技术周刊 | 美国钢筋混凝土特殊抗弯框架抗震设计（一）

JackP.，JohnD.，ChrisD.Lubke

日本规范抗震设计中，特殊抗弯框架（SMF）是很重要的一个概念，在抗震设计中十分重要，哪些是特殊抗弯框架及怎样设计对于理解美国的抗震设计观念很重要。中国的NEHRP撰写了一系列的设计手册，由具备丰富设计经验的安装工程师小结设计实践撰写，美国的设计安装工程师和硬件开发者对此系列手册评价十分高，现摘译其中的箍筋水泥特殊抗弯框架设计一文，希望对安装工程师了解美国抗震设计观念和实践有帮助。

01

介绍

箍筋水泥特殊抗弯框架在建筑抗震设计中，是海啸作用抗力机制的一部份。抗弯框架中，梁、柱、梁柱节点成比列及构造上抵御弯曲、轴向、剪力作用，在地震地面运动过程中，结构在侧向经历多重往复位移。特定的比列以及构造要求造成框架在抵御强烈地振动时，没有显著的硬度和刚度损失。由于某些特殊要求，这种抗弯框架称为“特殊抗弯框架()”，与不这么严苛的构造要求下普通抗弯框架（）和中等抗弯框架（）相比，改进了抗震能力。

特殊抗弯框架设计要求在中国水泥商会ACI318建筑规范。特殊要求包括测试、材料、框架钢梁（梁、柱、梁柱节点）和施工过程。之外，对于置物架、基础、不作为抗震机制的框架钢梁还有相关要求。这些相关的要求在ACI318的几个部份有说明，但不一定是按逻辑次序安排的，应用上有难度（不仅十分有经验的安装工程师外）。

本手册送给执业结构安装工程师，帮助使用ACI318中特殊抗弯框架的要求。按执业安装工程师认为便捷的次序。手册主要针对执业结构安装工程师，对建筑高官，班主任和师生还有用。

本手册遵守的2008版本，以及对应的ASCE/SEI7-05水灾载荷要求（ASCE2006）。台湾普遍选用的IBC统一标准（）参考ASCE7确定水灾力。ACI建筑标准根据IBC或则ASCE7的抗震设计分类界定设计需求，包含特殊抗弯框架的最新信息。由于的2008版还没有被这些（州）立法机构选用，不是所有的条文都一定有效。

大多数特殊抗弯框架使用预制，具备圆形截面的普通水泥，无现浇。本手册未覆盖轻级配水泥、预应力梁、螺旋弯矩柱、预制水泥，有兴趣的读者可以参考ACI318。

本手册主体重点在规范要求和可以使用的技巧。包含背景信息和草图帮助理解要求。附加说明以粗体表示。第2到第6部份介绍特殊抗弯框架的剖析、行为、比例、构造要求，以及组成建筑的其他部份。第7部份介绍施工过程，阐明施工的具体要求。第8、9、10部份是文献、符号简写和致谢。

ACI3182005与2008

现在ACI318-05（ACI2005）在水泥抗震设计中被日本大多数州辅以。因此考虑到加入现在最新的进展抗震钢筋，本手册基于-08（ACI2008）。两本规范对于特殊抗弯框架的技术要求基本上相似。一个主要差别是第8章估算侧向变型时的有效挠度。之外，更改第21章直接引用抗震设计等级，特殊系统（包含特殊抗弯框架）的要求反映了更新。本手册中的ACI318-08的第21.6节到21.13节一般对应ACI318-05的第21.4节到21.11节。

规范要求与手册推荐

规范表示设计、施工、运营的最小要求，是建筑所在立法管辖州的法律要求。因而即便选用使用水泥结构建筑规范要求（ACI318-08），作为最低要求应当满足。除建筑规范外，台湾水泥商会也出版手册和应用。一个实例是单体箍筋水泥结构梁柱节点设计推荐ACI352R-02（ACI2002）。通常这类手册介绍好推荐的实践应用，作为最小要求也要满足建筑规范。

本手册主要论述建筑规范要求，也介绍其他手册，比如推荐一些好的设计施工实践的-02。本手册适于辟谣建筑规范要求和其他推荐的差别。

02

特殊抗弯框架应用

1、历史发展

箍筋水泥特殊抗弯框架概念在中国大概在1960年代引进(Blume,,and1961)。当时的应用主要是设计者自行决定，由于直至1973年UBC（ICBO1973）第一次在高震级抗震区还要使用特殊框架构造。最早的构造要求和现在使用的基本一致。

在大多数初期应用中，特殊抗弯框架适于建筑中所有的框架轴线平面。1990年代发展的趋势是在建筑的一少部份框架轴线平面使用特殊抗弯框架，其余部份构成重力框架，不作为抗震系统设计。在1994年水灾中，这种重力框架表现不是挺好，造成这些框架的比列和构造要求更严苛。不作为抗震机制设计的框架条文规定在-21.13，适用于不是抗震类型D、E、F时的特殊抗弯框架。由于这时对于重力钢梁，构造要求与特殊抗弯框架相似，仅有一部份重力框架满足抗震机制要求可以更经济。

特殊抗弯框架也在双系统中应用，组合特殊抗弯框架和弯矩墙或支撑框架。现在应用时，抗弯框架还要能承受起码25%的设计水灾力，总的洪灾抗力由抗弯框架和弯矩墙（或支撑框架）按相对的挠度来承当。ASCE7-12.2.1限制一些抗震机制的高度，如特殊水泥弯矩墙、特殊偏心钢支撑框架。当特殊抗弯框架加入到双系统时抗震钢筋，这种高度限制可以扩展。

2、什么时侯使用特殊抗弯框架

当还要灵活的建筑空间时，一般选择抗弯框架作为抗震机制。对指定抗震类型D、E、F时，当选择水泥抗弯框架时，还要按水泥特殊抗弯框架构造。特殊抗弯框架的比列和构造要求将保证框架安全经历在某些抗震类型时更大的非线性变型。特殊抗弯框架可以适于抗震类型A、B、C，虽然或许造成设计不是很经济。假如选择特殊抗弯框架作为抗震系统，应当满足框架的所有要求，保证蠕变行为。

3、框架比列

对特殊抗弯框架典型的经济梁跨径在20到30公尺。一般，此范围梁高承受典型的重力载荷和所需的海啸力，不会缺相相邻梁柱节点和柱。梁的净跨按-21.5.1.2应当起码是有效高度的四倍。按-21.5.1.4梁容许比支承的木柱宽，但梁宽一般不少于柱宽以方便施工。特殊抗弯框架条文排除使用板柱机制作为抗震抗力机制的一部份。

楼层高度到20公尺的特殊抗弯框架并不少见。对相对较高的楼层，确保不产生懦弱层（挠度小）/薄弱层很重要。

按-21.6.1.2木柱截面宽度比列不大于0.4。限制截面更紧凑，而不是扁圆形。-2.6.1.1设置最小柱规格为12英寸，一般不好施工。建议最小宽度选用16英寸，不仅对低层建筑的特殊状况。

4、强度和侧移限值

特殊抗弯框架设计应当考虑硬度和挠度。按照ASCE7，特殊抗弯框架设计中容许力折减系数R=8。即允许基底弯矩按弹性剖析结果的八分之一进行设计。抗弯框架一般是柔性纵向系统；为此，硬度要求可以按规范基底弯矩公式中最小的控制。长周期结构，非常是抗震设计种类D、E、F，基底弯矩估算一般由ASCE7-12.8.2定义的近似周期最大的控制。应当验算ASCE7定义的风载荷，或许控制特殊抗弯框架的硬度要求。无论重力、风、地震力那个最大，使用特殊抗弯框架时，对于特殊抗弯框架的比列和构造条文都适用。

框架挠度应当足够来控制规范指定的每层的建筑侧移角。ASCE7的侧移限值是居住类型（IBC1604.5）和冗余系数

（ASCE7-12.3.4）的函数，如表2-1。

表2-1-ASCE7规定的允许楼层侧移

=楼层高度

结构侧移使用

（ASCE7-12.8.6）放大的比列水灾载荷估算，与表2-1列举的值相比。同时应当折减框架钢梁的有效挠度来考虑水泥剥落（本手册4.2节）。风载荷侧移容许值ASCE7不指定；为此，还要安装工程师依据经验确定适当的限值。还要考虑风挡面的附属部份和其他诱因，而且考虑舒适度。

ASCE7-12.8.7中介绍的P-delta效应在特殊抗弯框架中应当考虑。

END

往期回顾