本文是一篇土木工程论文，本文基于带竖向连杆偏心支撑钢框架结构的理想失效模式，提出了该结构的新型设计方法，通过设计相关算例（N-TBF）对设计方法进行验证，并增加R-TBF结构和K-EBF结构的对比算例，从结构层面和设计层面对比结构的弹塑性地震响应和抗震性能。
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
常见的钢结构抗侧力体系主要有：抗弯钢框架（Moment-Resisting Steel Frame，简称MRF）、中心支撑钢框架（Concentrically Braced Steel Frame，简称CBF）、偏心支撑钢框架（Eccentrically Braced Steel Frame，简称EBF）、防屈曲支撑钢框架（Buckling Restrained Braced Steel Frame，简称BRBF）等[1-3]。其中，中心支撑钢框架结构在小震作用下能提供足够的弹性刚度，但是在大震作用下，结构主要通过支撑的拉压变形耗散能量，当支撑受压屈曲后，结构承载能力和延性也会降低；抗弯钢框架结构虽然可以提供足够的延性和耗能能力，但其结构构件截面较大，会占用室内空间，造成了钢材的浪费[4-6]。
偏心支撑钢框架结构（EBF）指结构中的支撑斜杆至少一端与横梁偏心连接，形成耗能梁[7-8]。EBF结构的支撑形式主要有K形、D形、Y形、V形等[9]，如图1-1所示，其中K形偏心支撑钢框架结构（K-EBF）很好地结合了人字形中心支撑钢框架和抗弯钢框架的优点，在弹性阶段能够提供较大的抗侧刚度，在弹塑性阶段又可以通过耗能梁耗散能量，结构整体耗能能力较好，适用于高烈度抗震地区的多高层建筑，目前已在国内外很多工程中得到了应用，如中国国学中心、陕西银隆大厦、土耳其泽塔斯电厂等[10-13]，如图1-2所示。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 偏心支撑钢框架结构设计方法研究现状
当前偏心支撑钢框架结构设计方法研究主要为基于性能的抗震设计方法，大体上可以分为基于承载力、位移和能量这三种。
19世纪70到80年代，各国学者对偏心支撑钢框架基于承载力的设计方法展开了研究。Roeder和Popov[27]、Manheim[28]等提出了偏心支撑钢框架的塑性设计方法；在此基础上，Popov又提出了偏心支撑钢框架的允许应力设计方法[29]。各国规范[14-15]也均采用基于承载能力设计的思想，罕遇地震作用下，结构的塑性集中发展在耗能梁上，而其他构件基本保持弹性工作状态。陈小峰等结合国内外偏心支撑钢框架结构的最新研究成果以及相关设计规范[14-16]的规定，介绍了偏心支撑钢框架结构的最新能力设计方法，认为在计算耗能梁的强度时应适当考虑楼板组合作用产生的超强[30]。
偏心支撑结构只基于位移或能量的设计方法研究较少，更多是多个指标综合控制的基于性能的抗震设计方法。Gong等以结构重量最小、地震输入能量最小、耗能量最大为设计目标，提出了一种钢框架结构承载力优化设计方法[31]。邵建中等通过限定结构的位移和延性需求来确定结构的强度需求，提出了基于屈服点谱的性态设计方法，该方法概念清晰、操作简单[32]。顾强等基于滞回耗能谱与累积延性比谱，根据能量平衡关系，分别提出了近场和远场地震下K形偏心支撑结构的性能设计方法[33-34]；Mohammadi等基于均匀变形理论的概念，提出了一种优化的偏心支撑钢框架结构的实用方法[35]。Kalapodis等使用一个等效的多自由度系统，提出了一种改进的直接基于位移的设计方法，该方法可以充分考虑高阶模态和二阶效应的影响，具有更高的精度[36]。胡淑军通过分析耗能梁的力学性能，提出了耗能梁的优化设计方法，并在此基础上根据结构在目标位移下的能量平衡，提出了基于性能的塑性设计方法[37]。苏明周等对高强钢组合K形偏心支撑结构（K-HSS-EBF）进行试验研究[38-40]，根据偏心支撑钢框架的整体理想失效模式，提出基于性能的抗震设计方法[41]；在此基础上郑晓伟通过确定结构屈服位移和等效阻尼比，提出了K-HSS-EBF结构直接基于位移的抗震设计方法[42]；李腾飞考虑K-HSS-EBF结构在不同地震水准作用下的性能目标，提出了基于多目标性能的结构塑性设计方法，使结构损伤更为可控[43]。
第2章 带竖向连杆偏心支撑钢框架结构设计方法
2.1 概述
剪切型偏心支撑钢框架结构主要通过耗能梁的剪切变形耗散地震能量。然而现行规范[14,15]基于强度的设计方法无法预测大震作用下结构的破坏模式，结构非弹性变形往往容易集中在少数楼层，有可能造成较大的层间侧移，形成软弱层，导致结构的破坏甚至倒塌。在带竖向连杆的偏心支撑钢框架结构中，由于竖向连杆的变形协调作用，耗能梁剪力可以通过竖向连杆传递，使结构各层耗能梁的弹塑性变形沿高度方向均匀分布，从而改善上述偏心支撑钢框架结构中出现的问题，结构整体塑性变形更加均匀，提高了支撑框架结构的耗能能力和延性。
带竖向连杆偏心支撑钢框架结构的理想失效模式为：在罕遇地震作用下，仅有耗能梁进入塑性，而其他非耗能构件保持弹性，且耗能梁的弹塑性变形沿高度均匀分布，如图2-1所示。本章从以下两个方面，对带竖向连杆偏心支撑钢框架结构的设计方法进行研究：（1）地震作用分布：充分考虑高阶振型影响，研究大震作用下地震作用的分布模式，进而根据结构理想失效模式，计算地震作用；（2）构件设计：选取隔离体，分析地震作用下支撑、竖向连杆和支撑跨柱等非耗能构件的受力情况，提出构件的设计方法。
2.4 算例分析
2.4.1 算例概况
算例为某地区办公楼，建筑所在地区抗震设防烈度为8度（0.2g），所在场地为Ⅲ类场地，地震设计分组为第二组。结构平面图和立面图如图2-4所示，层高3.9m，横向、纵向跨度均为7.8m，横向5跨，偏心支撑位于横向中间跨，耗能梁长度（e）为1m，均为剪切型耗能梁——e < 1.6 Mp/Vp（式中Mp和Vp分别为塑性弯矩强度和塑性剪切强度），梁柱间为刚接，支撑、竖向连杆与梁柱间均为铰接。所有构件均采用Q345钢，弹性模量E = 2.06×105 MPa，泊松比υ = 0.3。
参考文献[57]，取屋面恒荷载为8.25 kN/m2，楼面恒荷载为7.8 kN/m2，活荷载根据建筑结构荷载规范GB50009[58]选取，楼面活荷载按办公楼取为2 kN/m2，屋面活荷载按上人屋面取为2 kN/m2。设计时考虑的荷载组合为：（1）1.3D+1.5L；（2）1.2D+0.6L+1.3E，其中D为恒荷载，L为活荷载，E为水平地震作用。
第3章 带竖向连杆偏心支撑钢框架结构弹塑性地震响应分析 ·················· 19
3.1 概述 ·················· 19
3.2 算例概况 ························· 19
第4章 基于易损性的带竖向连杆偏心支撑钢框架结构抗震性能评估 ················· 37
4.1 概述 ···························· 37
4.2 地震易损性评估理论 ··················· 37
结论与展望 ······················ 53
第4章 基于易损性的带竖向连杆偏心支撑钢框架结构抗震性能评估
4.2 地震易损性评估理论
4.2.1 基于IDA方法的易损性分析模型
增量动力分析方法（IDA方法）是目前基于性能地震工程中用于确定结构在不同强度地震动作用下响应的一种方法，在结构抗震性能评价中得到了广泛的应用[62-64]。IDA方法是指通过向结构模型输入按一定比例调幅的地震动记录，得到结构的最大响应，最后绘制出结构地震需求参数（Damage Measure，简称DM）与地震动强度参数（Intensity Measure，简称IM）的关系曲线，即IDA曲线[65]。
结论与展望
本文基于带竖向连杆偏心支撑钢框架结构的理想失效模式，提出了该结构的新型设计方法，通过设计相关算例（N-TBF）对设计方法进行验证，并增加R-TBF结构和K-EBF结构的对比算例，从结构层面和设计层面对比结构的弹塑性地震响应和抗震性能。本文的主要工作内容和所得结论总结如下：
（1）考虑高阶振型的影响，本文所提设计方法假设地震作用的分布模式与振型分解反应谱法计算的地震作用分布模式具有相同的形状，通过建立与耗能梁屈服剪力的弯矩平衡关系，计算出支撑跨的地震作用，并根据地震作用对支撑、柱、竖向连杆截面进行设计。
（2）根据本文所提设计方法，设计了带竖向连杆偏心支撑钢框架结构算例，通过Pushover分析和非线性时程分析，分析结构塑性发展顺序和内力分布情况。结果表明，结构破坏时，耗能梁首先出现屈服，之后在竖向连杆的变形调节下，结构各层耗能梁均进入塑性耗散能量。罕遇地震作用下，各层耗能梁的塑性变形均匀，非耗能构件的归一化轴力基本小于1，构件基本可以保持弹性，可以达到预计的设计目标。
（3）为验证带竖向连杆偏心支撑钢框架的结构形式和本文所提设计方法的优越性，分别根据不同设计方法设计了带竖向连杆偏心支撑钢框架结构算例，并设计传统K形的偏心支撑钢框架结构算例，对比了结构的弹塑性地震响应。带竖向连杆的偏心支撑钢框架结构的层间位移集中系数和归一化耗能梁剪力离散系数均小于传统K形偏心支撑结构，表明该结构层间位移与耗能梁剪力分布都更加均匀，其损伤分布也更合理，延性更好。相较于R-TBF结构，本文考虑高阶振型影响的设计方法可以改善Rossi设计方法所设计的结构在大震作用下部分耗能梁未能屈服的情
