美国规范抗震设计中，特殊抗弯框架（SMF）是很重要的一个概念，在抗震设计中非常重要，特别是我国钢结构应用越来越多，什么是特殊抗弯框架及如何设计对于理解国外的抗震设计理念很重要。美国的NEHRP编写了一系列的设计指南，由具有丰富设计经验的工程师总结设计实践编写，国外的设计工程师和软件开发者对此系列指南评价非常高。美国的高层钢结构很多，经过了很长时间的工程实践，现摘译其中的特殊抗弯钢框架设计一文，希望对工程师了解国外抗震设计理念和实践有帮助。

1、介绍

特殊抗弯钢框架经常用于建筑中抗震抗力体系，用较大的非线性能量耗散抵抗地震作用，是美国建筑规范超过160英尺高建筑容许的几个可选体系，即使是最严格的居住类别和地震区划烈度最高的地区。特殊抗弯钢框架的梁、柱、梁柱节点成比例，在强震作用下通过多个非线性往复滞回，构造上抵抗弯矩、轴力、剪力作用导致的建筑侧移。特殊比例（主要指刚度比）和构造要求对较大非线性行为抵抗强震是基本要求。因为这些特殊要求，改善非线性响应特征，与不那么严格的构造要求中等抗弯框架和普通抗弯框架，这些抗弯框架称为特殊抗弯框架。

特殊抗弯钢框架设计要求包含在一系列标准中。ASCE/SEI 7-05，Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE 2006), 之后称为ASCE 7, 对特殊抗弯钢框架规定基本荷载标准，以及对应的侧移角限值。ANSI/AISC 341-05, Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (AISC 2005a) 提供针对材料、框架构件（梁、柱、梁柱节点）、连接、施工质量控制的详细设计要求。此外，AISC 341给出不作为抗震抗力体系部分的柱子要求。特殊抗弯钢框架这些相关要求在AISC341中几部分考虑，主要要求在第9节第1部分涵盖。AISC341第9节参考ANSI/AISC358-05Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications including Supplement No.1 (AISC 2005b)，用于方便和标准化特殊抗弯钢框架节点设计，而不需要每个项目都做实验。在AISC358-05中有一系列不同的抗弯连接构造，在2010版本增加了附加的连接。

AISC 341 和358 与ANSI/AISC 360-05, Specification for Structural Steel Buildings (AISC 2005c), 及AISC 303-05, Code of Standard Practice for Steel Buildings and Bridges (AISC 2005d) 一起使用。AISC 360是AISC主要规范，给出所有建筑钢结构设计和构造要求。除这些规范外，American Welding Society (AWS) 标准AWS D1.1 Structural Welding Code (AWS 2004) 和AWS D1.8 Structural Welding Code Seismic (AWS 2005) 给出针对特殊抗弯框架的焊接和安装要求。AISC341 2005版本与AWS D1.8有很多要求重复。但是2010版本将引用AWS D1.8的要求。还有一个手册AISC Seismic Design Manual (AISC 2006)，给出有用的设计帮助，以及抗弯框架和其他钢结构抗震体系的算例。

本指南写给执业结构工程师，帮助在特殊抗弯钢框架设计中理解ASCE 7， AISC 341 和 AISC358规范。按照执业工程师习惯的顺序，首先是介绍历史和抗震设计一般原则，然后是体系相关分析和设计要求。尽管指南针对执业结构工程师，也适用建筑官员，教师和学生。

本指南遵循AISC341 和 358 的2005版本，以及ASCE 7中相关设计荷载要求。AISC 341 主要针对抗震设计体系中类别D、E、F（在ASCE7中定义的）。The International Building Code或 IBC (ICC 2006)，通常在美国普遍采用，参考ASCE 7，确定地震荷载。AISC 341 与ASCE 7 相符，关于术语、体系定义，应用限制和其他问题，相互是协调的。

本指南主要部分重点在规范要求以及应用。包括历史背景及插图说明要求。指南附加部分在注释中。第3到第6部分给出分析、行为、比例、特殊抗弯钢框架构造要求及与之关联建筑中其他部分。第7部分介绍构造和施工相关，强调特殊抗弯钢框架施工中特殊点。参考文献、符号及缩写、感谢在第8、9、10部分。

AISC341 2005与2010

AISC341-05和AISC358-05是目前ASCE7和2006IBC中特殊抗弯钢框架结构设计中主要的参考。AISC341的更新版本正在编制中，预计2010年发布。AISC341中绝大部分特殊抗弯钢框架设计将与2005版本一样。规范重新组织与AISC 360 更一致，加入更多抗震体系组合施工。AISC358-05预计在2009发布一个附加。包括原始出版包含之外的预先审核的节点。

规范要求与指南推荐

建筑规范给出设计和施工最小要求，是行政管辖采用的法律要求。因此，采用AISC341，358，360，以及对应的ASCE7，作为最低要求必须满足。本指南主要用来说明建筑规范和参考规范的要求，也给出其他好的设计施工实践推荐，可能不是规范或标准要求的。指南区别建筑规范要求和其他推荐。

2、特殊抗弯框架应用

2.1 历史背景

尽管特殊抗弯框架概念在建筑规范中相对较新，从最早建筑使用结构钢开始，钢框架的使用超过一百年。钢结构建筑使用框架承受竖向荷载开始于芝加哥家庭保险公司大楼，一座建造于1884年，高度138英尺的结构，一般认为是最早的摩天大楼（图2-1）。与其他位于芝加哥的高层建筑形成了一代高层建筑，使用钢框架承载混凝土楼板及其他承重，无配筋砖填充外墙。这些早期结构一般使用钢板制成的”H”形、”L”形、”Z”形。从曼哈顿建筑（1889）开始，边框架连接通常使用较大刚度三角节点板，使用角钢和锚栓连接到梁柱（图2-2）。典型的，钢框架用砖、混凝土或两种完全封闭，来提供防火。传闻表明这些早期抗弯框架结构忽略了钢和砖的组合结构贡献，假定框架连接具有足够的柔性，可以视为对重力荷载”铰接“，对横向荷载”刚接“。尽管这些假定，结构中钢框架由组合效应加刚加强很多，对水平和竖向荷载具有很大的框架连接刚度。

图2-1 家保险公司建筑-芝加哥，伊利诺斯，1885，

一个早期摩天大楼

这种基本建造方法对高层建筑在1930年代保持流行，尽管在1900年代早期，轧制H型钢组合截面有更多应用，特别是轻钢框架。很多高层结构，包括很多年都是世界最高的建筑，纽约帝国大厦，都是这种类型。

图2-2 典型早期抗弯连接，由厚三角连接板、角钢、锚栓连接梁柱加强

从二战开始，建造非加筋填充外砖墙变得不经济，特别是对高层建筑。新的现代建筑样式采用了更多现代玻璃及铝幕墙体系。这些新幕墙更大的窗不希望使用大的节点连接板，工程师开始设计无连接板，使用角钢或分割T形钢来连接梁翼缘顶及底到柱（图2-3）。

图2-3 铆接、非加强角钢连接

在1950年代，随焊接引入建筑施工，角钢和分割T形钢用加工厂焊接到柱翼缘的翼缘板取代，然后铆接到梁翼缘。到1960年代，铆接变得不经济，由高强螺栓代替。最终到1970年代早期，工程师开始使用今天所知的焊接非加强翼缘-螺栓连接腹板（图2-4）连接类型，结合了现场焊接，完全节点凹槽焊接连接节点梁翼缘到柱，加工厂焊接，现场螺栓连接抗剪板连接节点腹板到柱。

图2-4 焊接非加强翼缘 - 螺栓翼缘连接

从1970-1994经常使用

几乎从作为建筑施工的开始，工程师开始注意到似乎抗弯钢框架地震中展示更好的性能。超过20个这种结构经历1906年旧金山地震及随后的火灾并生存，在旧金山中心商业区很少的其他建筑保持不倒（图2-5）。这些钢框架建筑中很多目前还在继续使用。接近90年，更多的地震作用钢结构，造成很少的明显损坏，形成了更优越抗震能力的声誉。值得指出，这些结构很大的抗震和防火能力是钢框架和组合砖和混凝土的相互作用，钢构件使用轻质防火材料没有从组合行为中获益。

作为这些结构明显优越性能的后果，1960年代的建筑规范采用更倾向于抗弯钢框架。这些规范中，建筑具有完全承担竖向荷载的空间框架，因水平抗力体系可以设计为给定地震力的2/3给支撑框架，一半力给承重墙结构。进一步，这些规范要求超过160ft建筑中使用抗弯框架。

在1960和1970年代，加州伯克利大学Egor Popov 教授和其他研究者开始进行抗弯钢框架往复实验，发现一些刚度比控制和结构构造在强震下获得优秀的非线性行为是必须的。慢慢的，在1970和1980年代，建筑规范开始采用这些研究成果，对高烈度区抗弯钢框架抗震设计需要特殊的设计、构成、和构造。符合这些设计准则的框架首先作为延性抗弯空间框架设计，后来在1988年UBC统一规范，作为特殊抗弯空间框架设计，具有最高的反应修正系数Rw。采用了名词“特殊”，因为针对这些结构的特殊准则，也因为预期在强震下提供特殊优越的性能。

初始的，特殊设计准则限于能够形成连接构件强度的要求，焊接非加强翼缘 - 螺栓腹板连接作为必须符合的标准。后来，引入提供强柱/弱梁要求，具有梁抗弯能力节点区抗剪强度的平衡，截面宽厚比和横向支撑准则。这个时代的建筑规范需要高烈度区超过240英尺使用延性抗弯空间框架，相应的美国西部几乎所有的高层建筑在这个时期都使用抗弯钢框架结构。1960和1970年代设计的这样结构倾向于在所有梁柱节点使用抗弯连接，提供冗余能力，进行横向抗力分配。然而，到1980年代，工程师更经济的设计，通过使用更少跨数更大的抗弯框架尽量减少昂贵的现场焊接，导致减少的冗余结构，更多的中心抗侧力抵抗。在极端情况下，一些高层结构在每个方向仅提供一跨抗弯框架。

图2-5 - 旧金山的钢框架结构在1906年地震中表现优异

随1994年洛杉矶地区北岭地震，工程师惊讶的发现一些现代特殊抗弯框架结构经历了焊接梁柱节点的脆性断裂。图2-6显示这样破坏的一个例子，然而，也发现许多不同类型的破坏，大部分始于底层梁翼缘连接到柱翼缘。类似的破坏一年后发生于1995日本Kobe地震。随这些发现，一个专业组织称为SAC合作体进行联邦资助的多年研究项目，形成建议确定这种非预期行为的原因，形成建议来建造更健壮的抗弯框架。SAC研究，作为8年1，200万美元的成果，形成了现代抗弯框架设计规范，包含在AISC341，AISC358，和AWSD1.8 。

图2-6 - 北岭地震在焊接梁柱节点W14 柱开裂

1994北岭地震和SAC钢结构项目

1994年加州北岭地震的后果，特殊抗弯钢框架连接的破坏（在洛杉矶地区）造成对于现有设计和施工过程的关切。很多建筑经历了梁柱仅在中等非线性需求下连接破坏。破坏包括梁翼缘底到柱翼缘完全节点贯穿焊接槽、梁翼缘裂缝、柱截面开裂（FEMA2000）。开裂是下列因素的结果，基本连接几何、缺乏控制材料属性、焊接填充金属硬度低、非控制伸长率、不适当的质量控制及其他因素。SAC联合协会的研究，发表在FEMA350、351、352、353、355系列报告中，构成了特殊抗弯钢框架当前设计规范的基础。

2.2 钢框架抗震行为

即使再高烈度地区，例如加州和阿拉斯加，严重地震也是罕见事件，以平均间隔几百年的频次影响典型建筑场地。基于这点，设计结构抵抗如此严重且罕见的地震从经济上不现实。替代的，建筑规范采用设计哲学，倾向通过避免在强烈地震下导致的倒塌，同时允许广泛的结构和非结构破坏，来提供安全。

特殊抗弯钢框架非线性行为预期通过在梁柱节点和柱底形成塑性铰实现。塑性铰通过梁弯曲屈服和柱节点区剪切屈服实现。

除上述讨论之外，研究和常识建议，当设计特殊抗弯钢框架时，其他的破坏模型也应该考虑，其中的一些在过去的地震中没有观察到。这些模式，与框架行为关连，不是其他元素例如隔板、基础，包含下列准则：

▸梁行为. 预期梁在目标塑性铰位置经历较大非线性转角，可能在两端，梁设计截面特意削弱的部分，或者位于梁跨内，如果存在较大重力引起的弯矩。破坏模式可以包含附加局部失稳（图2-7）和横向扭转失稳。每个模式自己，或者两者组合，导致强度和刚度连续降低，震后修复很昂贵。

图2-7 在高度非线性转角塑性铰区梁翼缘和腹板典型的

局部失稳

▸梁柱连接. 连接必须能够传递梁到柱形成的弯矩和剪力。作为材料超强及应变强化结果，这些弯矩和剪力可以比使用规范荷载进行分析得到的设计内力大很多。取决于使用的连接类型，这可能引起如下破坏模式：

·焊缝中或沿焊缝周边

·较大应变材料破坏

·维护孔处破坏

·螺栓孔处净截面破坏，螺栓抗剪和受拉破坏，螺栓轴承和轴承座抗剪破坏。

▸节点区行为. 节点区承受梁到柱的很大剪力。作为柱的一部分，也能承受很大的受压应力。可能的破坏模式包括抗剪失稳（如果使用双层板加强节点区）及焊接破坏。与从梁翼缘到柱直接传力相关的破坏模式包括柱翼缘弯曲，腹板翘曲，腹板失稳。

▸柱行为.目的是保持非弹性变形在大多数柱之外，最小化高轴压作用于弯曲行为及可能形成单层机构（图2-8）这些有害的效果。然而，很多柱设计符合AISC341 §9.6强柱/弱梁要求在大地震时可能经历很大的非弹性转角。因此，除基本的柱弯曲失稳外，过度的局部失稳和横向失稳也是可能的破坏模式。

图2-8 形成单层框架机构，也称为”薄弱层”机构

▸柱拼接.柱拼接破坏模式与那些列出的梁柱连接类似。柱拼接破坏不仅减少或降低抗弯和受拉抵抗，也减少或减低柱传递剪力的能力。因为特殊抗弯钢框架中重力柱可能经历很大的横向变形和对应的地震力，这些柱中柱拼接可能经历这种破坏。

▸柱底.破坏模式取决于柱与基础的连接。包括锚固伸长或拔出，底板破坏或柱底板连接，如果非线性变形集中于柱底区域，过度的局部或横向扭转失稳。

▸结构P-delta效应.内力放大和横向位移，称为P-delta效果，当结构同时承受重力和横向作用时发生。这个效果减小框架侧向抗力和刚度，一旦形成机构，可能导致负的有效切线刚度，导致倒塌。

▸侧向倒塌.当有效楼层剪力因为初始内力和P-delta超过楼层抗剪抵抗力，框架倒塌可能发生。本指南专注设计准则和分析校核，目的是保证上述的破坏模式不太可能发生不允许的模式。

2.3 什么时候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竖向对角支撑。因此提供建筑设计自由，允许开敞跨和无遮挡视线。优点的代价是抗弯框架可能建造比支撑框架或剪力墙结构更昂贵。对比支撑结构，增加的造价来自更大的截面抵抗弯矩，增加用钢量，节点需要更多的人力。然而典型的，抗弯框架比其他体系施加更小的力于基础，导致在基础上相对更经济一些。

项目一旦选择抗弯钢框架，设计者可以选择几种类型，包括特殊抗弯框架、中等抗弯框架、普通抗弯框架、没有特别抗震的抗弯框架。

对抗震没有特别构造的抗弯框架没有构造要求，仅需要符合ASCE7及AISC360的强度和位移比要求。在抗震类别D、E、F这些框架不允许作为抗力体系。普通抗弯框架，按照AISC341, §11给定的有限要求设计，允许在轻型、单层结构和低矮居住结构适合所有抗震类别，在抗震类别A、B、C时没有限制。中等抗弯框架，在AISC341, §10中更严一些限制，在抗震类别D中允许高度35英尺，在抗震类别E、F可用于轻型、单层结构。符合AISC341, §9的特殊抗弯钢框架在所有的抗震类别中可使用，在抗震类别D、E、F中超过160英尺的结构中要求使用。对结构满足一定的规则形要求，扩充到240英尺以上要求使用特殊抗弯钢框架。

近些年，高地震烈度很多高层建筑使用双系统，特殊抗弯钢框架提供25%侧向强度，与剪力墙或支撑框架联合使用。对无抗震构造的框架、普通抗弯框架、中等抗弯框架、特殊抗弯钢框架，建筑规范需要相应较小抗震强度。然而对更好的性能化系统需要更多的构造要求，典型的也增加建造造价。

2.4 框架比

除了特殊抗弯钢框架作为双系统的一部分，基底抗剪承载力不作为主要的设计考虑。影响选择特殊抗弯钢框架构件尺寸的主要因素是在容许水平下控制设计侧向位移比、防止Pdelta不稳定、以及结构构件比符合AISC341, §9.6强柱/弱梁准则。很多设计者发现使用腹板高度大截面柱(W24s、W36s、叠合箱截面）是经济的选择，方便实现位移比控制和强柱/弱梁要求。翼缘长度长的截面，特别是截面较小时，可能会形成局部失稳和横向扭转屈曲，应该避免。一般在抗弯框架限制跨度是有优点的，因为长跨框架倾向于更柔，增大了需要控制位移比的截面尺寸。框架跨度超过40英尺不实际。然而，短跨也需要避免，因为导致相对于梁的抗弯屈服，非线性行为由剪切屈服控制。同时，大部分特殊抗弯钢框架中预制的连接有梁跨高比限值，防止跨度太小。跨度小于20英尺很不经济。

钢框架构件能够容许很大非线性变形部分取决于截面高度和面积。满足AISC 341, §8.2b面积小高度小的截面连接，相对于高度大截面大的截面倾向于有较大非线性变形能力。因为这个原因，更希望分配特殊抗弯钢框架的横向抗力在更多的框架跨，提供高冗余和减小的框架尺寸。一些情况下，较小的构件可以弥补附加附加加工造价。

2.5 承载力和位移比

尽管刚度通常控制大部分特殊抗弯钢框架比例，也应该考虑强度。ASCE 7, §12.2.1, 表 12.2-1允许特殊抗弯钢框架使用修正系数R为8。即，允许设计基底剪力等于弹性分析结果的1/8，只要基底剪力不小于所有结构的最低的水平。基底剪力计算通常与ASCE7, §12.8.2定义的上限周期近似。必须校核风荷载，有可能控制强度要求，特别是较高结构。常见地震荷载控制位移比要求，风荷载控制强度要求。无论重力、风、地震控制，当使用特殊抗弯钢框架时，比例和构造要求适用。

框架刚度必须满足控制每层位移比在限值内。ASCE 7, §12.1, 表 12.12-1提供允许楼层侧移，Δ_a是结构类型的函数。冗余系数ρ按ASCE 7, §12.3.4.2 要求确定，也影响容许位移比。ASCE 7, §12.12.1.1 限制设计楼层位移比，ΔU到Δa/p。

无论是否使用容许强度设计荷载和抗震抗力系数评估强度，位移比计算使用地震力水平计算，使用变形系数C_d放大。规范不指定风荷载特定位移比限值，很多高层建筑设计工程师控制风荷载位移比，增加强风下舒适度。在一些建筑中，希望限制位移比，保护从竖向从一层到另外一层的外墙、楼梯、其他结构单元不受损坏。

供稿丨刘春明 审稿丨侯晓武

编辑丨王蕊 责编丨周婷婷