针对K形偏心支撑框架（KEBF-RSLs）的全球性崩溃模式引导塑性设计，该框架采用可更换的剪切连杆

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Global collapse mode-guided plastic design for K-shaped eccentrically braced frames with replaceable shear links (KEBF-RSLs)

　　严展中|冯大哲|任国超|朱有涛|王宗斌
兰州工业大学土木与水利工程学院，中国兰州730050

摘要
K形偏心支撑框架（KEBF-RSLs）作为一种具有可更换剪切连接件的韧性结构体系应运而生，旨在促进地震后的快速修复。然而，传统的基于性能的塑性设计（PBPD）方法往往缺乏对极限状态下整体倒塌机制的明确控制，可能导致能量耗散不均。为了解决这些问题，本研究提出了一种改进的两阶段PBPD方法，该方法将塑性倒塌的运动学理论整合到设计过程中。该方法从耗能构件的设计逐步过渡到非耗能构件的设计。为了验证该方法的可行性，设计并评估了8层和16层原型结构，并在22个远场地面运动记录下进行了非线性静态推覆分析和非线性时程分析（NLTHA）。结果表明，所提出的方法成功实现了预期的整体屈服机制。在极限状态下，所有楼层的剪切连接件均匀发生塑性变形并接近其极限剪切能力，而柱子和支撑件则严格保持在弹性范围内。这种可控的损伤分布确保了结构表现出优异的抗震韧性，即使在极端罕见地震（ERE）事件后，可更换的连接件仍具有显著的修复潜力。研究结果证实，整合整体倒塌模式控制为韧性偏心支撑框架的基于性能的设计提供了坚实的理论基础。

引言
可更换的能量耗散装置的部署已成为提高抗震韧性和促进地震后快速功能恢复的可靠策略[[1], [2], [3]]。通过将这些“保险丝”中的塑性变形限制在指定范围内，可以通过更换受损部件来快速实现结构修复[[4], [5], [6]]。因此，可更换的能量耗散构件在各种结构类型中受到了广泛关注，包括抗弯框架（MRFs）[7,8]、钢管结构[9,10]和耦合墙系统[11,12]。其中，端板连接的可更换剪切连接件（RSLs）以其稳定的滞后行为而著称[[13], [14], [15], [16]]。将RSLs集成到K形偏心支撑框架（KEBFs）中，创建了一个结合了可靠抗震能量耗散和卓越可修复性的系统，从而显著提升了结构的整体抗震韧性[17,18]。

随着传统双系统的发展，结构保险丝技术的最新进展越来越重视多阶段屈服和自复位能力。诸如双核和三阶段屈服约束支撑件（BRBs）等创新在管理渐进式地震需求方面表现出色[19,20]。这些先进系统突显了当代地震工程中的一个关键共识：结构韧性需要一个明确控制的、分层的能量耗散机制，以防止灾难性的局部失效并最小化残余变形。基于性能的塑性设计（PBPD）方法最初由Goel及其同事提出，现已发展成为实现目标抗震性能的广泛接受的框架[[21], [22], [23]]。然而，传统的能量平衡模型——通常基于简化的弹塑性假设——存在局限性[24]。它难以准确描述韧性结构在不同地震强度下的非弹性响应，也无法捕捉双系统中的复杂剪切分布[25]。为了解决这些缺陷，杨等人[26,27]提出了一种针对双系统的等效能量基方法，利用三线性力-位移能力曲线同时满足多个性能目标。同样，翟等人[28]为具有两阶段屈服阻尼器的结构建立了“四级”能量耗散机制，而李等人[29]通过引入屈服后的刚度修改了传统EBFs的PBPD方法。尽管取得了这些进展，但在极限状态下确保预期整体倒塌机制的精确实现仍面临挑战。

尽管KEBF-RSLs代表了一种突出的韧性结构体系，但在中高层结构中，连接件屈服集中在少数楼层的不希望出现的应变局部化现象仍然普遍[30]。只有当结构系统激活其预期的屈服机制时，才能实现最佳的能量耗散，此时所有楼层的RSLs都参与能量耗散。理想的整体倒塌模式要求所有RSLs同时屈服，而非耗能构件严格保持在弹性范围内。虽然李等人的理论研究[29]表明，通过保持梁段剪切能力与屈服载荷之间的恒定比例可以有效控制整体损伤机制，但尹等人的循环加载测试[18]显示，RSLs的实际剪切能力分布（或超强度系数）并非恒定，而是在1.47到1.67之间变化较大。这种变异性挑战了标准能力设计的可靠性，需要一种优化策略来确保柱子和支撑件在RSLs达到其实际极限能力之前不发生屈服——这是地震后快速修复的先决条件。为了严格控制失效模式，塑性机制控制理论（TPMC）提供了一个基于上界极限分析的稳健运动学框架[31,32]。最初，TPMC不等式的解决依赖于迭代计算算法。在过去十年中，理论进展提供了非迭代的、封闭形式的解决方案。这些现代程序优化了复杂双系统的设计过程，如MRF-EBFs[33]和具有倒Y方案的框架[34]，有效减轻了计算工作量和早期迭代方法相关的柱子过大问题。然而，TPMC本质上基于刚性塑性理论，优先考虑了极限倒塌状态，因此忽略了屈服前的弹性行为，也无法明确指定塑性铰链形成的时间顺序。此外，满足多个性能目标（如在频繁、设计和罕见地震强度下的特定楼层间位移限制）需要明确的能量平衡量化，这通常超出了纯极限分析的范围。

为了解决这些实际工程要求并提高KEBF-RSLs的设计合理性，本文提出了一种新颖的混合两阶段方法。第一阶段采用能量平衡原理来确定耗能构件（RSLs和MRF梁）的尺寸，以满足多层次性能要求；第二阶段根据严格的目标整体屈服机制确定非耗能构件（支撑件和柱子）的设计力，确保它们在RSLs达到其极限能力时仍保持弹性。通过将PBPD方法的多层控制与TPMC框架的整体机制保证相结合，该方法旨在优化双系统的抗震韧性。为了验证这种方法的可行性，设计并评估了8层和16层原型结构，并在22个远场地面运动下进行了非线性静态推覆分析和非线性时程分析（NLTHA）。此外，通过在第一阶段预先确定耗能构件的能力，所提出的混合框架限制了传递给非耗能构件的需求。这种物理预处理防止了柱子尺寸的人为膨胀，并允许经典递归算法在初始计算步骤中收敛，简化了实际设计过程。

**部分摘录**
在KEBF-RSLs的抗震设计中，结构性能依赖于特定的倒塌模式，如图1所示。整体倒塌模式代表了最佳的能量耗散模式。在这种状态下，所有RSLs屈服以完全耗散地震能量，而剩余的框架构件（柱子和支撑件）保持弹性。根据能力设计原则，所有楼层的柱子和支撑件必须具有足够的强度，以防止在RSLs屈服之前发生屈服。

**基于能量平衡的耗能构件设计（第一阶段）**
在所提出方法的第一阶段（阶段I），KEBF-RSL作为一个双系统运行。虽然当前的双系统极限分析将框架在极限状态下严格视为一个统一的运动学实体，但耗能构件的实际尺寸确定需要初始的能力分配。根据既定的基于性能的比例原则，从能量平衡概念得出的总设计基础剪切力...

**案例研究应用**
为了验证所提出框架的可行性和有效性，将第3节总结的两阶段塑性设计方法应用于8层、12层和16层的三种原型KEBF-RSL结构。使用SAP2000开发了非线性有限元模型，进行了推覆分析和在不同地震强度下的增量动态分析（IDA）（见图6）。

**推覆曲线**
推覆分析中使用的横向荷载模式遵循第3.1.4节详细说明的塑性设计程序。分析在目标楼层间位移比为1/30或整体结构不稳定开始时终止。图15a展示了原型结构的基剪切力与屋顶位移（V?δ）曲线，所有结构都表现出特征性的三线性响应。第一个拐点对应于RSLs的屈服开始（用红色表示）。

**结论**
本研究提出了一种针对KEBF-RSLs的新型两阶段塑性设计方法，将塑性运动学理论整合到传统的PBPD框架中。为了验证这种整体倒塌模式引导方法的可行性和有效性，设计并评估了8层和16层原型结构，并在22个远场地面运动记录下进行了广泛的数值评估，包括静态推覆分析和NLTHA。主要结论总结如下：

**作者贡献声明**
严展中：撰写——原始草案，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。
冯大哲：撰写——审阅与编辑，方法论，调查，形式分析。
任国超：方法论，调查，形式分析。
朱有涛：方法论，调查。
王宗斌：监督，概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本工作得到了甘肃省大学产业支持计划（授权号2026CYZC-020）的支持。本文中表达的任何观点、发现、结论或建议均为作者的观点。