GUIDE TO STABILITY DESIGN CRITERIA
FOR METAL STRUCTURES
By Ronald D.Ziemian
钢结构稳定设计准则指南英文版摘译
（一）
目前我国规范和研究资料对地震作用下的钢结构稳定问题系统论述的不多，王立军大师编著的《17钢标疑难解释-5.1.6抗震稳定设计》参考了《GUIDE TO STABILITYDESIGN CRITERIA FORMETAL STRUCTURES 金属结构稳定by Ronald D.Ziemian》一书，但论述有点简略，笔者为深入系统的了解该部分内容，学习了原版书的有关章节，现将书中的三个章节原文和翻译与大家分享，希望在自己学习的同时也能够对各位工程师有所帮助。
本书共20章，笔者将分期翻译其中的三个章节，分别是19章地震荷载下的稳定；20章稳定问题的有限元分析；和16章刚架的稳定。
第19章
STABILITY UNDER SEISMIC LOADING
地震荷载下的稳定性
19.1 前言
19.1.1 地震影响
给定地点的地震地面运动可以用位移、速度或加速度的三个分量来表征，两个水平分量和一个垂直分量（中国规范的比例为1:0.85:0.4），这些分量在时域内或多或少是随机分布的，均具有一定的动态特征。地震动在结构中引起惯性力和变形，结构的响应取决于地震动和结构的动力特性。
注：括弧内红字为笔者注。英文中的demand(直译需求）应该对应着我国规范的中的“效应”即S<=R的S。
为了设计需要得到结构响应的峰值力和变形，这些最大值可以方便地通过反应谱来表示地面运动产生的效应。例如，绝对加速度响应谱Sa给出了在给定的地震地面运动下，具有不同周期T的单个质点所经历的绝对加速度峰值。图19.1a说明了在1994年Northridge（北岭，洛杉矶北部）地震中记录的地面加速度水平分量的临界阻尼为5%，周期为0到3s的质点的这种谱的发展。图中计算了三种不同质点(T = 0.2, 1.0, 2.0 s)的峰值加速度，并在反应谱中记录了峰值加速度。已知结构的振动周期，可以通过反应谱加速度乘以结构质量得到峰值力。
图19.1 洛杉矶加速度谱
类似的反应谱可以进一步用来预测峰值位移需求。还可以对地面运动的垂直分量进行计算。但在实际应用中，大多数结构在垂直方向上具有很高的强度，故地震动运动的垂直分量设计往往被忽略或简化处理。在建筑或桥梁设计规范中大部分关注的都是针对水平地面运动分量的影响。在图19.1a中得到了一种特定的地面运动的响应谱。一个特定地点的地震危险来自于附近可能发生的各种潜在地震。场地的地面运动也会受到当地土壤条件的影响。图19.1b显示了洛杉矶地区一个岩石站点（B级）的不同震级地震的一组反应谱。地震需求的巨大变化也是由于可能产生潜在地震的断层机制的不同，以及场地周围的地质条件的不同，包括源的指向性效应（博佐格尼亚和坎贝尔，2004年）。这种可变性在设计中得到了计算通过使用平滑的设计反应谱。了解现场的地震活动性，如地震发生率和地震动效应随距离的衰减等，可以确定目标超越概率的不同时期的反应谱坐标的概率估计。然后，可以通过将直线段或曲线段锚定到这些谱坐标上来建立特定地点的设计反应谱。图19.1c显示了洛杉矶地区的设计频谱，如ASCE 7-05（ASCE，2005）中的规定。
虽然响应谱是为简单的单自由度系统研发的，但它们仍然可以通过结构在每个振型中获得的响应叠加来确定复杂的多自由度体系中的力。在Chopra（2001）中描述了这个过程。对于常规结构，简化方法也提出了在大多数建筑和桥梁规范评估多自由度系统的需求：需求评估假设结构响应的基本振型和修正用于解释更高的振动模式的影响。
19.1.2延性抗震设计
见图19.1 由强烈地震地面运动引起的力可能非常大，对于这种特殊情况下，短周期结构的反应谱加速度超过1.0 g。显然，设计通用结构以对如此大的侧向力保持弹性是不经济的。因此，规范规定的横向设计力从这些弹性水平上减小。在美国，这种减少是通过将所需的弹性力需求除以地震响应修正系数R来实现的，从而得到地震设计系数Cs（在中国是通过小震进行弹性设计的，78版抗规也是采用中震反应折减系数进行的），如图19.1c所示。然后，设计地震荷载等于Cs·W，其中W为结构的有效地震质量。这种减少的地震设计力意味着，一个典型的规范设计的结构在较小的频遇地震后仍然可使用（本质上具有弹性），而结构在大地震期间的安全和生存将取决于结构承受几次非弹性变形的反复循环的能力。
对于一个简单的单层抗力矩框架，图19.2说明了对强烈地面运动的反应。在这种特殊的地面运动下，分析表明，如果该框架被设计为保持弹性，则水平惯性载荷将达到1.28W（图19.2b）。如果梁的尺寸降低了水平荷载V=0.25W（图19.2c），梁端处的弯矩将迅速达到梁的弯曲强度，并将发生塑性转动。框架的反应将基本上由梁的完矩-转角滞回曲线来控制。例如，由地面运动产生的结构中输入的部分能量通过梁中的塑性铰被耗散。这种能量耗散能力对结构的地震反应有有益的抑制作用，这有助于保持结构的侧移在可接受的范围内。此外，最大水平载荷（在本例中为0.33W），从而结构基底地震力受到梁端塑料铰弯曲阻力的抑制。这说明了这种设计方法的另一个优势，因此预测地面运动振幅的固有不确定性不再转化为力需求的不确定性，而是转化为非弹性变形需求的变化，这必须通过足够的储备塑性变形能力来适应。
只有在满足以下两个基本条件的情况下，才能实现足够的地震非弹性反应：(1)提供适当的细部和支撑，以确保使预期的屈服部件能够维持预期的循环非弹性变形要求，强度没有退化或断裂，从而在地震期间保持结构的侧向刚度和能量消散能力。(2) 在结构中实施适当的强度和屈服等级，以确保预期的屈服机制能够形成，并在强地面震动下保持结构的完整性。鉴于钢具有其固有的高延性和承受反向循环塑性变形的能力，钢是能量耗散机制的一个极好的选择。然而，韧性材料的选择不足以满足第一个条件并实现韧性非弹性响应，如图19.3a所示。例如，屈服成分的局部屈曲会导致显著的强度退化。
图19.3b说明了1995年神户地震中支撑构件的这种不良行为。采用中心支撑的钢框架中的斜杆必须能够承受多次压缩屈曲和拉伸屈服。由于局部屈曲（图19.3c)引起的材料断裂或支撑连接处截面断裂妨碍了所需的非弹性反应的发展。
屈服部件（构件或构件局部区比如梁端）的失效也会对系统的非弹性性能产生负面影响。例如，必须提供足够的支撑，以防止在图19.2的框架中的梁的平面外扭转屈曲。对于仅仅以依靠梁的韧性循环弯曲屈服，以在强地面运动期间保持侧向刚度和能量耗散能力，增加足够的支撑是必要的。 通过适当的细部和支撑来减少所有可能的不希望的失效模式是实现良好地震性能的条件。完全防止局部和构件的屈曲失效模式可能是不现实的；相反，可以控制屈曲的启动和发展，以便在屈曲对结构的性能产生不利影响之前，达到足够的延性和非弹性变形。
对于结构系统，同样重要的是，结构承担水平荷载时的所有弹性部件（杆件的弹性区段）具有足够的承载能力，以确保在出现其他失效模式之前在所需的位置屈服（比如梁铰模式）。进行此验证时，必须特别注意可能对结构反应产生严重后果的脆性失效模式。例如，必须防止柱的屈曲，因为它可能危及结构的竖向承载能力，进而危及建筑居住者的安全（图19.3d）。1985年墨西哥地震期间，墨西哥城皮诺·苏亚雷斯建筑群的三座21层塔楼之一的倒塌就是这种不良反应的一个例子。失败的原因是四楼柱子的屈曲，由于地震中产生的巨大倾覆力矩而超载。
（通过局部塑性）降低地震荷载的设计已经得到了世界范围内的普遍接受，在过去的几十年里，已经开发了一些结构系统，通过控制屈服来抵抗地震地震动运动效应，而没有结构坍塌。图19.4给出了最常用的建筑结构系统，并说明了这些系统预期的非弹性变形模式。这些问题将在本章后面更详细地讨论。规范为每个系统分配了不同的R值（地震折减系数，美国规范采用中震弹性乘以折减系数，和我国小震下的弹性计算殊途同归），以反映它们的非弹性性能。规范还提供了详细的规则，以确保足够的变形能力超过与设计中假设的R值相一致的非弹性需求。
如图19.5a所示，结构在强烈地震时会发生较大的侧向变形。由于重力载荷作用于侧向变形的结构，可能会导致明显的额外倾覆力矩的整体二阶效应，或P-
效应，进一步放大了水平位移，从而放大对屈服成分的非弹性需求。P−
效应甚至会导致结构完全坍塌（图19.5b）。这将对于竖向荷载很大的结构及没有足够的侧向刚度和强度来控制地震造成的变形效应。
由于非弹性行为或损伤的积累，结构的横向承载能力的退化也会导致强烈地面震动下的整体坍塌反应。在设计阶段也必须检查这种不稳定极限状态。
本章讨论了需要考虑的主要稳定性问题，以使建筑钢结构达到合理的非弹性地震性能。首先讨论了图19.4中所示的每个系统的局部屈曲和构件不稳定性的影响。首先提出了抗力矩框架系统。鉴于过去十年对该系统进行的大量艰苦研究，对其进行了详细的回顾。本节还介绍和回顾了其他系统。提出并比较了在不同国家为解决稳定性问题而制定的抗震设计规定。本章最后一部分介绍了钢结构抗震系统的整体稳定性。
19.2节是局部屈曲和构件稳定
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