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本文作者：李國(guó)強(qiáng)王彥博陳素文孫飛飛作者單位：同濟(jì)大學(xué)

研究現(xiàn)狀

高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的三個(gè)主要方面:彈性階段設(shè)計(jì)、塑性階段設(shè)計(jì)與抗震設(shè)計(jì)。彈性階段設(shè)計(jì)，高強(qiáng)鋼在受壓、純彎和壓彎作用下的承載力通常由構(gòu)件的局部屈曲、整體屈曲或兩者的相關(guān)屈曲控制，現(xiàn)有針對(duì)普通鋼構(gòu)件的理論分析方法仍然適用于高強(qiáng)鋼構(gòu)件［31］。然而構(gòu)件的承載力受殘余應(yīng)力、初始幾何缺陷、材料力學(xué)性能等參數(shù)的影響。高強(qiáng)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通鋼有顯著差異，鋼構(gòu)件中殘余應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的比值也隨材料強(qiáng)度發(fā)生變化［18］，高強(qiáng)鋼構(gòu)件對(duì)初始幾何缺陷的敏感程度較普通強(qiáng)度構(gòu)件低［19］，這些因素將造成現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范［20-21］中的某些條文對(duì)高強(qiáng)鋼不一定適用，需重新檢驗(yàn)。塑性階段設(shè)計(jì)，現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范假定構(gòu)件具有足夠的延性與變形能力，認(rèn)為構(gòu)件在相對(duì)較大變形下仍不發(fā)生破壞，使得內(nèi)力能夠在非靜定結(jié)構(gòu)中重新分布。相比普通強(qiáng)度鋼，高強(qiáng)鋼的屈強(qiáng)比大而斷后伸長(zhǎng)率較小，構(gòu)件截面寬厚比限值隨鋼材強(qiáng)度而變化，這些均將影響高強(qiáng)鋼受彎構(gòu)件的變形能力，是塑性階段設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?？拐鹪O(shè)計(jì)中，通常預(yù)期結(jié)構(gòu)將在大震作用下經(jīng)歷較大變形，抗震結(jié)構(gòu)與構(gòu)件必須具備足夠的延性以保持在較大變形下繼續(xù)承載;此外，抗震結(jié)構(gòu)還需要合理的結(jié)構(gòu)布置，以保證在大震作用下形成有效的耗能機(jī)制。依據(jù)材料性能的特點(diǎn)，提高鋼材抗拉強(qiáng)度的途徑主要有三種:1)添加鐵與碳以外的化學(xué)元素以獲得高強(qiáng)度、高斷裂韌性、耐腐蝕、耐高溫和耐低溫等特性;2)通過熱處理工藝得到需要的組織結(jié)構(gòu)并達(dá)到預(yù)期的力學(xué)性能;3)在結(jié)晶溫度以下(通常為常溫)加工，冷作硬化將顯著提高鋼材的強(qiáng)度和硬度。由不同途徑獲得的高強(qiáng)鋼可分為早期高強(qiáng)鋼、新型高性能鋼和冷軋高強(qiáng)鋼。三種高強(qiáng)鋼的力學(xué)性能存在顯著差異，因此在進(jìn)行高強(qiáng)鋼的應(yīng)用研究時(shí)，需對(duì)鋼材的種類加以區(qū)分，如，材料性能的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為材料性能分項(xiàng)系數(shù)的基礎(chǔ)，對(duì)熱軋和冷軋高強(qiáng)鋼進(jìn)行區(qū)分。本文對(duì)高強(qiáng)鋼研究進(jìn)展的介紹均指熱軋高強(qiáng)鋼，限于篇幅，對(duì)冷軋高強(qiáng)鋼研究?jī)?nèi)容不予介紹。

1材料力學(xué)性能

材料力學(xué)性能是高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)大量試驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)分析［7-8］，發(fā)現(xiàn)隨著高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度的提高，鋼材的屈服平臺(tái)縮短甚至消失，鋼材的屈強(qiáng)比增大并接近1，鋼材的斷后伸長(zhǎng)率減小。1969年，美國(guó)ASTM制定的A514規(guī)范規(guī)定了名義屈服強(qiáng)度690MPa高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能［1］。美國(guó)與日本學(xué)者首先在高強(qiáng)鋼基本構(gòu)件的研究中獲得了相關(guān)材性試驗(yàn)結(jié)果［22-26］，隨后澳大利亞與歐洲學(xué)者在高強(qiáng)鋼相關(guān)研究中積累了更多的材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)［27-29］。早期高強(qiáng)鋼由于可焊性差，斷裂韌性與冷彎性能不足等問題，沒有得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，美國(guó)和日本的橋梁建造業(yè)與鋼鐵制造業(yè)密切合作，研發(fā)出力學(xué)性能與可焊性符合工程需求的新型高性能鋼材。新型高性能鋼材通過減少碳、硫等元素含量改善鋼材的可焊性，同時(shí)通過控軋控冷技術(shù)(TMCP)與添加合金元素等手段，提高鋼材的強(qiáng)度、斷裂韌性與冷彎性能，具有良好的疲勞性能［30］。新型高性能鋼材近10年在工程建設(shè)中逐漸得到應(yīng)用，如日本的橋梁采用高性能鋼BHS500W與BHS700W等，美國(guó)ASTM的建筑結(jié)構(gòu)用高性能鋼A992與橋梁用高性能鋼A709等。Fukumoto［7］總結(jié)并比較了普通強(qiáng)度鋼、早期高強(qiáng)鋼與新型高性能鋼(TMCP)的力學(xué)性能，分析了低屈強(qiáng)比高強(qiáng)鋼構(gòu)件的承載力與延性性能;Galambos等［31］按鋼牌號(hào)分類總結(jié)了已有的高強(qiáng)鋼材料性能;Shi等［11］總結(jié)了國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)鋼材料性能的試驗(yàn)結(jié)果。另外，我國(guó)學(xué)者對(duì)高強(qiáng)鋼材在高溫與低溫下的性能也進(jìn)行了研究。劉兵［32］通過對(duì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼軸心受壓構(gòu)件抗火性能的研究，認(rèn)為Q460高強(qiáng)鋼具有良好的高溫下材料性能;王元清等［33］研究了Q460高強(qiáng)鋼在低溫下材料的力學(xué)性能，認(rèn)為當(dāng)溫度低于－40℃時(shí)Q460易脆性破壞。

2基本構(gòu)件承載力與變形能力

1）受壓構(gòu)件

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了高強(qiáng)鋼焊接H形截面、焊接箱形截面和十字形截面受壓構(gòu)件的力學(xué)行為，主要針對(duì)軸壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定與承載力等進(jìn)行了試驗(yàn)與理論研究，主要研究成果見表1。研究結(jié)果表明:殘余應(yīng)力對(duì)高強(qiáng)鋼構(gòu)件承載力的影響較小;焊接箱形截面與繞弱軸失穩(wěn)的焊接H形截面高強(qiáng)鋼受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)高于普通鋼構(gòu)件;高強(qiáng)鋼壓桿局部穩(wěn)定的截面寬厚比限值可采用與普通強(qiáng)度鋼相同的規(guī)定;高強(qiáng)鋼屈服后的應(yīng)變強(qiáng)化性能弱于普通強(qiáng)度鋼材，造成高強(qiáng)鋼短柱的正則化強(qiáng)度低于普通鋼短柱。

2）受彎構(gòu)件

1969年以來，美國(guó)學(xué)者M(jìn)cDermott［23-24］首先針對(duì)早期高強(qiáng)鋼制作的工形截面受彎構(gòu)力學(xué)性能開展了研究，隨后日本學(xué)者Kuwamura［41］、Kato［42-43］等進(jìn)一步研究了因高強(qiáng)鋼相對(duì)普通強(qiáng)度鋼具備高屈強(qiáng)比、無明顯屈服平臺(tái)段、延伸率低等特點(diǎn)對(duì)受彎構(gòu)件力學(xué)性能的影響。對(duì)于早期高強(qiáng)鋼受彎構(gòu)件，文獻(xiàn)［24］認(rèn)為其具有足夠的變形能力可應(yīng)用于塑性設(shè)計(jì);但文獻(xiàn)［44-46］在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，A514高強(qiáng)鋼梁的受拉翼緣在未達(dá)到完全塑性彎矩以前發(fā)生脆性斷裂，有些受彎試件雖能達(dá)到完全塑性彎矩但轉(zhuǎn)動(dòng)能力不足，認(rèn)為早期高強(qiáng)鋼不具備足夠的延性以滿足塑性設(shè)計(jì)的要求。另外，由于早期高強(qiáng)鋼化學(xué)成分中碳當(dāng)量較高，對(duì)焊接工藝要求較為苛刻，增加了建設(shè)成本，也阻礙了早期高強(qiáng)鋼的推廣應(yīng)用。1994年，美國(guó)聯(lián)邦公路局、美國(guó)海軍與美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)聯(lián)合啟動(dòng)了高性能鋼的研發(fā)項(xiàng)目［47］，ASTM分別頒布了建筑結(jié)構(gòu)用高性能鋼標(biāo)準(zhǔn)A992與橋梁用高性能鋼標(biāo)準(zhǔn)A709。20世紀(jì)90年代末，各國(guó)學(xué)者相繼展開對(duì)高強(qiáng)鋼與高性能鋼受彎構(gòu)件的試驗(yàn)研究與數(shù)值分析。以美國(guó)、日本為主的研究者對(duì)高強(qiáng)鋼受彎構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)與理論研究，研究?jī)?nèi)容主要集中在高強(qiáng)鋼工形截面受彎構(gòu)件的承載力、局部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定以及高強(qiáng)鋼材料力學(xué)性能對(duì)受彎構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)性能的影響，具體見表2。研究結(jié)果表明:1)美國(guó)現(xiàn)有規(guī)范AASHTO-LRFD［48］仍可較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)高強(qiáng)鋼工形截面受彎構(gòu)件的承載力;2)與普通鋼構(gòu)件相比，相同截面的高強(qiáng)鋼受彎構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)能力下降明顯(HSLA80相對(duì)A36下降70%～83%)，主要影響因素為材料屈強(qiáng)比;3)規(guī)范AASHTO-LRFD［48］與AISC-LRFD［49］要求的翼緣寬厚比限制與腹板寬厚比限制無法保證高強(qiáng)鋼受彎構(gòu)件具有足夠的延性;4)限制鋼材的屈強(qiáng)比或嚴(yán)格控制板件寬厚比等保證高強(qiáng)鋼受彎構(gòu)件具有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力;5)高性能鋼梁的疲勞性能相對(duì)早期高強(qiáng)鋼也有顯著提升［50］。另外，為了使高性能鋼材的優(yōu)勢(shì)能在受彎構(gòu)件中得到充分發(fā)揮，美國(guó)與英國(guó)學(xué)者研究并提出了混合鋼梁的設(shè)計(jì)方法［2］;美國(guó)與加拿大學(xué)者［51-52］分析了雙腹板工形截面鋼梁、波紋腹板工形截面鋼梁以及鋼管翼緣工形截面鋼梁等，并給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。

3構(gòu)件連接

1）螺栓連接

20世紀(jì)90年代末至今，國(guó)外學(xué)者開始對(duì)高強(qiáng)鋼構(gòu)件的螺栓連接性能進(jìn)行研究［63-69］，主要分析了螺栓端距、邊距、間距與高強(qiáng)鋼材料力學(xué)性能對(duì)螺栓連接受剪承載力與變形能力的影響，檢驗(yàn)了現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)高強(qiáng)鋼螺栓連接的適用性，給出了設(shè)計(jì)建議，見表3。研究結(jié)果表明:1)美國(guó)規(guī)范AISC-LRFD-1993可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高強(qiáng)鋼螺栓連接的承載力;AISC-LRFD-1999中螺栓連接受剪承載力預(yù)測(cè)公式由孔中心距離改為采用孔邊緣距離，其預(yù)測(cè)值不如AISC-LRFD-1993準(zhǔn)確，較保守;歐洲規(guī)范Eurocode3對(duì)于邊距、間距小于限值需折減螺栓連接受剪承載力的規(guī)定偏保守，螺栓間距與邊距的要求對(duì)S460鋼可以適當(dāng)放松;歐洲規(guī)范EN1993-1-8中螺栓連接承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式基于單螺栓連接試驗(yàn)研究，對(duì)于多螺栓連接情況不完全適用。2)鋼材強(qiáng)屈比對(duì)螺栓連接的局部變形能力影響較小，強(qiáng)屈比降低至1.05沒有顯著影響此類連接的局部變形能力;高強(qiáng)鋼螺栓連接局部變形能力可以克服因制造誤差造成的各螺栓受力不同步，使得剪力在各螺栓中重新分布;螺栓端距對(duì)連接局部變形能力影響較大，連接極限變形值隨端距的減小而降低;局部截面有削弱(約10%)的高強(qiáng)鋼構(gòu)件受拉時(shí)變形集中于削弱處，構(gòu)件整體延性差。

2）焊接連接

國(guó)外學(xué)者針對(duì)高強(qiáng)鋼的焊接性能進(jìn)行了研究，主要包括焊接連接的延性、韌性與疲勞性能。Huang等［70］對(duì)抗拉強(qiáng)度400～800MPa高強(qiáng)鋼的焊接連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)鋼試件焊接后變形能力顯著下降，認(rèn)為抗拉強(qiáng)度超過600MPa的高強(qiáng)鋼在地震作用下只能利用其彈性變形部分。Kolstein等［71］對(duì)S600、S1100鋼匹配焊接與低匹配焊接連接的變形能力進(jìn)行了試驗(yàn)與有限元分析，指出匹配焊接可以提供足夠的變形能力，但低匹配焊接連接時(shí)需要特別注意連接強(qiáng)度。Zrilic等［72］研究了低合金高強(qiáng)度鋼材(名義屈服強(qiáng)度700MPa)的焊接性能，發(fā)現(xiàn)熔敷金屬的斷裂韌性弱于熱影響區(qū)和母材。Muntean等［73］實(shí)測(cè)了S235、S460和S690的材料性能，對(duì)72個(gè)焊接連接試件(K形坡口、V形坡口與角焊縫)進(jìn)行了單調(diào)與往復(fù)加載試驗(yàn)，分析了不同牌號(hào)高強(qiáng)鋼與S235低碳鋼焊接連接在單調(diào)與反復(fù)加載下的性能，發(fā)現(xiàn)不同試件均在母材處斷裂，高強(qiáng)鋼與普通鋼混合焊接連接的強(qiáng)度與延性得到保證。歐洲學(xué)者針對(duì)名義屈服強(qiáng)度460～690MPa的高強(qiáng)鋼焊接連接進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)［74-76］，認(rèn)為高強(qiáng)鋼焊接連接具有良好的疲勞性能，甚至優(yōu)于普通強(qiáng)度鋼的焊接連接，其疲勞強(qiáng)度高于歐洲規(guī)范EN1993-1-9的預(yù)期。

3）連接節(jié)點(diǎn)

荷蘭代夫特大學(xué)對(duì)高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)的性能進(jìn)行了系列研究。2007年，GiroCoelho等［77］進(jìn)行了S355鋼梁、柱與S690高強(qiáng)鋼端板連接的節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，高強(qiáng)鋼端板連接滿足現(xiàn)有規(guī)范條款對(duì)連接剛度、承載力與轉(zhuǎn)動(dòng)能力的要求。2009—2010年，GiroCoelho等［78-79］制作了9個(gè)S690高強(qiáng)鋼與11個(gè)S960超高強(qiáng)鋼工形截面試件，進(jìn)行兩跨單點(diǎn)加載模擬梁柱節(jié)點(diǎn)受力情況，研究了節(jié)點(diǎn)域腹板的受力特性，結(jié)果表明，隨鋼材強(qiáng)度的提高，其變形能力與延性均降低;為研究梁柱節(jié)點(diǎn)的受力特性，對(duì)高強(qiáng)鋼鋼柱腹板在局部荷載下的彈塑性性能進(jìn)行了參數(shù)分析，通過與歐洲現(xiàn)有規(guī)范預(yù)測(cè)值對(duì)比，對(duì)現(xiàn)有規(guī)范針對(duì)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給出了建議。

4高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能

高強(qiáng)鋼在抗震設(shè)防區(qū)的應(yīng)用問題受到地震多發(fā)國(guó)家和地區(qū)的廣泛關(guān)注，目前已取得的高強(qiáng)鋼研究成果主要針對(duì)彈性設(shè)計(jì)與塑性設(shè)計(jì)，關(guān)于高強(qiáng)鋼抗震設(shè)計(jì)的研究成果相對(duì)較少。日本學(xué)者Kuwamura等［80］進(jìn)行了早期高強(qiáng)鋼壓彎試件的往復(fù)加載試驗(yàn)，評(píng)估了高強(qiáng)鋼試件的滯回性能以及納入抗震結(jié)構(gòu)材料的可行性。Kuwamura等［81］對(duì)日本新型低屈強(qiáng)比(小于0.8)高強(qiáng)鋼(屈服強(qiáng)度431MPa)梁、柱焊接節(jié)點(diǎn)的低周疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究與地震響應(yīng)分析，認(rèn)為此類節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)震作用下有足夠的安全儲(chǔ)備。美國(guó)學(xué)者Ricles等［53］分析了高強(qiáng)鋼受彎構(gòu)件的延性性能、耗能能力與普通鋼材的差別，認(rèn)為屈強(qiáng)比是影響試件非彈性行為的主要因素，可通過限定屈強(qiáng)比確保試件具有足夠的變形與耗能能力。羅馬尼亞學(xué)者Dubina等［82］針對(duì)偏心支撐框架提出了雙重鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，即在耗能梁段采用可更換的低屈服點(diǎn)連桿，而在非耗能部位采用彈性設(shè)計(jì)的高強(qiáng)鋼構(gòu)件，并建立多層框架模型進(jìn)行了分析驗(yàn)證。我國(guó)學(xué)者王飛等［83］研究了屈強(qiáng)比對(duì)鋼框架抗震性能的影響，認(rèn)為鋼材屈強(qiáng)比越大其構(gòu)件的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力和抗震性能越弱;鄧椿森等［84］采用有限元法分析了鋼材強(qiáng)度對(duì)箱形截面壓彎構(gòu)件滯回性能的影響，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)鋼提高了壓彎構(gòu)件的屈服承載力和屈服變形能力，同時(shí)加速了剛度退化并降低了試件的延性;崔嵬［85］通過Q460C鋼的材料與H形、箱形柱的低周反復(fù)加載試驗(yàn)和有限元分析，提出了Q460C高強(qiáng)鋼材料與H形、箱形柱受壓構(gòu)件的滯回模型。

高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)防區(qū)的應(yīng)用

1抗震設(shè)防區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼的要求

Fukumoto［7］通過對(duì)比不同牌號(hào)鋼材的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著鋼材屈服強(qiáng)度的提高，鋼材的屈強(qiáng)比增大，鋼材的極限應(yīng)變減小，如圖3所示。為確?？拐鹪O(shè)防區(qū)鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件具足夠的塑性變形能力與耗能能力，GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［86］對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼的材料力學(xué)性能要求較GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［20］更為嚴(yán)格，主要體現(xiàn)在屈強(qiáng)比、斷后伸長(zhǎng)率等指標(biāo)，見表4。屈服強(qiáng)度越高的鋼材越難滿足抗震設(shè)防區(qū)的設(shè)計(jì)要求，因此高強(qiáng)鋼在抗震設(shè)防區(qū)的應(yīng)用受到了限制。隨著鋼材生產(chǎn)工藝的提高，以熱機(jī)械控制軋制(TMCP)工藝為交貨狀態(tài)保證了鋼材的高性能。TMCP工藝交貨狀態(tài)不僅比正火軋制交貨狀態(tài)提高了鋼材的強(qiáng)度，而且碳當(dāng)量低，具有良好的可焊性。因此，高強(qiáng)鋼的屈強(qiáng)比體現(xiàn)了鋼材的強(qiáng)度儲(chǔ)備，并影響構(gòu)件的變形能力，如圖4所示。圖4a中為有開孔(或削弱)的構(gòu)件，fy為屈服強(qiáng)度，fp近似為抗拉強(qiáng)度，Ny=Afy，Np=Anfp，A為構(gòu)件截面面積，An為開孔處凈截面面積。當(dāng)鋼材屈強(qiáng)比較大，Ny＞Np時(shí)，構(gòu)件的非削弱部分不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，構(gòu)件的整體變形能力降低。圖4b為受彎構(gòu)件的受力簡(jiǎn)圖，My為屈服彎矩，Mp1、Mp2為塑性彎矩。隨著鋼材屈強(qiáng)比的增大，Mp1將更接近Mp2，梁端塑性分布的擴(kuò)展將受到限制，梁的轉(zhuǎn)動(dòng)變形能力降低。斷后伸長(zhǎng)率體現(xiàn)了材料的延性性能，是影響構(gòu)件與結(jié)構(gòu)延性的重要因素。結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的延性對(duì)于其抗震性能起著至關(guān)重要的作用。隨著鋼材強(qiáng)度的提高，屈強(qiáng)比增大，斷后伸長(zhǎng)率減小，造成高強(qiáng)鋼材料性能不能滿足GB50011—2010的要求。為便于比較，將我國(guó)結(jié)構(gòu)用鋼三部規(guī)范中對(duì)鋼材拉伸力學(xué)性能的規(guī)定概括列于表5，分別為GB/T700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》［87］、GB/T19879—2005《建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》［88］與GB/T1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》［89］。對(duì)比表4要求與表5力學(xué)性能指標(biāo)可以看出，名義屈服強(qiáng)度大于420MPa的鋼材均不能用于抗震結(jié)構(gòu)中，且由于GB50017—2003中只增補(bǔ)了Q420鋼，Q460及更高牌號(hào)鋼材的應(yīng)用也因沒有充分的設(shè)計(jì)依據(jù)而受到限制。

2高強(qiáng)鋼在地震設(shè)防區(qū)應(yīng)用的兩種思路

GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用的是“三水準(zhǔn)設(shè)防，兩階段設(shè)計(jì)”，即第一階段設(shè)計(jì)為多遇地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力、彈性變形進(jìn)行驗(yàn)算，以保證“小震不壞”;第二階段設(shè)計(jì)為罕遇地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位彈塑性變形進(jìn)行驗(yàn)算，以保證“大震不倒”，并通過合理的構(gòu)造措施保證“中震可修”。在抗震設(shè)計(jì)過程中除了保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度與承載力滿足小震作用下的彈性驗(yàn)算，還要使結(jié)構(gòu)具備足夠的延性滿足大震作用下的變形與耗能要求。影響結(jié)構(gòu)延性的主要因素有材料的延性、構(gòu)件的延性以及合理的結(jié)構(gòu)布置。為了解決高強(qiáng)鋼在抗震設(shè)防區(qū)應(yīng)用所面臨的問題，本文根據(jù)抗震設(shè)計(jì)原理提出了兩種解決思路:一種是通過提高延性較差的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的地震作用，從而降低地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的延性需求;另一種是通過設(shè)置專門的屈服控制和耗能裝置，使屈服控制和耗能裝置在大震作用下首先屈服并產(chǎn)生塑性變形耗散地震能量，以避免高強(qiáng)鋼構(gòu)件在大震作用下進(jìn)入塑性狀態(tài)，從而減免高強(qiáng)鋼構(gòu)件在地震作用下的延性需求。

1）提高延性較差的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的地震作用

如圖5所示，對(duì)于具有較好延性的結(jié)構(gòu)，可通過塑性變形耗能以耗散地震作用能量，保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴(yán)重破壞和倒塌。因此，延性好的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的承載力可設(shè)計(jì)得低些，或設(shè)計(jì)地震作用需求低些。相反，對(duì)于延性較差的結(jié)構(gòu)，則結(jié)構(gòu)的承載力應(yīng)設(shè)計(jì)得高些，或設(shè)計(jì)地震作用需求高些，這樣，在設(shè)計(jì)地震作用下，結(jié)構(gòu)的延性需求可適當(dāng)降低。

2）限制高強(qiáng)鋼構(gòu)件達(dá)到屈服

基于能力設(shè)計(jì)概念，合理控制高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)的順序和位置，通過延性構(gòu)件屈服后的耗能來保證非延性構(gòu)件在大震作用下始終處于彈性階段，從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)體系在大震作用下的安全。震害實(shí)例、試驗(yàn)研究與理論分析結(jié)果表明［90］，變形能力不足和耗能能力不足是結(jié)構(gòu)在大震作用下倒塌的主要原因。若要確保高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)在大震作用下不發(fā)生倒塌，要求結(jié)構(gòu)具有足夠的變形能力并能形成有效的耗能機(jī)制。半剛接節(jié)點(diǎn)具有良好的變形能力，并具備一定的耗能能力［90］，因此可采用半剛性框架結(jié)構(gòu)來保證良好的變形能力，如圖6所示。為保證高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)具有足夠的能力抵抗地震作用和風(fēng)荷載，以及在大震作用下具有足夠的耗能能力，可設(shè)置專門的抗側(cè)力耗能構(gòu)件。根據(jù)不同的抗側(cè)力體系選擇低屈服點(diǎn)防屈曲支撐或低屈服點(diǎn)防屈曲鋼板墻等。耗能構(gòu)件作為結(jié)構(gòu)的“保險(xiǎn)絲”，在大震作用下首先屈服，通過塑性變形耗散地震能量，從而使體系的高強(qiáng)鋼構(gòu)件在大震作用下處于彈性狀態(tài)，如圖6所示。為此，耗能構(gòu)件需進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)以確保其延性和耗能能力。通過選擇合理的結(jié)構(gòu)體系及設(shè)置專門耗能構(gòu)件，結(jié)合半剛接節(jié)點(diǎn)的良好變形能力與耗能構(gòu)件的性能，保持高強(qiáng)鋼構(gòu)件處于彈性狀態(tài)，滿足結(jié)構(gòu)抗震性能要求(變形及耗能能力)，彌補(bǔ)高強(qiáng)鋼延性性能的不足。

3提高高強(qiáng)鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)的目標(biāo)可靠指標(biāo)

考慮到高強(qiáng)鋼構(gòu)件的延性性能較差，基于建筑結(jié)構(gòu)的可靠度，根據(jù)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能對(duì)高強(qiáng)鋼構(gòu)件的破壞類型進(jìn)行分類，對(duì)非延性破壞的構(gòu)件提出更高的設(shè)計(jì)目標(biāo)可靠指標(biāo)要求。GB50068—2001《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》［91］將結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)下的可靠指標(biāo)分為脆性破壞與延性破壞兩類，并給出了最小限值。本文根據(jù)鋼材的拉伸試驗(yàn)性能指標(biāo)將高強(qiáng)鋼構(gòu)件劃分為延性構(gòu)件、半延性構(gòu)件與脆性構(gòu)件，分類標(biāo)準(zhǔn)見表6。在GB50068—2001的可靠指標(biāo)中增加半延性破壞類型，并將脆性破壞的可靠指標(biāo)提高0.5，具體見表7。在確定高強(qiáng)鋼構(gòu)件的荷載分項(xiàng)系數(shù)γF(可變荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ)時(shí)，應(yīng)根據(jù)鋼材的力學(xué)性能將高強(qiáng)鋼構(gòu)件按表6確定破壞類型，然后選取表7中規(guī)定的可靠指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。由于提高了非延性破壞構(gòu)件的荷載分項(xiàng)系數(shù)，結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)被放大，要求結(jié)構(gòu)具有更高的承載力與抗側(cè)能力，以保證結(jié)構(gòu)安全。提高脆性破壞構(gòu)件的可靠度指標(biāo)的目的是保證構(gòu)件的安全，即通過更加嚴(yán)格的限制結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效概率來防止脆性破壞。