1、 2004 年 8 月 16 号 基于性能的抗震设计方法和复合屈曲约束支撑框架的性能 摘要 屈曲约束支撑框架的概念相对较为新颖，近年来它的应用在美国、日本和台湾得到增强。然而，对于一般实践的详细设计规则当前还处于发展阶段。从2002 年夏开始，密歇根大学的研究者已经开始和台湾 地震工程研究中心的队伍展开合作，在设计、分析和应用模拟动力测试方法对 这种框架进行全方位测试等方面进行联合研究。 选定的结构是由混凝土灌注的钢管圆柱、钢梁和复合屈曲约束支撑组成的三层三跨的框架。这种框架是应用密歇根大学最近发展的基于能量的塑性设计程序设计而成的。这种方法利用了选定的目标作业份额（对这个框架在 50 年中2
2、.0%到 10%荷载 50 年设计范围中的 2.5%到 2%）和总体的屈曲原理。由于在端部连接和支撑的 钢壳之间设计空隙的更多精确控制的需要，屈曲约束支撑框架是对这种最新成熟设计方法的最好候选者。 这篇文章简要介绍了由密歇根大学研究的基于能力原理的设计方法和由台湾地震工程研究 中心的科研小组为计算框架底部剪力的设计计算结果而采用的基于位移的设计程序模式，并对两种方法对于一次台湾地震而设计的框架无弹性响应结果进行了对比。同样的框架也在美国进行了设计，并依据美国的标准在地面运动下进行了分析。由密歇根大学设计的框架对台湾和美国的地面运动都基本符合动力响应。 介绍 屈曲约束支撑极好的地震反应激励了台湾
3、地震 工程研究中心的实验 计划 ，也鼓励了密歇根大学的研究者们对分析和设计之间结合的进一步研究。在这个计划中，屈曲约束支撑为 2003 年 10 月在台湾地震工程研究中心进行模拟动力荷载实验的三层三跨框 架提供了最基本的抗力结构。原型建筑的结构布置如图一 a 所示，实验框架的立面如图一 b 所示。针对实验目的，假定这些跨中的两个能够抵抗作用在一个三层建筑原型的全部地震力。地震力作用的框架在图一a 中用粗线表示。 图一 :（ a）圆形建筑的平面布置图 （ b）测试框架图 测试框架描述 本框架通过两个互相分离的机构来抵抗地震荷载。最基本的抵抗力由框架中主要跨（图一 b）的屈曲约束支撑来提供。这一跨
4、被设计为一个完全的支撑框架，而所有的梁柱连接和支撑与柱间的连接 作为最简单的连接。在每一个地震作用的 框架中，支撑被设计为抵抗地震作用力的 80%，剩余的 20%有外侧的两跨来抵抗。外侧两跨作为瞬间框架，同时外侧梁柱接头作为瞬间连接。所有柱子都由混凝土灌注钢管组成 。内外侧柱子采用不同的型材，随着建筑物高度的增加尺寸保持不变。梁上采用大法兰。各层采用不同尺寸的梁，而在同一层上的所有跨都采用相同尺寸的梁。 屈曲约束支撑的特性 屈曲约束支撑的特色是在混凝土灌注钢管中插入一个钢芯（图二 a）钢芯和混凝土灌注钢管由于钢芯表面的脱胶材料而保持相互分离。灌注的混凝土和钢管的作用是防止钢芯屈曲，以至于在大位
5、移撤消后支撑有一个很好 的荷载位移响应。脱胶材料能够保证作用在屈曲支撑上的力仅仅由钢芯承载，而不会作用在周围材料上。在台湾的地震工程研究中心，各种不同配置的屈曲约束支撑在大周期 轴力作用下进行试验，从而挑选出最适宜实验框架的配置（图二 a）一个挑选出的屈曲约束支撑的配置对应的典型荷载位移响应如图二 b 所示。正如看到的，得到了整个的滞后线圈和完美的能量扩散。然而，要注意的是压缩的屈服荷载要比拉伸的高出 10%左右。这一点要在框架设计中进行说明。 图二：（ a）采用的屈曲约束支撑结构 （ b）屈曲约束支撑的典型荷载位移响 应 设计要素 为满足一般的性能要求，依据不同的设计程序设计了三个原型框架来
6、进行对比。第一个框架由台湾的 地震工程研究中心的科研小组设计，这个框架的底部剪力计算依据基于位移的多模式抗震设计程序，这个指导方针还在 2002 年规定了台湾的抗震设计规则。这个框架是根据弹性方法设计的。第二个框架（密歇根大学设计的第一个框架）由密歇根大学的团队设计。他们的底部剪力假定了台湾地震工程研究中心的结果，但他们采用了最近形成的塑性设计方法。第三个框架（ 密歇根大学的第二个框架 ） 在计算底部剪力时采用了由密歇根大学研究的基于能量的简单程 序。框架的设计采用了同密歇根大学第一个框架一样的塑性设计方法。 基本设计参数由台湾地震工程研究中心的科研小组依据 2002 年起草的台湾抗震设计规则选定。每一层的地震作用平均的分配到到两个抗震框架上。作用在每层上的地震作用如下， 一层和二层： 714 千磅 三层 564 千磅。 为了计算原型建筑的设计底部剪力采用了两种不同的性能 标准 ，并把其中较大的结果作为实验框架的设计依据。根据第一个性能标准（保护准则），当
