6.3 Earthquake resistant structure systems
6.3.1 Rigid frame structure
Rigid frame structures typically comprise floor diaphragms supported on beams which link to continuous columns(see figure 6.4).The joints between beam and columns are usually considered to be “rigid”.The frames are expected to carry the gravity loads through the flexural action of the beams and the propping action of the columns.Negative moments are included in the beam adjacent to the columns causing the mid-span positive moment to be significantly less than in a simply supported span.In structures in which gravity loads dictate the design,economies in member size that arise from this effect tend to be offset by the higher cost of the rigid joints.
Lateral loads,imposed within the plane of the frame,are resisted through the development of bending moments in the beams and columns.Framed buildings often employ moment resistant frames in two orthogonal directions, in which case the column elements are common to both frames.
Rigid frame structures are well suited to accommodate high levels of inelastic deformation.When a capacity design approach is employed, it is usual to assign the end zones of the flexural beams to accept the post-elastic deformation expected, and to design the column members such that their dependable strength is in excess of the over-strength capacity of the beam hinges,thereby ensuring they remain within their elastic response range regardless of the intensity of ground shaking.Rigid frame structures are,however, often quite flexible.When they are designed to be fully ductile, special provisions are often needed to prevent the premature onset of damage to non-structural components.
Rigid frame construction is ideally suited for reinforced concrete building because of the inherent rigidity of reinforce concrete joints.The rigid frame from is also used for steel frame buildings.But moment resistant connections in steel tend to be costly. The sizes of the columns and girders at any level of a rigid frame are directly influenced by the magnitude of the external shear at that level, and they therefore increase toward the base.Consequently, the design of the floor framing can not be repetitive as it is in some braced frames.A further result is that sometimes it is not possible in the lowest storeys to accommodate the required depth of girder within the normal ceiling space.
While rigid frames of a typical scale that serve alone to resist lateral loading have an economic height limit of about 25 storeys, smaller scale rigid frames in the form of a perimeter tube, or typically scaled rigid frames in combination with shear walls or braced bents, can be economic up to much greater heights.
6.3.2 Infilled frame structures
Infilled frames(Figure 6.5) are the most usual form of construction for tall buildings of up to 30 storeys in height. Column and girder framing of reinforced concrete, or sometimes steel, is infilled by panels of brickwork, or cast-in-place concrete.
When an infilled frame is subjected to lateral loading, the infill behaves effectively as a strut along its compression diagonal to infills serve also as external walls or internal partitions, the system is an economical way of stiffening and strengthening the structure.
The complex interactive behavior of the infill in the frame, and the rather random quality of masonry, had made it difficult to predicate with accuracy the stiffness and strength of infilled frame.For these reasons, the use of the infills for bracing buildings has mainly been supplementary to the rigid frame action of concrete frames.
6.3.3 Shear Walls
A shear wall is a vertical structure element that resists lateral forces in the plane of the wall through shear and bending. The high in plan stiffness and strength of concrete and masonry walls make them ideally suitable for bracing building as shear walls.
A shear wall acts a beam cantilevered out of the ground or foundation ,and , just as with a beam ,part of its strength derives from its depth. Figure 6.6 shows two examples of a shear wall, one in a simple one-storey building and another in a multistorey building .In Figure 6.6a, the shear walls are oriented in one direction, so only lateral forced in this direction can be resisted.The roof serves as the horizontal diaphragm and must also be designed to resist the lateral loads and transfer them to the shear walls.
Figure 6.6a also shows an important aspect of shear walls in particular and vertical elements in general .This is the aspect of symmetry that has a bearing on whether torsional effects will be produced .The shear walls in Figure 6.6a show the shear walls symmetrical in the plane of loading.
Figure 6.6b illustrates a common use of shear walls at the interior of a multistorey building .Because walls enclosing stairways ,elevator shafts,and mechanical chases are mostly solid and run the entire height the building ,they are often used for shear walls .Although not as efficient from a strictly structural point of view, interior shear walls do leave the exterior of the building open for windows.
Notice that in Figure 6.6b there are shear walls in both directions, which is a more realistic situation because both wind and earthquake forces need to be resisted in both directions.In this diagram, the two shear walls are symmetrical in one direction ,but the single shear wall produces a nonsymmetric condition in the other since it is off center .Shear walls do not need to be symmetrical in a building ,but symmetry is preferred to avoid torsional effects.
If, in low-to medium-rise building,shear walls are combined with frames ,it is reasonable to assume that the shear wall attract all the lateral loading so that the frame may be designed for only gravity load loading. It is essentially important in shear wall structure
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6.3抗震结构体系
6.3.1刚架结构
刚性框架结构通常包括支撑在梁上的地面隔板，其中梁连接到连续柱上(见图6.4)。梁和柱之间的节点通常被认为是“刚性的”。框架预计将通过梁的弯曲作用和柱的支撑作用来承载重力荷载。负力矩被包含在与柱相邻的梁中，导致中跨的正力矩显著小于在一个简支梁的弯矩。在重力荷载决定设计的结构中，由这种效应产生的成员大小的经济体往往会被刚性节点的刚性性能所抵消。
在框架的平面内施加横向荷载，通过梁和柱的弯曲力矩的发展来抵抗。框架的建筑物通常在两个正交方向上使用具有抗力矩的框架，在这种情况下，柱状元素在两个框架中都很常见。
刚性框架结构非常适合于高水平的非弹性变形。当一个能力设计方法被使用时,通常是弯曲梁的两端区域接受塑性变形,并设计一系列如此的柱，以至于柱的可靠能力超过梁铰接时的能力,从而无论地面震动的强度有多大，都能确保他们仍然在他们的弹性响应范围内。然而，刚性的框架结构通常是相当灵活的。当它们被设计成具有完全延展性时，通常需要特别的条款来防止非结构性部件的过早损坏。
刚性框架结构由于钢筋混凝土节点的固有刚性，非常适用于钢筋混凝土建筑。刚性框架也用于钢框架建筑物。钢的耐力连接往往成本高昂,在刚性框架的任何水平处的柱和梁的尺寸直接受到在该水平面上的外部剪切的大小的影响，并且它们因此向着基部增加。因此，地板框架的设计不能重复，因为它在一些支撑框架中。另外的结果是，有时在最低楼层中不可能将正常天花板空间内所需的梁的深度适应。
虽然单独用于抵抗横向载荷的典型尺度的刚性框架具有约25层的经济高度限制，但是外围管形式的较小尺寸的刚性框架或通常具有比例的刚性框架与剪力墙或支撑的弯曲结合,可以经济到更高的高度。
6.3.2填充框架结构
填充框架（图6.5）是高达30层高的建筑物最常见的施工方式。钢筋混凝土或有时是钢的柱梁和梁架由砖砌体或现浇混凝土填充。
当填充框架受到横向荷载时，填充物作为有效地支柱，沿其压缩对角线填充，也用作外壁或内部隔板，该系统是加强和加强结构的经济方法。
框架中填充物的复杂相互作用行为以及相当随机的砖石质量使得很难准确估算填充框架的刚度和强度。因此，使用填充物作为支撑建筑物主要是对混凝土框架刚性框架作用的补充。
6.3.3剪力墙
剪力墙是通过剪切和弯曲抵抗墙所在的平面中的侧向力的垂直结构元件。 混凝土和砖石墙的预先设计刚度和强度高，使其理想地适用于支撑建筑作为剪力墙。
剪力墙表现为一个从地面或基础上离开的悬臂梁，与梁一样，其强度的一部分源于其深度。图6.6显示了剪力墙的两个示例，一个在简单的一层建筑中，另一个在多层建筑中。在图6.6a中，剪力墙沿一个方向定向，因此只能在该方向上被横向强制。屋顶用作水平隔板，并且还必须设计成抵抗横向荷载并将其转移到剪力墙。
图6.6a还显示了一般在特定和垂直元件上的剪力墙的一个重要方面。这是对称性的方面，与是否产生扭转效应有关。图6.6a中的剪力墙显示了对称的剪力墙 装载的平面。
图6.6b示出了在多层建筑内部的剪力墙的常见用途。因为围绕楼梯，电梯井和机械追击的墙壁大部分是固体，并且在建筑物的整个高度上运行，它们通常用于剪力墙。尽管没有从严格的结构角度来看，内部剪力墙确实使建筑物的外部对窗户开放。
注意到在图6.6b中，在两个方向都有剪力墙，这是一个更现实的情况，因为风和地震力都需要在两个方向上抵抗。在这个图中，两个剪力墙在一个方向上是对称的，但是 单个剪力墙在另一侧产生非对称状态，因为它偏离中心。在建筑物中，剪力墙不需要对称，而是优选对称以避免扭转作用。
如果在中低层建筑中，剪力墙与框架结合在一起，则可以合理地假设剪力墙吸引所有的横向载荷，使得框架可以仅设计只为重力荷载所用。 在剪力墙结构中基本上重要的是尝试规划墙体布置，以便通过重力荷载应力来抑制横向荷载拉伸应力。 这允许它们被设计为仅具有最小的加强。
由于剪力墙通常都是刚性的并且固有地坚固，因此设计它们在设计强度载荷下保持标称弹性是实用的，特别是在低或中等地震活动的地区。 在增加的载荷强度下，后壁弹性变形将发生在壁的下部。通过提供主要的增强钢的充分的限制，在钢筋混凝土或砖石剪力墙的这个区域内可以容易地实现良好的后弹性响应 禁止搭接拼接钢筋。
剪力墙结构通常是相当坚固的，因为这种层间位移问题是罕见的并且通常容易包含。剪力墙倾向于作为在围绕墙的基部形成的塑料铰链旋转的刚体。整体结构变形，因此是墙旋转的功能。确实发生的层间位移问题仅限于较低的楼层。
建筑物内有剪力墙的主要缺点在于其尺寸提供了可能违反建筑要求的内部通道障碍。通过耦合相邻的更细长的剪力墙可以减轻这个问题，从而形成耦合的剪力墙结构。耦合的梁然后成为两个壁之间的剪切连接，并且仔细的细节可以提供非常有效的延性控制机构。
6.3.4支撑框架
支撑框架是同心或偏心型的桁架系统，其中侧向力通过构件中的轴向应力抵抗。与桁架一样，支撑框架依赖于对角构件，以提供用于来自每个的横向力的载荷路径建筑元素到基础。图6.8a显示了一个简单的单层支撑框架。在建筑的一端，两个凹进处被支撑，另一端只有一个凹进处被支撑。该建筑物仅在一个方向上支撑，并且对角构件可以处于张力或压缩状态，这取决于施加力的方式。
图6.8b显示了支撑多层建筑的两种方法。一个隔间中的单个对角压缩构件可用于支撑来自任一方向的横向载荷。张力对角线可用于实现相同的结果，但是它们必须以两种方式运行，以解决任一方向的负载。
支撑框架可以放置在建筑物的外部或内部，并且可以放置在一个结构间隔或几个。显然，支撑框架可能会对窗户和门口产生设计问题，但它是非常有效和刚性的横向力抵抗系统。
支撑系统的两个主要缺点是它们的倾斜对角线常常与传统的占用模式相冲突;其次，他们经常需要仔细的细节，以避免在与框架节点偏移的对角撑架的连接处引入大的局部扭转偏心。
6.3.5框架-剪力墙结构
当剪力墙与刚性框架组合时，倾向于弯曲构造的弯曲的剪力墙和倾向于以剪切模式弯曲的框架被限制为通过梁和板的水平刚度采用共同的形状。因此，墙壁和框架水平相互作用，特别是在顶部，以产生更坚固和更坚固的结构。相互作用的墙框组合适用于40至60层的建筑物，远远超出刚性框架或剪力墙，远远超出刚性框架或剪力墙。
此外，框架-剪力墙结构的不太知名的特征是，在仔细的“调谐”结构中，框架中的剪切可以在高度上大致均匀，允许地板框架重复。
虽然框架-剪力墙结构通常被认为是具有剪力墙和混凝土框架的混凝土结构形式，但使用支撑框架和刚性框架的钢制对象提供了类似的水平相互作用的益处。支撑框架具有与刚性框架的剪切模式相互作用的整体弯曲倾向。
6.3.6框架筒结构框筒
框架管结构的横向阻力由非常坚硬的力矩抵抗框架提供，在框架周围形成“管”。框架由紧密间隔的柱组成，中心之间为2-4m，深墩梁深梁连接。尽管管承载所有横向荷载，但重力载荷在管柱和内柱或墙壁之间共享。当侧向载荷作用时，在荷载方向上对齐的周边框架充当巨型管悬臂的“腹板”，并且与负载方向垂直的周边框架用作“凸缘”。
在整个高度结构处柱的紧密间距在入口处通常是不可接受的。因此，这些列被合并或终止在基座上方的几层楼层上，以便只有几个，更大，更宽的间隔的列继续到底座。管形式最初是为了构建矩形图而开发的，对于其他计划形状，偶尔也被用于圆形和三角形配置。
该管适用于钢结构和钢筋混凝土结构，适用于从40层到更高层的建筑物。框架的高度重复性模式适用于钢的预制，以及在混凝土中使用快速组合形式为快速建设。
框架筒是高层结构形式最重要的现代发展之一，它提供了一种相对有效，易于构造的结构，适用于最高的高度。从外观上看，管的外观看起来与混合热情：一些赞美逻辑清晰的结构，而其他人批评大门式的立面是小窗口和无趣的重复。
管结构的结构效率虽然很高，但仍然有改进的余地，因为“法兰”框架倾向于遭受“剪切滞后”;结果是中间面“法兰”列的应力小于角柱，并不能尽可能完全满足法兰作用。
6.3.7筒中筒
框架管的这种变化由外框管，“船体”，以及内部电梯和服务核心组成。 船体和内芯共同作用于抵抗重力和横向荷载。 在钢结构中，芯可以由支撑框架组成，而在混凝土结构中，其将由剪力墙的组合构成。
在一定程度上，外框架管和内芯水平地作为壁框架结构的剪切和弯曲部件相互作用，有利于增加横向刚度。 然而，结构管通常采用高度主导的作用，因为其结构深度更大。
6.3.8桁架筒
提高框架管的效率，从而增加其更高高度的潜力以及允许柱之间更大间距的另一种方法是向管的表面添加对角支撑。由于支撑管的对角线连接到在每个交叉点的列，它们实际上消除了法兰和腹板框架中剪切滞后的影响。结果，结构在横向负载下更像是支撑框架，在框架的构件中弯曲度大大降低。柱的间距可以更大，并且伞形花纹的深度较小，从而允许比常规管结构中更大尺寸的窗口。
在支撑管结构中，支撑还有助于提高管在承载重力载荷下的性能;柱中的重力荷载应力之间的差异通过将荷载从更高的荷载转移到较不高应力的柱来弥补。
6.3.9束筒
结构形式已被用于西尔斯大厦由四个平行的刚性钢框架在每个正交方向组成，互连形成九个束筒。 如在一个束筒结构中，横向负载方向上的框架用作垂直悬臂的“腹板”，正常框架用作“凸缘”。
内部腹板的引入大大降低了凸缘中的剪切滞后，其柱比单管结构受力更均匀，对横向刚度的贡献很大。 这允许框架的列间隔开并且不那么突出。 在西尔斯大厦，采用捆绑形式的优点是停止了一些束筒，从而将建筑物的计划降低到高度。
6.4刚性钢筋混凝土框架结构分析
6.4.1框架结构性能
刚性框架的水平刚度主要由梁，柱及其连接的弯曲阻力，以及在高框架中由柱的轴向刚度决定。刚性框架任何层以上的积累的水平剪切受到该层的柱中的剪切的抵抗。剪切使层高高度的柱以双曲率弯曲，拐点在大约中层高度水平处反弯点。由上下柱的节点施加受到连接的梁的抵抗，其也弯曲成双曲率，拐点大约在中跨。柱和梁的这些变形允许框架的折叠和每层的水平偏转。整体偏转形状由于支架的刚性框架结构的总体变形具有剪切变形，具有凹度凹度上风，基部附近的最大倾角和顶部的最小倾角。
通过由结构的相对侧的柱中的轴向张力和压缩力产生的耦合力，在每个层级中抵抗外部水平荷载的整体力矩。柱的延伸和缩短导致总体弯曲和结构的相关的水平位移。由于累积的高度上升，由于整体弯曲引起的层间位移随着高度的增加而增加，而由于架构倾向而降低。因此，从整体弯曲到楼层偏移的贡献可能在最高层次上超过了起落架的作用。然而，整体弯曲对总位移的贡献通常不会超过10％，除非非常高，细长，刚性框架。因此，高层刚性框架的整体偏转形状通常具有剪切构型。刚性框架对重力加载的响应与连续的简单连接的框架不同大梁的行为。负弯矩在柱附近被诱发，而中等跨度区域出现通常较小幅度的正时刻。连续性也导致最大梁力矩对活载模式的敏感。当估计最坏的时刻条件时必须考虑这一点。
6.4.2重力载荷对构件力的近似测定：底架子结构法分层力矩分配法
刚性框架是更高的冗余结构;因此，只有在根据通过保守公式估计的近似力或通过简单的分析方法决定构件尺寸后，才能进行准确的分析，而不考虑构件特性。对于具有规则轮廓的建筑框架，不涉及装载或形状的异常不对称性，可以忽略由垂直载荷引起的侧面影响。框架的侧移忽略不计在这种情况下，由垂直载荷引起的力矩由足够的精度确定将整个框架分成简单的子框架。每个框架都由一个连续的梁组成，加上顶部和底部的框架成为该特定的梁。以最不利的方式将活载放置在梁上允许足够精确地确定所有梁力矩以及顶柱顶端和顶柱的顶端的力矩。对于该部分结构，远端的柱端设为固定端这种方法称为落地框架结构方法。
地板框架子结构方法是一种简短的力矩分布方法。在分析中只进行了两个周期。从一层转移到另一层的时刻很小。因此，每个楼层的时刻都是单独计算的。因此，从整体弯曲到楼层偏移的贡献可能在最高层次上超过了货架的整体弯曲。然而，总体弯曲对总漂移的贡献通常不会超过10除了非常高，细长，刚性的框架之外，该机架的百分比。因此，高层刚性框架的整体偏转形状通常具有剪切构型。刚性框架对重力加载的响应与连续的简单连接的框架不同，
根据设计规范所允许的累积支流死亡和活地板装载量估计列中的重力荷载轴向力，活动荷载折减减少。通过考虑连接的大梁中的最终力矩的最大差异，并根据相对柱刚度分配给定地板之上和之下的柱之间的力矩来估计任何地板或屋顶水平面上的力矩。
6.4.3水平荷载作用下造成的内力的近似确定
1.柱之间的荷载分配
对刚性框架的近似分析的第一步是估计每个柱的外部水平力的分配。对于这一点，通常确保楼板在平面上是刚性的，因此限制所有柱的在某一层水平位移，都与水平位移和楼板的转动相关。
对于受到对称加载的对称结构，从板的刚度假设来看，柱的平移相同。一级水平上的总外剪切力将按照该剪切刚度与抗剪刚度（D0）在该水平上分布。柱的剪切刚度为
其中ic是柱的线性刚度，h是层的高度
2.反弯点法
（1）所有构件，柱和梁的反弯点位于柱两端的中间，不同于底层。对上层柱，假定各柱上下转角相等，则柱上下弯弯矩相等，反弯点在柱中央地面柱的拐点假设距底部距离2/3h。底层柱，柱脚转角为零，而上端转角不为零，故反弯点向上端移动。
（2）层间中层层次的水平剪切与柱之间的剪切刚度成比例地与柱共享。
3.D值法
D值法是反弯点法的修正。在这种方法中，考虑到节点的转动
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