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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，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，现摘译其中的钢筋混凝土特殊抗弯框架设计一文，希望对工程师了解国外抗震设计理念和实践有帮助。 梁设计剪力使用承载力方法确定，如3.2节所述。图5-10 说明这种方法应用到梁。从框架中得到梁隔离体，施加组合重力荷载（使用ASCE7中定义的相应荷载组合），以及在两端不作用的弯矩和剪力。假定梁弯曲屈服，梁端弯矩等于名义抗弯强度Mpr，如图5.1所示。然后按照隔离体需要维持抗弯平衡的剪力（即求一端的合力去获得另一端的剪力），计算设计剪力。  这种方法一般高估设计剪力。对典型的特殊抗弯框架梁，不像典型的重力梁，梁的剪力在跨中不接近零。而是在大多数特殊抗弯框架梁中，沿长度具有非往复剪力需求。如果剪力沿跨度不往复，可能导致非往复梁塑性铰发生（见5.1节）。 梁典型的重力组合取设计剪力距柱面一定距离d。对特殊抗弯框架，剪力梯度一般较低，在d处设计剪力与柱边相差不大。因此为简化抗剪设计，一般考虑柱边。梁抗剪设计在5.3.2节说明。 特殊抗弯框架梁需要沿全长有周边钢筋或箍筋。周边钢筋封闭梁截面，约束混凝土，限制纵向钢筋屈曲，改进钢筋和混凝土粘接，抵抗剪力。箍筋一般不闭合，仅用于抗剪需要。 考虑周边钢筋和箍筋放置，特殊抗弯框架梁可以分为三个区域：预期发生弯曲屈服的梁端；交叠拼接的区域（如果有）；梁其他区域。 在每端2h区域范围需要很好的约束，因为此处梁预计发生弯曲屈服，以及是最大剪力位置。因此，在这区域需要较小间距，封闭周边钢筋，如图5-11所示。注意到如果弯曲屈服预计在梁跨任意位置发生而不是梁端，周边钢筋必须扩展到屈服位置每侧2h。后一个条件与非往复梁塑性铰（见5.1节）关联，不推荐。后续的讨论假定这种行为在设计中所避免。 周边钢筋可以由一个或多个闭环组成。或者，可以由典型梁箍筋以及在每端以135°或90°交叉的抗震钩组成。因施工方便优先使用梁箍筋交叉而不是周边钢筋，顶部纵向梁钢筋可以在现场放置，然后安装交叉。参见图5-12了解周边钢筋配筋附加构造要求。
图5-12 环状筋细节 周边钢筋和箍筋放置 当在梁每端和钢筋拼接处提供周边钢筋时，梁可能没有足够的剩余长度满足箍筋。因此，为防止放置错误，实践中延申周边钢筋构造和间距到整个梁长很常见。要进行一个快速用量对比，比较构造钢筋的用量差别。配筋的重量和现场放置的数量影响造价，在指定周边钢筋和箍筋时需要考虑。如果周边钢筋和箍筋设计使用不同的构成和间距，工程师需要进一步考虑，保证钢筋工和质检员了解布置要求。当第一楼层梁施工时，这些考虑在施工过程早期是关键性的。通常第一层后，钢筋样式可以同样处理。 当需要周边钢筋时，周边上纵向钢筋必须有横向支承，与ACI318-7.10.5.3协调。这保证在可能弯曲屈服位置反向弯曲受压时限制纵向钢筋屈曲。 当特殊抗弯框架梁的端部区域确定周边钢筋的尺寸时，除非满足ACI318-21.5.4.2要求，否则必须忽略混凝土抗剪强度(Vc=0)。因此沿梁端部区域，抗剪设计要求一般是φVs>Ve，这里φ=0.75。注意Ve使用承载力设计确定，如5.3.1节。在端部区之外，抗剪设计使用传统设计公式φ(Vc+Vs)>Ve。 如果梁纵向钢筋是拼接的，重叠部分周边钢筋是必须的，纵向钢筋沿截面周长需要有横向支承，按ACI318-7.10.5.3要求。梁纵向钢筋重叠不使用于(a)节点内(b)节点边两倍构件高度范围内(c)分析给出由于框架的非线性横向位移造成弹性屈服范围。通常，如果使用搭接，他们在梁的跨中放置。周边钢筋要求见图5-11。 周边钢筋需要沿梁端部区域(当弹性屈服预期发生)以及沿拼接，间距限值如图5-11。否则，横向钢筋需要间距超过d/2，并允许在梁箍筋带有抗震闭环。 5.4 柱设计和配筋 特殊抗弯框架中柱子有几种强度校核。第一种，柱子可以按最大重力荷载组合设计，配筋面积在毛截面面积的1%到3%。ACI318允许纵向配筋达到毛截面的6%，但这种配筋结果导致拼接位置很密。可以考虑使用机械连接，这时配筋率可以超过3%。 柱轴向荷载 柱子轴向荷载试验表明高轴力对柱子有不利影响。当轴力增加时，受压混凝土要求增加。在平衡点以上，弹性屈服发生在受压区。尽管ACI318允许绑扎柱最大设计轴向荷载为0.80φPo = 0.52Po，更好的设计实践是轴向荷载较低。推荐限制设计轴向荷载到柱子屈服曲线的平衡点。 作用于抗弯框架的地震力通常对柱内部轴力没有较大贡献。应该特别关注外部和角柱，因为地震力可能比重力荷载影响更大。 根据ACI318-21.6.1，如果柱轴向受压任意荷载组合超过Agf’c/10，柱必须对所有荷载组合满足强柱/弱梁要求。如3.1节，这个要求在地震荷载作用下一般导致中部或梁屈服，如图3-1(b)和(c)。这个要求一般控制柱的抗弯强度。 要满足ACI318-21.6.2.2的强柱弱梁要求，连接到节点的柱名义抗弯强度Mn至少要连接到节点的梁的强度的1.2倍，如图5-13所示。计算梁强度时，要求在有效翼缘宽度包含板配筋扩展（ACI318-8.12）作为梁抗弯受拉钢筋。校核必须对双向侧移进行（如东西向、南北向），以及两个主框架方向（例如东西、南北）进行。当进行抗弯强度校核后，需要考虑柱中最大最小轴力，因为柱子抗弯强度与轴向荷载是独立的，如图5-14。图中荷载组合来自ASCE7-2.3.2和12.14.3.1.3。参考ASCE7对活荷载系数的要求。
设计与预期柱轴向荷载 设计轴向荷载使用ASCE7组合计算，通常基于结构线弹性分析模型。在强震作用下，结构单元可能有非线性反应，与计算的线性模型内力不同。例如，图3-1中建筑，在整个高度形成梁铰机制，每个梁应该形成可能的抗弯强度Mpr。这个弯矩比从线性分析得到的设计弯矩要高，通常导致其他单元如柱有更大的内力。 对图3-1（c）中外部柱，轴向荷载可能很大，达到从屈服梁到建筑高度的总剪力Ve2（见图5-10）与柱自重荷载和其他柱支撑的单元之和。没有办法知道是否梁全高屈服机制将形成，因此无法知道轴力能多大。因为高轴力降低柱性能，这是为什么好的设计实践要保持较低设计轴向荷载的原因。
在某些情况下，可能对小部分柱子不容易满足强柱/弱梁要求。这些柱子的强度和刚度可以考虑为特殊抗弯框架。这些柱子必须满足ACI318-21.13，柱不设计为抗震抗力体系的一部分。 柱横向配筋随柱长度不同，如图5-15。纵向钢筋应该沿周长分布布置。纵向钢筋搭接，必须在净高的中部，并不超过柱端部l0。搭接需要布置封闭周边钢筋，沿搭接闭环。紧密间距周边钢筋也需要在两端l0范围内布置，在柱子弹性屈服发生时，限制混凝土和纵向钢筋屈曲。沿整个长度，抗剪强度应该足够以抵抗剪力，需要的周边钢筋最大间距d/2，d常见为0.8乘柱截面尺寸h。
图 5-15 柱横向配筋间距要求
强柱/弱梁校核 柱比梁更强的要求对避免楼层机构形成很重要，如图3-1(a)所示。此时可以考虑ACI318 要求的板对抗弯强度贡献。特别的包含8.12定义的有效翼缘宽度板配筋。 现代建筑常见的施工形式使用非粘接后张板，与混凝土梁整体浇筑。有效翼缘宽度外布置非粘接钢束不意味这些钢束对梁抗弯强度没有贡献。这是因为板边一定距离外，后张力沿板及梁截面形成均匀的受压应力（见草图）。
一个合理的考虑是计算作用在复合梁板系上的平均预应力，然后施加预应力到T形截面，确定T梁上有效轴压力。这个推荐仅对远离板边完全张拉的内部连接有效。不需要适用于板边，因为后张在这个位置没有有效受压。 周边箍筋构成 柱周边箍筋应该构成至少三个周边钢筋或横向拉筋在每个面限制纵向钢筋。一个单独的周边钢筋没有拉筋，对与小的截面柱子，原则上ACI318容许，但不推荐，因为有效约束不够。
一旦选择横向钢筋，需要校核截面抗剪强度。ACI318对抗剪要求不明晰，导致对合适的最小设计要求不明确。下面给出三个计算抗剪设计方法。柱抗剪设计定义为方法a和方法b或c两者的较大值。总结如下。 a. 根据ACI318-21.6.5.1, Ve将不少于建筑分析中的控制抗剪荷载组合。见图5-17(a)。参考下面段落，抗剪可以指定为Vcode。 b. Ve可以使用承载力设计确定，如图5-17(b)所示。对于梁，Mpr使用强度折减系数φ= 1.0 确定，钢筋屈服应力等于1.25fy。进一步，Mpr等于与预期轴力相关连最大值。如图5-18，设计荷载组合轴力范围从Pu1到Pu2。抗弯强度需要取为等于轴向荷载范围的最大抗弯强度。这种方法一般是保守的，因为除了一些不可预见偶然荷载，不可能有更高的剪力在柱中。 可能的话一般推荐这种方法。对一些柱，由这种方法获得的剪力比横向钢筋提供的要大，比预期剪力大很多，因此ACI318-21.6.5.1提供了可选的c方法。 c. 这种方法的柱设计剪力，可以考虑等于基于连接的梁Mpr从节点强度确定。这种方法的概念是柱剪力不需要考虑比梁的剪力要大，当梁在梁屈服机制下形成抗弯强度。这种方法的问题是柱抵抗弯矩分布在梁上和梁下是不确定的。一个常见假定是按柱抗弯刚度分配弯矩到柱。分析表明这种方法可能是非保守的且偏差较大，所以本文不推荐。  图5-16 柱横向钢筋详细
柱绑扎间距 与梁周边钢筋和箍筋一样，当竖向柱配筋搭接存在时，经常在l0范围外没有足够间距利用来使用较大绑扎间距，如图5-15。因此，实践中一般指定均匀分布绑扎间距防止施工中错误绑扎。当钢筋不是每层都拼接时，可能隔层拼接，可以实现在l0区域指定更大间距。间距大一些的好处可以通过简单计算绑扎的数量来看到。 本指南推荐一种方法c的可选方法。首先，按方法a确定柱剪力Vcode。如果框架按强度对应设计需求成比例，Vcode可能是一个合理的真实剪力。实际梁抗弯强度可能超过最小要求，因为截面尺寸增大，材料超强，以及其他保守设计。如果梁与平均设计抗弯强度Mu相比，超过平均抗弯强度Mpr，可以合理估计剪力达到Mpr/Mu×Vcode。这是使用设计方法c时推荐的柱剪力。 因此抗剪设计方法简化如下：Ve是（1）方法b得到的剪力，或者（2）前面介绍的修正方法c获得的剪力。 对柱设计抗剪强度是φ(Vc+Vs)>Ve, φ= 0.75。Vc在l0长度内必须设置为0，如图5-15，对任何荷载组合，柱具有较低轴力(<Agf’c/20)以及高抗震剪力要求(Ve=Vu/2)。注意这些条件必须是要求Vc=0。在抗震设计D、E、F，Ve将是控制内力。 参考ACI318-21.1.2.3，如果特殊抗弯框架的柱子伸到结构基底以下，如图4-2。这些柱子需要传递地震作用下内力到基础，这些柱必须满足特殊抗弯框架构造和比例要求。在大多数情况下，特殊抗弯框架柱子将在整个高度承载地震力，当需要时提供全高延性构造。 当柱子伸到墙基础单元或墙时，柱可能在地震荷载下屈服，保守的约束钢筋需要保证。ACI318参考此条件在21.6.4.1注释。推荐约束区长度增加到1.510。试验显示在较高轴向荷载下90°交叉一般没有135°弯起更有效。如果柱上轴向荷载在平衡点以上，在此位置交叉筋来说90°应该避免。或者如果在两端有135°，可以用双交叉，尽管可能造成施工困难。 在顶层位置，轴向要求通常较低。如果轴向需求小于等于Agf’c/10，强柱/弱梁不需要。因此，更可能在屋顶下柱顶形成铰。对此工况，对于特殊抗弯框架弯曲构件，柱必须满足21.5节要求。相应的，图5-13中所示l0长度需要扩大到两倍最大柱尺寸，h。在柱顶，纵向钢筋必须锚固在柱中心，允许对角受压桁架在节点形成。 |
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Jack P. Moehle
