摘要：
關(guān)鍵詞：高性能；鋼結(jié)構(gòu)；承載性；承災(zāi)性；施工性；概念；實(shí)現(xiàn)方法
在1999年第2屆鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展國(guó)際會(huì)議上(The 2nd International Conference on Advances in Steel Structures，Hong Kong, China)，美國(guó)里海大學(xué)LU教授[1]做了一個(gè)有關(guān)高性能鋼結(jié)構(gòu)的大會(huì)主題報(bào)告“High-Performance Steel Structures：Recent Research”。這個(gè)報(bào)告介紹的重點(diǎn)是采用高性能鋼材的鋼結(jié)構(gòu)，提出高性能鋼應(yīng)具有強(qiáng)度高、延性和韌性大、可焊性和可加工性好的特性。然而，鋼材強(qiáng)度越高，通常其延性和可焊性變得越差，因此制作強(qiáng)度、延性、可焊性和可加工性均好的鋼材是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，會(huì)增加鋼材生產(chǎn)成本。由于工程上使用的鋼結(jié)構(gòu)用鋼量大，僅通過采用成本較高的高性能鋼做成高性能鋼結(jié)構(gòu)不應(yīng)是工程結(jié)構(gòu)追求的目標(biāo)。
工程結(jié)構(gòu)一般是整體結(jié)構(gòu)發(fā)揮功能作用，而整體結(jié)構(gòu)的性能不僅與結(jié)構(gòu)材料有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式和結(jié)構(gòu)體系有關(guān)。因此提高結(jié)構(gòu)性能不能僅限于采用高性能結(jié)構(gòu)材料，而應(yīng)從整體結(jié)構(gòu)性能的角度，考慮高性能鋼結(jié)構(gòu)問題。
1 高性能鋼結(jié)構(gòu)的一些重要概念
1.1 結(jié)構(gòu)的功能需求
工程結(jié)構(gòu)是工程設(shè)施（建筑、橋梁、隧道、地下工程等）的骨架，其主要功能是維持工程設(shè)施在預(yù)定設(shè)計(jì)使用期內(nèi)的完整性，使工程設(shè)施能正常運(yùn)行。
一般工程結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下功能[2-3]：
1）正常使用功能：結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)的荷載（永久荷載、樓面荷載、風(fēng)荷載等）作用下產(chǎn)生的變形、振動(dòng)等，不應(yīng)影響結(jié)構(gòu)的正常使用；
2）承載安全功能：結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)但出現(xiàn)概率較小的荷載（概率較小的永久荷載、活荷載、地震等）的作用下，在結(jié)構(gòu)連接、節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件中產(chǎn)生的內(nèi)力不應(yīng)超過其極限承載力，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的作用不應(yīng)超過其極限承載力；
3）承災(zāi)安全功能：結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用期不一定出現(xiàn)、而一旦出現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響很大的災(zāi)害（罕遇地震、火災(zāi)、爆炸等）作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)保持完整、不倒塌。
1.2 高性能結(jié)構(gòu)的要求
對(duì)于高性能結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有高安全性能、高使用性能、高施工性能、高環(huán)保性能、高維護(hù)性能、高耐久性能等特征[4]，對(duì)于高性能鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)至少滿足以下重要要求[5-8]：
1）承載性好：在同樣的條件下，結(jié)構(gòu)具有更好的使用功能和更大的承載能力；或在滿足同樣的正常使用功能和承載安全功能的條件下，使用的結(jié)構(gòu)材料較少或結(jié)構(gòu)的成本更低；
2）承災(zāi)性好：在罕遇的大地震下整體結(jié)構(gòu)不倒塌，在可能發(fā)生的火災(zāi)、爆炸或撞擊作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)局部破壞不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌，且災(zāi)后結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的破壞能方便修復(fù)，使結(jié)構(gòu)快速恢復(fù)使用；
3）施工性好：結(jié)構(gòu)應(yīng)便于制作與安裝，施工工期短，施工成本低。
2 高承載性鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法
高承載性鋼結(jié)構(gòu)可以從結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系3個(gè)方面加以實(shí)現(xiàn)。
2.1 采用高強(qiáng)度鋼材料
目前我國(guó)有從Q235到Q960強(qiáng)度等級(jí)的結(jié)構(gòu)鋼材標(biāo)準(zhǔn)[9-11]。然而我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)仍以采用Q235和Q345鋼材為主[12]，如采用更高強(qiáng)度的鋼材，在同樣的荷載作用下對(duì)于相同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以減小構(gòu)件截面，從而減少用鋼量。例如對(duì)于受相同壓力的鋼柱，采用Q460鋼與采用Q235鋼相比，鋼材強(qiáng)度提高了約50%，可以減小鋼柱的截面。但截面減小后，柱的長(zhǎng)細(xì)比增大，柱的穩(wěn)定承載力會(huì)減小，因此對(duì)于受壓鋼構(gòu)件若用Q460鋼替換Q235鋼，雖然構(gòu)件截面或用鋼量的節(jié)省要小于強(qiáng)度增大的比例，但仍能節(jié)省可觀的用鋼量。而對(duì)于受拉鋼構(gòu)件，由于沒有穩(wěn)定問題，采用高強(qiáng)鋼可取得更好的節(jié)材效益。
國(guó)家體育場(chǎng)（鳥巢）為跨度超過300m的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)采用Q345鋼，構(gòu)件的最大鋼板厚度需要220mm；而采用Q460鋼，構(gòu)件的最大鋼板厚度僅為110mm[13]（圖1）。盡管Q460鋼比Q345鋼的強(qiáng)度只提高約33%，但構(gòu)件截面減小后結(jié)構(gòu)的自重減輕，繼而可進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力，因此使構(gòu)件的用鋼量減小50%左右�？梢�，對(duì)于自重內(nèi)力效應(yīng)敏感的結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)鋼可以取得非常好的節(jié)材效益。
2.2 采用高承載構(gòu)件形式
采用不同的構(gòu)件形式，對(duì)于同樣的荷載作用，承載力將不同。例如，對(duì)于簡(jiǎn)支梁，在具有同樣的承載力條件下，波紋腹板遠(yuǎn)比平腹板的抗剪穩(wěn)定性好，在保證相同抗剪穩(wěn)定性的條件下，波紋腹板比平腹板薄，因此波紋腹板工字形鋼梁的用鋼量要小于平腹板工字形鋼梁的用鋼量[14]；如采用鋼桁架梁可以利用上、下弦桿抵抗彎矩，其腹桿的用鋼量比波紋腹板鋼梁的實(shí)腹截面用鋼量又可以更小。因此在同樣的用鋼量條件下，波紋腹板工字形鋼梁承載力要大于平腹板工字形鋼梁的承載力[14]，而鋼桁架梁的承載力又將大于波紋腹板工字形鋼梁的承載力（圖2）。
紐約世貿(mào)大樓的樓面梁跨度達(dá)18.3m[14]，如采用實(shí)腹梁用鋼量大，因而實(shí)際工程采用了桁架梁（圖3）。煙臺(tái)機(jī)場(chǎng)屋蓋梁的跨度達(dá)55m，采用了波紋腹板工字形鋼梁，與平腹板工字形鋼梁相比用鋼量節(jié)省15%[15]（圖4）。
2.3 采用高效結(jié)構(gòu)體系
結(jié)構(gòu)體系對(duì)整體結(jié)構(gòu)的承載性能影響很大。剛接框架結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)力靠梁柱的抗彎性能，而支撐框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力主要靠支撐抗軸力性能，而鋼構(gòu)件的軸向剛度和承載力遠(yuǎn)大于鋼構(gòu)件的彎曲剛度和承載力。因此在用鋼量相同的條件下，支撐框架的抗側(cè)剛度和承載力要遠(yuǎn)大于剛接框架的抗側(cè)剛度和承載力（圖5）。
混凝土剪力墻或核心筒的抗側(cè)剛度和承載力也非常大。在鋼框架中設(shè)置混凝土核心筒構(gòu)成鋼框架-混凝土芯筒混合結(jié)構(gòu)，可以大大提高純鋼結(jié)構(gòu)的剛度和承載力（圖6）。這種鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)用于100~200m的高層建筑，可以減少結(jié)構(gòu)用鋼量和成本30%左右[16-17]。
美國(guó)紐約帝國(guó)大廈高度為381m，采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，用鋼量為206kg·m-2 ；而紐約世貿(mào)大樓高度為412m，采用框筒結(jié)構(gòu)體系，用鋼量為186.6kg·m-2（圖7）。可見，盡管世貿(mào)大樓比帝國(guó)大廈高，但采用了抗側(cè)力效率更高的框筒結(jié)構(gòu)體系，用鋼量更少[18]。
3 高承災(zāi)性鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法
3.1 結(jié)構(gòu)承受靜力和動(dòng)力的方法
3.1.1 靜力和動(dòng)力的區(qū)別
結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)會(huì)遭受靜力和動(dòng)力的作用（圖8）。靜力作用隨時(shí)間（大于結(jié)構(gòu)基本周期10倍的范圍內(nèi)）基本保持恒定，例如結(jié)構(gòu)的自重、承受的人員、設(shè)備的重量、土壓力等；而動(dòng)力作用隨時(shí)間（小于結(jié)構(gòu)基本周期的范圍內(nèi)）發(fā)生變化，例如沖擊、地震等，動(dòng)力將引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，產(chǎn)生慣性力和動(dòng)能。由于風(fēng)的脈動(dòng)周期較長(zhǎng)，因此對(duì)于周期較小的低矮建筑、小跨度橋等工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)力振動(dòng)效應(yīng)較小，而對(duì)于周期較大的高層建筑、大跨度橋等工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)力振動(dòng)效應(yīng)較大。
3.1.2 結(jié)構(gòu)抵抗靜力和動(dòng)力的方式
對(duì)于靜力，結(jié)構(gòu)只能以承載方式抵抗，即整體結(jié)構(gòu)及所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力需大于靜力作用和在構(gòu)件中產(chǎn)生的內(nèi)力。但對(duì)于動(dòng)力，結(jié)構(gòu)可以采用承載和消能兩種方式抵抗[19]（圖9）。采用承載方式抵抗動(dòng)力，要求結(jié)構(gòu)或抵抗動(dòng)力構(gòu)件的承載力大于動(dòng)力產(chǎn)生的作用力或作用效應(yīng)；而采用消能方式抵抗動(dòng)力，則要求結(jié)構(gòu)或抵抗動(dòng)力構(gòu)件的消能能力大于動(dòng)力產(chǎn)生的動(dòng)能。
地震是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的重要?jiǎng)恿ψ饔�，但地震的隨機(jī)性很大，對(duì)于出現(xiàn)概率較大的小震，可以采用承載方式抵抗；而對(duì)于出現(xiàn)概率很小的大震，如采用承載方式抵抗，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)地震作用會(huì)非常大，所需結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和材料用量會(huì)很大因而不經(jīng)濟(jì)，因此抵抗大震更有效的方式是消能方式。
3.1.3 結(jié)構(gòu)的消能方法
結(jié)構(gòu)可以通過自身構(gòu)件屈服產(chǎn)生塑性變形消能，也可以額外附加專門裝置（阻尼器）消能。
圖10給出了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)在地震反復(fù)作用下屈服后進(jìn)入塑性變形狀態(tài)以后的典型力-位移滯回曲線，滯回曲線包圍的面積就是結(jié)構(gòu)的消能[20]。顯然，由于鋼結(jié)構(gòu)滯回曲線飽滿、比混凝土結(jié)構(gòu)的消能能力強(qiáng)，故在同樣的地震條件，即同樣的地震能量消耗需求下，鋼結(jié)構(gòu)的地震位移反應(yīng)要比混凝土結(jié)構(gòu)的地震位移反應(yīng)小，因此鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能比混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能好。
結(jié)構(gòu)屈服發(fā)生塑性變形雖然消耗了地震能量，但也造成了結(jié)構(gòu)損傷。而采用額外設(shè)置附加專門消能裝置（阻尼器）的方法可以消耗地震的部分能量，減小主體結(jié)構(gòu)消耗地震能量的需求，從而減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)達(dá)到減輕地震對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷的目的[20]（圖11）。
消能裝置或阻尼器主要有兩種類型，一種是位移型阻尼器，另一種是速度型阻尼器[21]（圖12）。一般位移型阻尼器采用金屬材料制成，通過塑性變形消能；而速度型阻尼器采用黏稠材料，通過在這種材料中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼，阻尼力與運(yùn)動(dòng)速度成比例（一般為非線性比例），從而消耗能量。
但傳統(tǒng)金屬位移型或黏稠材料速度型阻尼器有以下不足：
1）額外設(shè)置的消能阻尼器在平時(shí)閑置；
2）消能能力不強(qiáng)，阻尼力最大為百噸級(jí)。
為克服傳統(tǒng)阻尼器的不足，可采用消能-承載雙功能構(gòu)件[22]（圖13）。這種構(gòu)件是利用金屬阻尼器的原理，通過特殊設(shè)計(jì)，使傳統(tǒng)承載鋼構(gòu)件同時(shí)具備金屬阻尼器的性能。由于消能-承載雙功能構(gòu)件是利用鋼構(gòu)件的承載力，使其屈服轉(zhuǎn)化成塑性阻尼力，可使阻尼力很容易達(dá)千噸甚至萬噸級(jí)，從而大大提高了結(jié)構(gòu)的消能能力和抗震性能。
3.2 提高鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的方法
3.2.1 提高鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的方法
剛接框架是鋼結(jié)構(gòu)常用的一種結(jié)構(gòu)形式，但剛接框架梁柱節(jié)點(diǎn)在地震中容易破壞[23]（圖14），其原因是梁柱剛性節(jié)點(diǎn)一般需焊接，節(jié)點(diǎn)的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)變形能力不強(qiáng)，難以滿足消耗大震時(shí)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的能力消耗需求。
3.2.2 提高鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)抗震性能的方法
地震下支撐框架結(jié)構(gòu)中的支撐在地震反復(fù)作用下易發(fā)生受壓屈曲破壞（圖16），而支撐一旦屈曲其承載力和剛度將迅速衰減，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震十分不利。為解決普通鋼支撐易屈曲破壞的問題，可以采用屈曲約束支撐[26]（圖17）。屈曲約束支撐因在支撐外圍設(shè)有套管約束其屈曲，因此即使在壓力作用下也不會(huì)屈曲只會(huì)屈服，且通過采用合適的鋼材和構(gòu)造，屈曲約束支撐可具有很好的塑性變形和消能能力�？梢�，屈曲約束支撐實(shí)際上是一種消能-承載雙功能構(gòu)件[27]，在小震作用下可以像普通支撐一樣承載，而在大震作用下可以像金屬阻尼器一樣消能減震。
在結(jié)構(gòu)中設(shè)置支撐有時(shí)會(huì)妨礙建筑功能，例如通道、門窗等，此時(shí)可以設(shè)置消能-承載雙功能鋼板墻[27-29]（圖18）。設(shè)置消能-承載雙功能鋼板墻可使鋼框架承受小震的抗側(cè)承載力和剛度以及抵御大震的消能能力大大提高[30]，而結(jié)構(gòu)延性仍很好（圖19）。
3.2.3 提高鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)抗震性能的方法
鋼框架-混凝土芯筒混合結(jié)構(gòu)（圖6）抵抗地震側(cè)力作用以芯筒為主，芯筒因需開門洞通常實(shí)際為聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)。而傳統(tǒng)混凝土連梁（reinforced concrete link beams，簡(jiǎn)稱RCLB）延性差，地震下易破壞，消能能力不強(qiáng)[31]（圖20）。為克服混凝土連梁的缺點(diǎn)，在聯(lián)肢墻中可以采用鋼連梁（steel link beams，簡(jiǎn)稱SLB）（圖21），而鋼連梁實(shí)際上也是一種消能-承載雙功能構(gòu)件[32]。由于普通鋼連梁在小震下承載不消能，還可以額外設(shè)置一個(gè)金屬阻尼器，與普通鋼連梁復(fù)合構(gòu)成雙階屈服鋼連梁[33]（圖22），這樣小震下金屬阻尼器消能減震，而大（中）震下普通鋼連梁消能減震。
3.2.4 高強(qiáng)鋼在抗震鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用方法
隨著鋼材強(qiáng)度的提高，鋼材的延性（塑性變形能力）將降低（圖27），鋼材很難做到強(qiáng)度很高且延性也很好。因此，高強(qiáng)鋼用于抗震結(jié)構(gòu)時(shí)，可通過設(shè)計(jì)用于在地震下不發(fā)生屈服（或屈服后發(fā)生塑性變形很�。┑慕Y(jié)構(gòu)部位或構(gòu)件[12]（圖28）。
3.2.5 提高鋼結(jié)構(gòu)抗震可恢復(fù)性的方法
結(jié)構(gòu)抗震可恢復(fù)性是指地震后結(jié)構(gòu)不需修復(fù)或可方便快速修復(fù)使結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)的特性[35]，如地震下結(jié)構(gòu)即使不倒塌，但會(huì)發(fā)生很大的震后殘余變形（圖29），或主要承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件有嚴(yán)重破壞，則結(jié)構(gòu)很難修復(fù)而不能繼續(xù)使用，因而這種結(jié)構(gòu)不具有可恢復(fù)性。
為保證結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性，可采用下列方法：
1）應(yīng)避免主要承重結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件（承重柱、承重墻等）發(fā)生嚴(yán)重破壞，而主要采用消能-承載鋼支撐、消能-承載鋼板墻，或框架梁、聯(lián)肢墻連梁等抵抗地震作用抗震；
2）應(yīng)采取措施，減小結(jié)構(gòu)震后殘余變形。
為證明消能搖擺柱（墻）對(duì)提高框架結(jié)構(gòu)可恢復(fù)性的有效性，進(jìn)行了消能搖擺柱框架與普通框架結(jié)構(gòu)模型的擬動(dòng)力對(duì)比試驗(yàn)[37]（圖33）。按照抗側(cè)剛度和承載力相同的原則設(shè)計(jì)兩個(gè)對(duì)比試驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲幸粋�(gè)模型采用消能搖擺柱外，兩個(gè)模型其他部分的結(jié)構(gòu)材料相同，構(gòu)件幾何尺寸基本一致。試驗(yàn)表明在相同的大震條件下，采用消能搖擺柱的框架與普通框架相比，最大層間位移減小40%，殘余層間變形減小90%（圖34）。可見，消能搖擺柱（墻）可使主體結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性大大提高。
3.3 提高鋼結(jié)構(gòu)抗火、抗爆性能的方法
3.3.1 火災(zāi)和爆炸作用
火災(zāi)是建筑中最常發(fā)生的災(zāi)害。建筑中一旦發(fā)生火災(zāi)，溫度將迅速升高（圖35），一般10min內(nèi)溫度將達(dá)到600℃以上，30min內(nèi)溫度會(huì)超過800℃。而鋼材強(qiáng)度隨溫度升高會(huì)降低（圖36），鋼材溫度為600℃時(shí)的強(qiáng)度，僅為常溫時(shí)強(qiáng)度的30%左右，因此火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)的承載力會(huì)大幅降低，會(huì)承受不了其上的荷載而破壞[39]（圖37）。
爆炸在建筑中也會(huì)發(fā)生，有意外事故爆炸（如煤氣泄漏）和人為爆炸（恐怖行為）。爆炸會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊作用[40]（圖38），這種沖擊作用雖然持續(xù)時(shí)間很短（毫秒級(jí)），但壓力值很大（kPa~MPa級(jí)），會(huì)造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的嚴(yán)重破壞（圖39）。
3.3.2 提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火和抗爆炸能力的方法
火災(zāi)和爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)的直接影響往往是局部的，針對(duì)可能直接受火和爆炸作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取相關(guān)措施，可提高其抗火和抗爆能力。
火災(zāi)溫度雖然很高，但可以采用防火涂料和防火板包裹鋼構(gòu)件[39]（圖40），阻隔火的熱量向鋼構(gòu)件的傳播，延緩火災(zāi)下鋼構(gòu)件的升溫速度，延長(zhǎng)鋼構(gòu)件的耐火時(shí)間，達(dá)到具有足夠時(shí)間來進(jìn)行人員疏散和滅火救援的目的。
爆炸作用是一種持續(xù)時(shí)間很短的沖擊作用，采用承載方式抵抗爆炸的最大沖擊力是不經(jīng)濟(jì)和不必要的，應(yīng)采用消能方式抵消沖擊作用的沖量，因此對(duì)于受爆炸作用的構(gòu)件，最有效的抵抗方式是采用延性好的材料和構(gòu)件形式[7]。
3.3.3 提高整體結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的方法
火災(zāi)和爆炸作用對(duì)結(jié)構(gòu)造成的直接破壞盡管是局部的，但結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件破壞后，其原來承受的荷載要分散到其他構(gòu)件來承擔(dān)，如果其他構(gòu)件不能承受這種增加的荷載，就會(huì)引起其他構(gòu)件相繼破壞，這種破壞如果連續(xù)發(fā)生，最終會(huì)造成整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌[41]。1995年美國(guó)俄克拉荷馬城Murrah Federal建筑因爆炸造成結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌（圖41），導(dǎo)致167人死亡，592人受傷。
提高整體結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌能力的最有效方法是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，從而可以利用以下3個(gè)有用的效應(yīng)。
1）梁的懸鏈線效應(yīng)
兩端受軸向約束的梁，隨著撓度的增大會(huì)產(chǎn)生一種類似于懸索的懸鏈線效應(yīng)[42]來承受梁上的橫向荷載（圖42）。即約束梁首先是利用梁的彎曲機(jī)制承載，但隨著梁撓度增大，梁的兩端有向內(nèi)縮的趨勢(shì)，但這種內(nèi)縮由于受到梁兩端的約束使梁產(chǎn)生軸向拉力，梁撓度越大梁中拉力也越大，而梁拉力在豎向（梁橫向）上的分量可承受梁上荷載，這種效應(yīng)即為懸鏈線效應(yīng)[43-44]。梁的這種懸鏈線機(jī)制承載有可能比彎曲機(jī)制承載大幾倍。
框架結(jié)構(gòu)可以利用梁的懸鏈線效應(yīng)抵抗由于火災(zāi)或爆炸造成的少量柱破壞而導(dǎo)致的連續(xù)性倒塌[45]（圖43）。但是，框架梁的懸鏈線效應(yīng)要能充分發(fā)揮作用需滿足以下條件[46]：一是梁兩端需有足夠的軸向約束；二是梁柱節(jié)點(diǎn)需有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，以使梁能產(chǎn)生懸鏈線效應(yīng)所需的足夠大的撓度。
對(duì)于框架中間跨內(nèi)的柱失效情況，雖然梁的跨度增大一倍（假定梁的跨度均相等），但失效跨梁兩端會(huì)受到同一平面未失效跨的框架約束（圖43），以及不在失效跨同一平面的未失效結(jié)構(gòu)通過樓板平面內(nèi)的剛度提高的約束（一般結(jié)構(gòu)是三維和有樓板的），因此失效跨梁兩端會(huì)有很大的軸向約束。但如果框架邊跨內(nèi)柱失效，失效跨外側(cè)的梁端，主要由邊柱的抗彎剛度提供梁的軸向剛度，因此邊柱抗彎剛度宜設(shè)計(jì)得稍大些。
2）框架的空腹效應(yīng)
兩層以上框架結(jié)構(gòu)的邊柱（特別是角柱）如果發(fā)生破壞，可以利用空腹效應(yīng)抵抗連續(xù)性倒塌（圖44）�？崭剐�(yīng)可以理解為旋轉(zhuǎn)90°的框架承受豎向荷載的一種效應(yīng)，顯然，要充分發(fā)揮框架空腹效應(yīng)的作用，梁柱節(jié)點(diǎn)需有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度成為抗彎框架。
3）樓板的薄膜效應(yīng)
板的薄膜效應(yīng)類似于梁的懸鏈線效應(yīng)，是利用板在大撓度下板內(nèi)張力的豎向分量承受板上荷載的一種效應(yīng)（圖45）。樓板內(nèi)一般布置有鋼筋網(wǎng)，這種鋼筋網(wǎng)隨著樓板撓度的增大也會(huì)產(chǎn)生薄膜效應(yīng)[47-48]（圖46），顯然，可以利用這種樓板的薄膜效應(yīng)抵抗框架結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌[49]（圖47）。
為使樓板內(nèi)的薄膜效應(yīng)充分發(fā)揮作用，樓板內(nèi)的鋼筋網(wǎng)應(yīng)連續(xù)布置，對(duì)于四邊支承的樓板（內(nèi)柱失效情況），板四周的混凝土?xí)匀恍纬梢粋�(gè)壓力環(huán)承受板中間部位鋼筋網(wǎng)中的拉力（圖46f））；對(duì)于三邊支承的樓板（邊柱失效情況），如果邊柱不靠近角柱，可以依靠失效柱相鄰跨的樓板平面內(nèi)剛度對(duì)失效柱跨樓板內(nèi)鋼筋網(wǎng)的薄膜效應(yīng)拉力提供支承，但如果失效邊柱靠近角柱，樓板的薄膜效應(yīng)拉力在角柱這一邊，則主要靠角柱的抗彎剛度來支承；而對(duì)于兩邊支承的樓板（角柱失效情況），則不能形成樓板薄膜效應(yīng)，只能利用框架的空腹效應(yīng)抵抗連續(xù)性倒塌。
從以上討論可知，為使框架梁的懸鏈線效應(yīng)、框架的空腹效應(yīng)和樓板的薄膜效應(yīng)充分發(fā)揮作用，提高整體結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的能力，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的整體性，包括保證樓板的整體性和剛度、保證梁柱連接的強(qiáng)度和轉(zhuǎn)動(dòng)能力、加強(qiáng)角柱和邊柱。
4 高施工性鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法
4.1 提高鋼結(jié)構(gòu)制作效率的方式
鋼結(jié)構(gòu)施工分工廠制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝兩個(gè)階段。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般均在工廠制作，為提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作效率，降低制造成本，可采用以下方式：
1）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量采用軋制型鋼，少采用鋼板焊接構(gòu)件，減小鋼構(gòu)件制作工作量；
2）一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程采用的型鋼規(guī)格、鋼板厚度、鋼材等級(jí)應(yīng)盡可能歸并，在合理用鋼量的條件下減少鋼材種類，以便批量采購(gòu)，降低成本，提高生產(chǎn)效率；
3）采用自動(dòng)化制造設(shè)備、信息化管理手段，提升制造智能化水平（圖48），提高鋼構(gòu)件制作精度和效率，減低成本。
4.2 提高鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝效率的方式
鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)安裝連接方式主要有焊接和螺栓連接兩種形式（圖49）。
鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接的優(yōu)點(diǎn)是省材料，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制造和安裝的精度要求低；而缺點(diǎn)是對(duì)工人的技術(shù)要求高，工作量大，人工成本高，施工質(zhì)量受環(huán)境影響大，質(zhì)量保障難度大，且對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂裝影響大，鋼結(jié)構(gòu)易生銹（圖50）。
而鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)采用螺栓連接可克服焊接的缺點(diǎn)，可采用工具施工，對(duì)工人的技術(shù)要求低，工作量小，施工速度快，效率高，人工成本較低，且對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂裝影響小，鋼結(jié)構(gòu)不易生銹（圖50）；但缺點(diǎn)是材料用量大，材料成本較高，另對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制造和安裝的精度要求高。
隨著我國(guó)人工成本的進(jìn)一步提高，鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)螺栓連接的總成本優(yōu)勢(shì)將逐漸凸顯，且隨著鋼結(jié)構(gòu)制造和安裝技術(shù)水平的提高，采用螺栓連接較易滿足對(duì)鋼結(jié)構(gòu)制造和安裝的高精度要求。因此，為提高鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝的效率，應(yīng)優(yōu)先采用螺栓連接。
4.3 鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)螺栓連接的實(shí)現(xiàn)方法
鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)梁柱連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，而梁柱剛性連接一般需焊接，而螺栓連接多用于梁柱鉸接或半剛性連接[18]（圖51）。對(duì)于閉口箱形截面柱，梁柱也可以采用單向螺栓連接[50]（圖52）。
然而，框架結(jié)構(gòu)如采用梁柱鉸接則不能提供抗側(cè)剛度，框架結(jié)構(gòu)如采用半剛性連接提供的抗側(cè)剛度也較小，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算較麻煩。解決這一問題可采用整體結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)結(jié)構(gòu)與承重結(jié)構(gòu)分離的方法（圖53），在整體結(jié)構(gòu)中專門設(shè)計(jì)抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系承受地震和風(fēng)等側(cè)向力，而整體結(jié)構(gòu)的其他部分為承重結(jié)構(gòu)，由于不承受側(cè)力，因此梁柱節(jié)點(diǎn)無需采用剛性連接。
采用整體結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)結(jié)構(gòu)與承重結(jié)構(gòu)分離的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)注意保證結(jié)構(gòu)樓板的整體性和樓板平面內(nèi)較大剛度，通過樓板將整體結(jié)構(gòu)承受的側(cè)向力傳遞到抗側(cè)結(jié)構(gòu)部分。如果結(jié)構(gòu)需抗震，則整體結(jié)構(gòu)中的抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系宜采用消能-承載雙功能構(gòu)件來抵抗地震作用。
如承重結(jié)構(gòu)采用半剛性梁柱連接，可以偏安全地忽略其承受的側(cè)向力。僅考慮半剛接框架承受重力，除可以簡(jiǎn)化半剛接框架的設(shè)計(jì)外，與鉸接框架和剛接框架相比，在相同重力作用下，半剛接框架梁端的彎矩比剛接框架梁小，而跨中彎矩比鉸接框架梁�。▓D54）。還可以考慮跨中正彎矩由鋼-混凝土組合梁承受、而梁端負(fù)彎矩僅由鋼梁承受的特點(diǎn)，調(diào)整半剛接框架梁跨中彎矩與梁端彎矩絕對(duì)值的比值，優(yōu)化半剛接框架的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)剛接框架相比，可節(jié)省用鋼量10%以上[25]。
5 結(jié) 論
本文介紹了高性能鋼結(jié)構(gòu)的若干重要概念及實(shí)現(xiàn)方法，可以得出以下主要結(jié)論：
（1）高性能鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)至少滿足承載性好、承災(zāi)性好和施工性好的要求。
（2）高承載性鋼結(jié)構(gòu)可以采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材、高承載構(gòu)件形式和高承載結(jié)構(gòu)體系的方式實(shí)現(xiàn)。
（3）高承災(zāi)性鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)在罕遇地震下和可能發(fā)生的火災(zāi)或爆炸作用下保持完整、不倒塌，且產(chǎn)生的破壞能方便修復(fù)。
（4）結(jié)構(gòu)抵抗地震作用的方式有承載方式和消能方式兩種，對(duì)于出現(xiàn)概率較大的小震可以采用承載方式抵抗，而對(duì)于出現(xiàn)概率較小的大震應(yīng)優(yōu)先采用消能方式抵抗。
（5）高強(qiáng)鋼用于抗震結(jié)構(gòu)的有效方式是在地震下不發(fā)生屈服或屈服后發(fā)生塑性變形很小的結(jié)構(gòu)部位或構(gòu)件采用高強(qiáng)鋼。
（6）對(duì)于地震下鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的主要構(gòu)件采用消能-承載雙功能構(gòu)件，可起到大震下消能減震作用，提高結(jié)構(gòu)抗地震整體倒塌能力。
（7）在結(jié)構(gòu)中采用消能搖擺柱（墻）可大大減小大震后的殘余變形，提高主體結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性。
（8）保證樓板的整體性和剛度、保證梁柱連接的強(qiáng)度和轉(zhuǎn)動(dòng)能力、加強(qiáng)角柱和邊柱等，可以充分發(fā)揮框架梁的懸鏈線效應(yīng)、框架的空腹效應(yīng)和樓板的薄膜效應(yīng)，大大提高結(jié)構(gòu)抵抗火災(zāi)、爆炸等偶然作用下連續(xù)性倒塌的能力。
（9）可通過采用軋制型鋼構(gòu)件和現(xiàn)場(chǎng)螺栓連接提高鋼結(jié)構(gòu)的施工性。
（10）通過抗側(cè)結(jié)構(gòu)與承重結(jié)構(gòu)分離的方式可提高鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)螺栓連接的可實(shí)現(xiàn)性，即在整體結(jié)構(gòu)中專門設(shè)計(jì)抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系承受地震和風(fēng)等側(cè)向力，而整體結(jié)構(gòu)的其他部分僅為不承受側(cè)力的承重結(jié)構(gòu)，可使梁柱節(jié)點(diǎn)較方便地采用螺栓鉸接連接或螺栓半剛性連接形式。
