具有Vierendeel面板的特殊桁架框架在几何变化下的概率地震需求评估

为什么长跨建筑在地震中很重要

现代购物中心、机场和停车场常常需要非常宽阔、开阔的楼面而尽量少的内柱。这种布局对人员和设备非常友好，但在强震中可能存在风险。本研究考察了一种特殊的钢框体系，采用桁架构件并有意设置弱化区，使得震害被引导到可替换的安全区域而不是关键柱中。研究表明，这类框架中一些简单的几何设计选择可以使大跨开敞建筑在地震中更具韧性，并且更易于事前评估。

这些特殊钢框如何工作

研究中的建筑不使用实梁，而是采用桁架梁，桁架轻质、高强并天然为风管和管道留出空间。在每个桁架的中部——重力荷载较小的区域——移去部分对角杆以形成矩形开口，称为Vierendeel面板。该中心区称为特殊段，被刻意设计为较弱，使其在地震时优先发生弯曲和屈服。框架的其余部分，尤其是柱子，则保持较强并主要处于弹性状态，因此即便特殊段发生显著变形，整体结构仍能保持稳定。

研究者测试了什么

团队考察了27种不同的框架布置，均为三跨并列，层数为三层、六层或九层，跨径为10、15或20米，并设置了三种不同的特殊段长度。利用先进的计算模型，他们用22个实际强地震记录对每个框架施加逐步放大的振动。该方法称为增量动态分析，用以追踪随着震级加大建筑层间侧移的增长，并确定框架不再能稳定响应的点。基于这些结果，研究者建立了统计模型，将地震强度与建筑侧移关联到简单的几何量，例如总高与跨长之比以及特殊段长度与跨长之比。

把复杂行为归纳成简单规则

由于地震和结构响应具有不确定性，研究采用了概率方法，将关键量视为范围而非单一数值。对每种几何布置，团队推导出一条数学关系线，将震动强度与建筑在倒塌前的最大横向侧移联系起来，并量化围绕该线的离散性。他们应用贝叶斯统计从相对有限的数据中提取这些关系，然后将结果提炼为仅依赖两个主要几何比的预测公式。这些公式以适度误差再现了详细模拟结果，可用于在不重复完整模拟的情况下概略估算预期侧移需求及倒塌时的侧移水平。

倒塌风险评估

研究者还构建了所谓的脆弱性曲线，显示在不同震动水平下框架发生倒塌的概率。以伊朗Bojnord市为例，他们将这些曲线与当地地震危险性信息结合，估算了每种框架在50年期内超过特定侧移水平的可能性。结果显示，更高更细长的框架在较低震动强度下就更容易达到倒塌状态，而较矮更粗壮的框架则更有韧性。相对于跨长较短的特殊段在倒塌前通常表现出更低的侧移，并且具有更高的中位倒塌承载力，意味着它们在失稳前能承受更强的震动。

施工者与规划者的启示

本研究的核心信息是：少数清晰的几何选择显著影响这些长跨钢框在地震中的表现。相对于跨径保持较矮的高度并缩短弱化的特殊段长度，既能减小典型的地震侧移，又能提高发生倒塌所需的震动水平。文中给出的预测方程可让工程师在研究范围内快速估算侧移、倒塌趋势和脆弱性曲线，作为早期设计和筛选方案的实用工具，而无需立即进行更详尽的分析。对公众而言，这意味着通过合理的构型与有针对性的弱区设置，开敞的大跨建筑在重大地震中可以设计成摇摆但不致坍塌。

引用: Yahyaabadi, A., Gholami, M. & Garivani, S. Probabilistic seismic demand assessment of special truss moment frames with Vierendeel panels under geometric variations. Sci Rep 16, 14570 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42239-y

关键词: 地震工程, 钢结构, 桁架弯矩框, 地震风险, 建筑侧移