殊限制。
20世纪90年代中期，特别CBF作为一种结构体系引入，因为人们特别关注普通支撑框架的性能不佳，正如在实验室和地震后的实际建筑中观察到的那样。以减少设计力的形式为特殊框架提供了优先设计标准，作为工程师指定特殊框架的诱因，但普通框架没有受到惩罚。未来的规范很可能会严重限制普通支撑框架系统的使用，或进一步惩罚设计要求，以此作为阻碍其使用的手段。
12.4.1.2单对角框架
单对角框架类似于X形支撑框架，除了在每个支撑间隔中不提供成对的对立支撑外，仅提供一个对角支撑。
图12.27V形支撑框架的变形形状。
因为钢构件受压后屈曲强度退化，该系统往往具有不良的非弹性循环响应行为。当使用该系统时，可以通过在每一帧中提供成对的反向帧，并在每个帧中向相反方向提供支撑来稍微减轻这一点。这就保证了，无论地面运动的方向如何，在每个水平面上都会有一些受拉的支撑。
单对角框架可以设计为特殊、普通或非细分系统。该系统的设计要求与X支撑系统的设计要求相似。此外，对于特殊和普通系统，要求任何方向上的侧向力不得超过70%受到张力撑的抵抗。这可以确保在每个潜在的响应方向上合理分布张力和压缩支撑。
12.4.1.3 V形、V形支撑和拉链框架
V型和V型支撑框架在商业建筑施工中非常流行，因为它们是一种经济的替代方案，而且V型或倒V型支撑模式为相对较大且无障碍的门窗洞口提供了机会。当这些框架受到横向荷载时，横向荷载将趋向于在每个隔间的一个支撑中产生拉力，并在相反的支撑中产生压缩力。
如果支撑跨中的梁设计成依靠支撑的垂直支撑来抵抗静荷载和活荷载，则为了确定设计地震力，应将该结构系统归类为承重墙系统。否则，根据建筑规范的规定，该系统可归类为建筑框架系统。无论梁的设计是否支持独立于支撑的附属重力荷载，这种框架结构都存在与后弹性行为相关的重大性能问题。大多数V型和V型支撑框架的非线性行为是由受压支撑的屈曲控制的。一旦压缩侧支撑屈曲，它们的强度往往会很快下降，而张力支撑将有储备强度。因此，当压缩支撑的抗压强度降低，且拉伸支撑在抵抗附加荷载方面仍然有效时，每对支撑都会在梁上施加不平衡的垂直荷载分量。这种荷载可能非常大，并且经常导致梁和支撑地板系统出现不希望出现的垂直塑性变形（图12.27）。
从20世纪80年代中期开始，人们开始认识到这种不良的性能特征，并对设计规范进行了修订，要求V形和V形支架的设计强度高于X形支架。这在一定程度上是作为一种惩罚，以劝阻工程师不要使用这个系统，同时也是一种减少损坏发生的方法。然而，这两个目标的惩罚力度都不够大。
V形和V形支撑框架可设计为特殊、普通或非详细系统。当设计为特殊CBF时，V形或V形顶点处的梁必须具有足够的强度，以抵抗来自支撑的力的不平衡垂直分量（重力荷载除外），前提是压缩支撑的后屈曲强度等于屈曲荷载的30%，并且张力支撑的发展降低其完全屈服强度。这会导致相当大的设计损失。
图12.28K型支撑框架的变形形状。
拉链支撑框架是解决多层V型和V型支撑框架后屈曲问题的一种替代方法。在该框架系统中，垂直柱或“拉链柱”安装在支撑V形或倒V形支架顶点的梁之间，但不延伸至地面（图12.24）。当压缩支柱开始弯曲时，这个拉链柱将不平衡荷载重新分配到结构的其他楼层，从而提高了非弹性响应，减少了地板梁变形。
12.4.1.4 K型支撑框架
K型支撑框架在结构上与V型支撑框架或V型支撑框架相似，但由支撑形成的V型框架是水平的，其顶点位于柱上而不是梁上。对于用于抗震的支撑框架来说，这是一种极不可取的配置，因为一旦其中一个支撑在压缩中弯曲，来自拉伸支撑的不平衡力将导致柱上发生较大的横向变形，从而引发柱屈曲和结构倒塌（图12.28）。因此，不允许将K支撑框架设计为特殊CBF或普通CBF。仅允许在地震风险较低的区域的非详细系统中使用。
12.4.1.5偏心支撑框架
偏心支撑框架（ebfs）是一种相对较新的创新，在20世纪80年代早期开发，主要基于加州大学伯克利分校的研究[Popov等人，1989]。可以使用各种EBF配置（图12.29）。在这个框架系统中，对角支撑被有意配置成它们的工作点是不同心的，无论是单对角系统中的梁柱节点，还是多角度系统中的其他支撑。由此产生的偏心会在梁中产生弯曲和剪切应力。这些系统是特意设计的，通过梁的塑性发展非线性行为。这可以防止支撑发生屈曲，并导致大量的能量耗散，这是抗震的理想性能。根据连接长度的不同，可能出现剪切塑性或弯曲塑性。产生塑性的梁段称为连接梁，梁本身称为连接梁。具有长连接的梁将由弯曲塑性和连接两端塑性铰链的发展来控制。短连接梁将通过沿连接长度分布的剪切屈服产生塑性。
短剪切为主的连接件优先于长弯曲为主的连接件【Malley和Popov，1984年】。这是因为与受弯构件相比，沿抗剪构件长度分布的塑性增加了能量耗散，减少了集中变形和损伤。
图12.29典型的EBF配置。
EBF往往比CBF更灵活，导致在低水平地面运动时对非结构元件的损伤有所增加。然而，它们在强烈地震动下的行为远优于CBF。因此，允许将其设计为相对于CBF的横向力大幅度减小。
EBF设计中的关键考虑包括为连接梁提供足够的支撑，以便在不发生弯扭屈曲的情况下产生塑性，以及在连接梁的腹板内提供足够的加劲板，以避免腹板发生横向屈曲。设计规范包括对设计这些方面的规定性要求。此外，EBF框架的柱体必须具有足够的强度，以抵抗框架内形成完整机构所产生的轴向力。
12.4.1.6不完全支撑框架
不完全支撑的框架在框架的某些楼层有对角支撑，而在其他楼层则没有。这是工业应用的一种常见结构形式，在较低楼层方便车辆或维护通道。从本质上讲，这个系统的行为更像是一个抗力矩框架，而不是一个支撑框架。这些结构中的变形主要是由于无支撑层中柱的弯曲造成的，非线性行为通常通过柱中塑性铰链的发展和层机制的形成而发生（图12.30）。这是一种不可取的行为模式，因为它可能导致在无支撑层中出现非常大的层间漂移，并可能导致P-delta（P-∆）失稳和坍塌。该系统仅允许在地震风险较低的地区作为非详细地震系统使用。
12.4.1.7膝盖支撑框架
膝撑框架是另一种行为特征类似于支撑框架的混合系统。基本上，在膝盖支撑框架中，梁柱节点的刚度是通过在梁和柱的端部区域之间放置一个短支撑来实现的。如果设计得当，这些结构可以具有类似于主框架的良好性能特征。重要的设计考虑包括确保支撑和框架连接能够提高连接构件的强度，确保通过优先模式控制框架的非线性行为，如梁的弯曲铰链，并确保膝盖支撑与梁的交叉点并充分支撑柱子以防止
图12.30不完全支撑框架的变形形状。
开始扭转屈曲。这些规范不包括任何
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资料编号：[2564]
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