【正文】 完成了對紐約 Williamsburg 大橋足尺構件的抗疲勞研究。 AASTHO 的橋體概率評估規(guī)定自 1989 年起開始生效，它通過結合現(xiàn)場監(jiān)測和概率分析等合理方法對結構未來使用時間進行評估。由于許多問題還未得到解決，這樣的活動同樣促進了進一步的研究工作。其中之一是對混合結構橋受剪連接部件強制破壞的研究。這項工作最近已經(jīng)在密蘇里大學完成了。 除了疲累和腐蝕，橋梁的主要危險是地震引起的潛在的破壞。這也引發(fā)了對鋼橋上部構造和混凝土 橋墩的修理和新式設計的諸多研究。國內的許多橋梁正在進行加固以抵抗地震。其中一個引起廣泛研究興趣的領域是用一層層的高性能加固塑料“圍裹”住混凝土柱，以增強其性能。 前述的研究工作主要是針對現(xiàn)有結構的性能和新橋梁的設計。然而，對新穎橋梁結構的研究也充滿活力。這方面的研究主要圍繞將高強鋼應用于新型板式支架和箱式支架橋梁，例如波形網(wǎng)格、開口和封閉結合的形式及更長跨度的桁架橋。在此必須指出，除了對鋼橋的工作，還有一個非?；钴S的研究領域，那就是對超高強混凝土預應力梁性能的研究。目前，對使用高性能塑性混合元件的小 型橋梁的性能和設計也有廣泛研究。對使用鋼筋混凝土分段的連續(xù)橋體系，在正彎矩和負彎矩區(qū)域都得到了考慮。一些研究者發(fā)展了高強模型來模擬獨立板梁的三維非線性表現(xiàn)，并且對這種結構彎曲前及彎曲后的性能進行了許多研究。此外還進行了伴隨試驗，特別是針對高性能鋼建造的部件。一座實物大小使用這種鋼材的橋已經(jīng)被設計出來，并且很快就將建造，然后進行交通荷載測試。對于大膨脹連接元件及高速公路標志結構的疲勞研究也在進行中。 最后要提到的是鋼筋混凝土水平彎曲鋼架橋研究的興起。明尼蘇達大學剛完成的一個項目，他們對一座歪斜彎曲的橋 梁在施工各個階段 —— 從預制工場到建造完畢 —— 的應力和變形進行了監(jiān)控。測量到的應力和變形與計算值吻合得相當好。施工階段的應力和變形相對很小，這表明施工過程對橋系統(tǒng)并不產(chǎn)生嚴重損壞。目前這座橋正在接受使用荷載試驗，通過滿載沙礫的卡車施加荷載，這個過程要持續(xù)兩年，之后三將繼續(xù)對橋在使用荷載長期作用下性能的變化進行研究。一個主要的測試項目已經(jīng)在位于華盛頓的聯(lián)邦高速公路管理局試驗室展開，一座1／ 2 比例的彎曲混合梁橋目前正在測試以確定其極限狀態(tài)。這座試驗橋被設計為自身的試驗框架，測試后不同的部件可以被更換。在真實邊界條 件和約束下進行了各種柔性試驗、剪切試驗和彎剪共同作用試驗。還通過有限元分析給這些試驗建模，以檢查真實值和預測值的一致性。根據(jù)獲得的認識來完善最終的設計規(guī)范。這是目前美國最大的橋梁研究項目。 從上述討論可以發(fā)現(xiàn)，盡管全國的高速公路和鐵路系統(tǒng)并未大規(guī)模擴張，但在橋梁領域卻開展了廣泛研究。對于研究人員和交通工程師而言，主要的挑戰(zhàn)是對雖然老化但仍可正常使用的結構的維護，應在保持其安全和可用性的前提下考慮逐步替換它們。 2．鋼構件和鋼框架結構的研究 目前有很多關于鋼結構建筑的強度和性能的研究。 其中最重要的與劇烈地震時鋼結構的性能和設計有關。這個話題將在接下來的內容中討論。非地震領域中最重要的研究趨勢如下。 許多大學中都展開了對結構分析與設計中的“先進”方法的積極研究，最著名的如康納爾大學、普度大學、斯坦福大學和喬治亞理工大學。這些分析方法是用于決定結構在即將失效或失效后荷載 —— 變形之間的性能，包括非彈性性狀、內力重分布、塑性鉸的形成、二級影響和框架失穩(wěn)。當這些方法完全運作時，結構無需再經(jīng)過元件校核，因為對框架的有限元分析自動完成了這個工作。除了對應用這種高級分析的最佳方法的研究外，還有很多 關于簡化方法的研究工作，這些簡化方法可以在設計事務所中輕易地應用，同時還保持了復雜分析的優(yōu)勢。對于平面內的性能，這種高級分析方法已發(fā)展得很完善，但對于考慮雙軸向彎曲或水平扭轉翹曲的情形還需進一步研究。目前雖已取得了一定成果，但研究還遠末完成。 框架行為另外一方面的工作就是對有半剛性節(jié)點框架的研究。美國鋼結構學會 (AISC)已經(jīng)發(fā)布了用于事務所的設計方法。目前的研究主要集中于地震荷載下這類結構的行為。有結果表明在地震情況下可以使用這類框架，即 8— 10 層中等地震荷載作用下的建筑。使用半剛性連接框架的結構 前景廣闊，這主要得益于像喬治亞理工大學的 Leon 及其他研究者的努力。 對構件性能的研究主要是應用高級商業(yè)有限元軟件對密集角和寬翼緣梁構件的分析。這種研究是對 20 世紀 50 年代和 60 年代的一些假設的檢驗，那時塑性設計的簡潔性和對支撐的要求是基于半經(jīng)驗的基礎形成的。非線性有限元計算允許對已有試驗進行“重新測試”，并對新型元件和新型鋼種進行新的計算機試驗。喬治亞理工大學的懷特是這方面的先鋒之一。這篇文章后邊還將提及美國軍事學院和明尼蘇達大學的 Earls 目前進行的研究工作。此類研究的重要性在于：可以通過在計算 機上進行參數(shù)研究對極端屈服和變形現(xiàn)象進行有效的檢驗。計算機所得的結果可以通過原有試驗和少量新試驗來進行校核。這些研究對那些至今未得到完全解決的老問題帶來了希望。 3．對冷加工鋼結構的研究 在地震之后，目前美國最活躍的研究領域就是冷加工鋼結構。原因是相關支柱產(chǎn)業(yè)正在擴大，特別是在獨立家庭住宅領域。隨著木材價格上漲，鋼結構房屋顯得越來越經(jīng)濟。多模式大變形情況時薄壁結構的翹曲問題引起了穩(wěn)定研究領域種的一些最優(yōu)秀人才的關注。由此，許多問題得到了解決：如復雜單元增強結構，C 型和 Z 型梁的穩(wěn)定性及支撐，混 合板，穿孔柱，穩(wěn)定焊接屋頂系統(tǒng)，復雜形狀梁的穩(wěn)定性及支撐，使用高應力高抗拉比鋼材的冷加工元件，及其他許多有趣的應用。美國鋼鐵學會 (AISl)在 1996 年發(fā)布了新的擴張標準，使得上述許多研究結果能被設計人員所利用。 4．鋼筋混凝土混合結構的研究 美國幾乎所有的結構性鋼橋和建筑都是使用梁或桁架混合建造的。相反，很少有柱是混合構件。當前對混合柱的研究非?；钴S，這將填補此類構件技術信息的空缺。鋼管中填充高強混凝土的課題研究尤其活躍。明尼蘇達大學的 HaUar對此進行了研究，他的一個研究目標就是對單調荷載和循環(huán) 荷載下混凝土填充柱和梁柱發(fā)生的各種相互作用建立一個基本的了解。另一個目標是獲得對寬翼梁與混凝土填充管連接的性能的基本認識。 其他主要的研究工作涉及同時承受正負彎矩作用的寬翼橋桁架裝配的性能和設計。該工作由得克薩斯大學的費蘭克和喬治亞理工的懷特展開，工作包括了對薄壁加勁腹板翹曲和翹曲后深入廣泛的研究。前邊提到了對混合橋強制破壞的檢驗。需要解決的問題是在大于彈性極限荷載而小于塑性機理荷載的循環(huán)荷載作用下，是否橋桁架會失去混合作用的能力。一項新的研究已經(jīng)在明尼蘇達大學展開，它對由螺栓剪切連接的半剛性鋼架系統(tǒng)和混凝 土剪力墻間的相互作用進行了研究。 5，對連接的研究 連接形式的多樣性使研究者對連接問題的研究很感興趣。目前大部分的連接工作主要與本文下一節(jié)要討論的地震問題相關。對非地震連接的最大興趣在于各類型的半剛性連接單一彎曲扭轉特性的研究。 6．地震力作用下結構及其連接的研究 目前美國對結構性鋼研究所作的努力主要動力來源于 1994 年 1 月 17 日Northridge，加利福尼亞，洛杉磯北部的地震。鋼結構的主要問題是滿足條件的剛性連接脆性破裂導致的結構大規(guī)模失效。在超過 150 幢 1～ 26 層的建筑中有上千個破壞的連接部分。建筑物 并未倒塌，它們也沒有出現(xiàn)任何外部龜裂，此外也沒有人員傷亡。一個典型的連接如圖 2． 2， 1 所示。 在該連接中，梁翼緣通過完全對接焊透與柱焊接。腹板與梁拴接，與柱焊接。這類連接的特征是梁翼緣底部的支撐鋼筋，以及為方便梁翼緣焊接施工留下的處理孔。出現(xiàn)在焊縫中、梁翼緣中及柱翼緣上的裂縫有時會進入腹板。 這個問題被發(fā)現(xiàn)后，許多大型研究項目在各大學試驗室展開，如加利福尼亞大學的圣地亞哥分校、西雅圖的華盛頓大學、奧斯汀的得克薩斯大學、賓夕法尼亞的里海大學伯利恒分校，等等。在聯(lián)邦應急管理局 (FEMA)指導下美國政府展開了一 個全國性的主要研究工作。這項工作被認為是非常龐大，沒有任何獨立研究機構能夠單獨完成。從而三個加利福尼亞團體成立了一個協(xié)會以管理這項工作，它們是： (1)加利福尼亞結構工程協(xié)會。 (2)應用科技理事會。 (3)加利福尼亞大學地震工程研究所。 三個機構名稱的首字母形成了縮寫詞 SAC，這就是該聯(lián)合協(xié)會的名稱。在該協(xié)會的支持下，大量的研究工作得以開展，并且在接下來的幾年中發(fā)表了很多成果。 這個項目的目標是建立可靠、可行及經(jīng)濟的指導原則，以識別和檢測危險鋼結構建筑，維修和升級破壞建筑，設計新建筑結構，對未破壞建筑的翻 新。很明顯，它的影響范圍遠遠超出了連接問題。 研究的第一階段在 1996 年底完成，它的主要目標是達成一個過渡性的指導原則，以使設計工作得以繼續(xù)。它包括了以下內容： 在目前技術水平下對鋼連接知識的評估。 對建筑破壞的調查。 對地面運動的評估。 詳細的建筑分析和案例研究。 初步試驗項目。 專業(yè)訓練和質量保證項目。 《臨時設計指導原則》的發(fā)表。 在第一階段工作中發(fā)表了許多報告。這篇文章末尾列舉了其中的一部分。 在 SAC 項目的第一階段，進行了一系列靜載或有時循環(huán)動載作用下的足尺連接試驗。有關于先 Northridge 型的連接 (即地震發(fā)生時已存在的連接 )，有已修復和升級的部件，還有新的建議使用的連接部件。圖 2； 2． 2 是該試驗項目示意性說明。圖 2． 2． 3 是一些建議使用的新設計策略。 接下來是一些導致連接失效的可能原因，可能是單獨影響，也可能是共同影響： 現(xiàn)場焊接時人工的不足。 焊接材料刻痕硬度不足。 支撐鋼筋的應力集中發(fā)生點。 載支撐鋼筋附近未焊透。 焊頭過大。 焊縫中有焊渣。 許多失效可直接歸咎于焊接或連接材料，但這些年來更嚴重的與結構體系相關的 I 司題主要是基于經(jīng)濟上的考慮。結構體系采用了 相對較少的重型剛性框架構件，這些構件是設計用來吸收作用于結構大部件上的地震力的。這些較少的抗水平力框架不能提供足夠的儲備。使用更多的小型構件框架可以提供一個更強更柔的結構體系。還存在一個尺寸影響：使用小型構件連接的試驗未經(jīng)過足夠的試驗驗證就推向了使用大型構件連接。一個大型初始脈沖效應可能引發(fā)了動荷載，引起包含了臨界破裂構件和材料的連接出現(xiàn)脆性破裂。此外，梁的屈服應力比設計規(guī)定的最小值大 30％～ 40％，所以在梁未形成塑性鉸前連接就失效了。 就像我們看到的一樣，這種巨大的失效率可能包含很多原因，而且任何一個都難 逃其責。無疑，對連接為何失效以及如何失效的討論還將一直持續(xù)下去。但結構系統(tǒng)不能滿足需求卻遠遠超出了預料。然而我們需要牢記的是，沒有一個建筑倒塌，甚至沒有造成外部非結構破壞，并且沒有人員傷亡。從嚴格意義上說，結構犧牲了自我而保證了使用者沒有受到物理傷害。然而，經(jīng)濟上的損失卻是巨大的。 7．未來結構鋼的研究方向和結論 未來對于結構鋼的研究還有很多挑戰(zhàn)。近來的兩次地震，即美國的 Northridgc地震和日本的 Kobe 地震對傳統(tǒng)的設計方法影響很大，它們促成了現(xiàn)在進行的研究工作，并將使其一直持續(xù)到下個世紀的前十年。未 來同類的災害很可能給鋼研究界帶來其他的問題。防災設計的理念也發(fā)生了根本性改變：我們不能僅僅滿足于保證人身安全，我們還必須設計出不會被嚴重破壞以致需要全面維修的結構。 另一個主要的挑戰(zhàn)是許多新型材料，如高性能混凝土的及塑性混合結構的涌現(xiàn)。鋼結構將繼續(xù)面對證明其市場可行性的問題。這只有通過更多的創(chuàng)新研究來完成。此外，正在全世界范圍內推廣的新型綜合極限狀態(tài)設計法則也需要研究工作來支持其理論假設。 以下是一些鋼結構研究中的急需解決的問題。 系統(tǒng)可靠性工具已經(jīng)發(fā)展到了高度完善的階段。這些工具應該被應用在橋梁和建筑結構 研究中以確定監(jiān)測設備的最佳位置，評估結構所處狀態(tài)及使用壽命，以及合理的設計經(jīng)濟的修復和翻新操作。 機械設備、數(shù)據(jù)傳輸和大規(guī)模計算上取得的新發(fā)展使研究者對劇烈作用下結構的反映有了更好的了解，這樣將對結構的“實際， J 眭能獲得更深入的了解。 結構強度方面的認知已經(jīng)遠遠超過對結構服務性和耐久性的認知。在監(jiān)測和防止結構服務期間不會發(fā)生破壞并導致衰退方面還需進一步研究。 疲勞和破壞機理領域及結構穩(wěn)定領域應該融合為一個更加統(tǒng)一的概念整體。 需要解決由非彈性穩(wěn)定和地震作用下劇烈循環(huán)荷載在連接中引起的低循環(huán)疲勞聯(lián)合作用帶 來的問題。 劇烈循環(huán)和動荷載下構件、連接和連接器 (如剪切連接器 )的性能，包括強制破壞表現(xiàn)，都需要廣泛的研究。還可以再列舉很多的內容，但對于研究工作這一高創(chuàng)造性活動不應該太教條化。自然、社會和經(jīng)濟學將會對未來結構工程師提出足夠的挑戰(zhàn)。