山地掉层结构存在天然的竖向不规则和扭转不规则,其结构受力变形特点、破坏模式等均不同于平地规则结构。如何改善掉层结构的规则程度并引导其实现合理的破坏模式,使上接地抗侧构件避免总是先于其他构件破坏从而提高结构抗震性能,是掉层结构需要着力解决的问题,也是掉层结构设计理论追求的方向。本文借鉴了平地规则结构中采用支撑加固结构的思想,在掉层框架结构中引入钢支撑形成钢支撑-掉层框架结构。在SAP2000软件中通过弹性反应谱分析与动力弹塑性时程分析对不同支撑布置方案和支撑与框架间不同抗侧刚度比对掉层框架结构抗震性能的影响规律进行了深入研究,验证了合理布置的钢支撑能够控制掉层结构的变形和扭转效应,改善结构规则程度并引导其形成更为合理的破坏模式,并在此基础上总结出了钢支撑-掉层框架结构基于刚度控制的实用设计方法。本文的主要研究工作与成果如下:(1)考察了钢支撑在掉层框架结构中的合理布置方案。平面布置方面,钢支撑在平面上应沿掉层框架结构掉层部分外侧两个角柱的两个主轴方向分别布置,这样既能够降低结构不规则性,有效控制掉层框架结构上部楼层较大的扭转效应,又可以平衡非接地端和接地端的刚度差距,改善结构破坏模式。立面布置方面,钢支撑应从下接地端开始向上连续分别布置到结构顺坡向和横坡向的薄弱层位置,这样既能对结构的扭转位移比和薄弱层附近的层间位移角都有较为显著的控制效果,又能避免使结构整体刚度过大,受力过大,反而对结构扭转和侧移控制不利的问题。(2)研究了钢支撑与掉层框架的合理抗侧刚度比范围。通过对钢支撑-掉层框架结构的扭转位移比、层间位移角、剪力分配以及塑性铰分布等多个指标进行分析,发现当抗侧刚度比在0.5~1.5的范围内时,增设钢支撑能有效降低掉层框架结构的扭转位移比和层间位移角,改善上接地层剪力分配不均匀的情况,分担上接地柱受力,有效控制塑性铰超越各极限状态的比例,改善结构构件损伤情况。因此建议钢支撑-掉层框架结构经济合理的抗侧刚度比取值范围为0.5~1.5。(3)确定了掉层主体框架的层间位移角设计限值。考虑到支撑可以加强掉层框架结构,因此掉层主体框架的设计可以适当削弱,一定范围内超出规范层间位移角限值。本章研究出钢支撑-掉层框架结构在多遇和罕遇地震下最大层间位移角随不同强弱的掉层主体框架最大弹性层间位移角的变化规律,确定了对应于抗侧刚度比为0.5、1和1.5的掉层主体框架的层间位移角设计限值分别为1/510、1/490和1/480,为工程上设计钢支撑-掉层框架结构提供参考。(4)提出了基于刚度控制的钢支撑-掉层框架结构设计方法。首先对掉层主体框架进行初步设计,找到其顺坡向和横坡向的薄弱层,然后根据其最大层间位移角选取合适的抗侧刚度比k,由此得到钢支撑的抗侧刚度并确定各层所需的支撑面积。该设计方法已通过算例验证了其可行性和合理性。