Recent research and design developments in steel and composite steel–concrete structures in USA
Abstract A brief review of the status of structural steel research in the US at the end of the Twentieth Century is presented in this paper to show that while many problems are being solved, there are new and challenging problems remaining. The chief impetus for continued research is that provided by natural disasters, such as earthquakes, tropical storms, tornadoes and floods occurring in densely populated urban areas. New materials and new experimental and computational technologies also give rise to new and exciting research problems.
Keywords: Bridges; Buildings; Design; Research; Steel structures; United States of America; Seismic behavior; High-performance materials
1. Introduction
The purpose of this paper is to give a brief overview of the current developments in structural steel research in the US, and of the future directions that the structural steel engineering research may take in the coming Century. The driving
forces of research in this field are the following:
bull;new construction methods and construction products
bull;new materials
bull;economic considerations
bull;natural disasters
Three of these motivations are common to all engineering developments, not just to structural engineering. However, the impetus due to natural disasters is unique to our field. Recent major natural disasters in the US, such as the Northridge earthquake in California and hurricane Andrew in Florida, have spurred much of the current research activity.
The presentation here is of necessity incomplete, because the author is not aware of all research going on everywhere in the country and there is not enough space in this presentation. The overview is meant to give a general flavor of the research activities, and to show that a significant effort is going on in the US. The following is a list of 10 major topics in steel research:
1.Limit States Design for bridges
2.Monitoring of structural performance in the field
3.Design of seismically resistant connections
4.Curved girder bridges
5.Composite columns with high-performance concrete
6.Building frames with semi-rigid joints
7.“Advanced Structural Analysis” for buildings
8.Repair and retrofit of structures
9.Steel structures with high-performance steels
10.Cold-formed steel structures
The next parts of this paper will give brief discussions on some of these topics. Several topics will then be elaborated in more detail. The paper will conclude with a look toward the future of structural steel research.
2.Research on steel bridges
The American Association of State Transportation and Highway Officials (AASHTO) is the authority that promulgates design standards for bridges in the US. In 1994 it has issued a new design specification which is a Limit States Design standard that is based on the principles of reliability theory. A great deal of work went into the development of this code in the past decade, especially on calibration and on the probabilistic evaluation of the previous specification. The code is now being implemented in the design office, together with the introduction of the Systeme Internationale units. Many questions remain open about the new method of design, and there are many new projects that deal with the reliability studies of the bridge as a system. One such current project is a study to develop probabilistic models, load factors, and rational load-combination rules for the combined effects of liveload and wind; live-load and earthquake; live-load, wind and ship collision; and ship collision, wind, and scour. There are also many field measurements of bridge behavior, using modern tools of inspection and monitoring such as acoustic emission techniques and other means of non-destructive evaluation. Such fieldwork necessitates parallel studies in the laboratory, and the evolution of ever more sophisticated high-technology data transmission methods.
America has an aging steel bridge population and many problems arise from fatigue and corrosion. Fatigue studies on full-scale components of the Williamsburg Bridge in New York have recently been completed at Lehigh University. A probabilistic AASHTO bridge evaluation regulation has been in effect since 1989, and it is employed to assess the future useful life of structures using rational methods that include field observation and measurement together with probabilistic analysis. Such an activity also fosters additional research because many issues are still unresolved. One such area is the study of the shakedown of shear connectors in composite bridges. This work has been recently completed at the University of Missouri.
In addition to fatigue and corrosion, the major danger to bridges is the possibility of earthquake induced damage. This also has spawned many research projects on the repair and retrofit of steel superstructures and the supporting concrete piers. Many bridges in the country are being strengthened for earthquake resistance.
One area that is receiving much research attention is the strengthening of concrete piers by “jacketing” them by sheets of high-performance reinforced plastic.
The previously described research deals mainly with the behavior of existing structures and the design of new bridges. However, there is also a vigorous activity on novel bridge systems. This research is centered on the application of high-performance steels for the design of innovative plate and box-girder bridges, such as corrugated webs, combinations of open and closed shapes, and longer spans for truss bridges. It should be mentioned here that, in addition to work on steel bridges, there is also very active research going on in the study of the behavior of prestressed concrete girders made from very high strength concrete. The performance and desi
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近期美国在钢结构和钢筋混凝土结构
研究和设计方面的发展
摘要 本文简要回顾了钢结构在二十世纪美国的的研究状况，虽然许多问题都已经解决，但哪儿仍然有新的问题和挑战没有解决，持续研究的主要动力是发生在人口稠密城区的自然灾害，如地震，热带风暴，龙卷风和洪水发生。新材料、新实验和计算技术对于研究问题带来新的刺激。
关键词：桥梁；建筑；设计；研究；钢结构；美国，美利坚合众国；地震
高性能材料；
1.前言
本文的目的是简要概述美国目前在钢结构研究的发展状况和钢结构在未来的一个世纪里可能做出的研究。在这一领域的研究的驱动力是：
·新的建筑方法和建筑产品
·新材料
·经济上的考虑
·自然灾害
不仅仅指结构工程，对于所有工程来讲，这三个动机是普遍存在的。然而，我们进行研究的动机与自然灾害的联系是密不可分的。在美国，最近的重大自然灾害，如加利福尼亚州北岭地震和佛罗里达州的安得烈飓风，极大地刺激了研究活动的进行。
这个报告是不完整，因为作者没有意识到在全国范围内进行研究，因此这个报告并不具备足够的空间。概述陈述了研究活动的特点，并表明它在美国继续进行下去有重要意义。 以下列出了钢结构研究的10大课题：
1. 桥梁结构极限状态设计
2. 现场结构性能监测
3. 抗震设计
4. 曲线梁桥
5. 高性能混凝土组合柱
6. 半刚性连接框架
7. 建筑“高级结构分析”
8. 结构的修复与改造
9. 高性能钢结构
10. 冷弯型钢结构
本文的下一部分将对这些课题讨论，其中的几个话题将进行更详细地阐述，同时展望了钢结构研究的未来发展状况。
2.钢结构桥梁的研究
美国国家运输和公路官员协会(AASTH0)是为美国桥梁发布设计标准的权威。1994年它发行了一个新的设计规范，这是一个限定性规范，它是以可靠性理论为基础而建立的。在过去10年中的大量工作促 使了该规范的发展，尤其是在对原有规范的校准和概率性评估方面。连同国际单位制的引入，目前该规范已经应用于各个设计事务所。这种新的设计方法还存在许多问题，对桥梁擎体系统的可靠性研究还有很多新的课题。一个目前的课题就是研究并发展概率模型、荷载系数以及合理的荷载组合法则，以处理活载和风载；活载和地震；活载、风和船只碰撞；船只碰撞、风和冲刷作用这些共同作用对桥的影响。此外，还通过利用现代监控工具，例如声传播技术和其他非破坏性测试方法，对桥体进行现场测量。这些现场工作不仅需要并行的试验室研究相配合，还需要快速发展高科技数据传输方法。
美国有数量众多的年代久远的钢桥，许多问题是由疲累和腐蚀引起的。最近里海大学完成了对纽约威廉斯堡大桥足尺构件的抗疲劳研究。AASTHO的桥体概率评估规定自1989年起开始生效，它通过结合现场监测和概率分析等合理方法对结构未来使用时间进行评估。由于许多问题还未得到解决，这样的活动同样促进了进一步的研究工作。其中之一是对混合结构桥受剪连接部件强制破坏的研究。这项工作最近已经在密苏里大学完成了。
除了疲累和腐蚀，桥梁的主要危险是地震引起的潜在的破坏。这也引发了对钢桥上部构造和混凝土桥墩的修理和新式设计的诸多研究。国内的许多桥梁正在进行加固以抵抗地震。其中一个引起广泛研究兴趣的领域是用一层层的高性能加固塑料“围裹”住混凝土柱，以增强其性能。
前述的研究工作主要是针对现有结构的性能和新桥梁的设计。然而，对新颖桥梁结构的研究也充满活力。这方面的研究主要围绕将高强钢应用于新型板式支架和箱式支架桥梁，例如波形网格、开口和封闭结合的形式及更长跨度的桁架桥。在此必须指出，除了对钢桥的工作，还有一个非常活跃的研究领域，那就是对超高强混凝土预应力梁性能的研究。目前，对使用高性能塑性混合元件的小型桥梁的性能和设计也有广泛研究。对使用钢筋混凝土分段的连续桥体系，在正弯矩和负弯矩区域都得到了考虑。一些研究者发展了高强模型来模拟独立板梁的三维非线性表现，并且对这种结构弯曲前及弯曲后的性能进行了许多研究。此外还进行了伴随试验，特别是针对高性能钢建造的部件。一座实物大小使用这种钢材的桥已经被设计出来，并且很快就将建造，然后进行交通荷载测试。对于大膨胀连接元件及高速公路标志结构的疲劳研究也在进行中。
最后要提到的是钢筋混凝土水平弯曲钢架桥研究的兴起。明尼苏达大学刚完成的一个项目，他们对一座歪斜弯曲的桥梁在施工各个阶段——从预制工场到建造完毕——的应力和变形进行了监控。测量到的应力和变形与计算值吻合得相当好。施工阶段的应力和变形相对很小，这表明施工过程对桥系统并不产生严重损坏。目前这座桥正在接受使用荷载试验，通过满载沙砾的卡车施加荷载，这个过程要持续两年，之后三将继续对桥在使用荷载长期作用下性能的变化进行研究。一个主要的测试项目已经在位于华盛顿的联邦高速公路管理局试验室展开，一座1／2比例的弯曲混合梁桥目前正在测试以确定其极限状态。这座试验桥被设计为自身的试验框架，测试后不同的部件可以被更换。在真实边界条件和约束下进行了各种柔性试验、剪切试验和弯剪共同作用试验。还通过有限元分析给这些试验建模，以检查真实值和预测值的一致性。根据获得的认识来完善最终的设计规范。这是目前美国最大的桥梁研究项目。
从上述讨论可以发现，尽管全国的高速公路和铁路系统并未大规模扩张，但在桥梁领域却开展了广泛研究。对于研究人员和交通工程师而言，主要的挑战是对虽然老化但仍可正常使用的结构的维护，应在保持其安全和可用性的前提下考虑逐步替换它们。
3．钢构件和钢框架结构的研究
目前有很多关于钢结构建筑的强度和性能的研究。其中最重要的与剧烈地震时钢结构的性能和设计有关。这个话题将在接下来的内容中讨论。非地震领域中最重要的研究趋势如下：
bull;许多大学中都展开了对结构分析与设计中的“先进”方法的积极研究，最著名的如康纳尔大学、普度大学、斯坦福大学和乔治亚理工大学。这些分析方法是用于决定结构在即将失效或失效后荷载——变形之间的性能，包括非弹性性状、内力重分布、塑性铰的形成、二级影响和框架失稳。当这些方法完全运作时，结构无需再经过元件校核，因为对框架的有限元分析自动完成了这个工作。除了对应用这种高级分析的最佳方法的研究外，还有很多关于简化方法的研究工作，这些简化方法可以在设计事务所中轻易地应用，同时还保持了复杂分析的优势。对于平面内的性能，这种高级分析方法已发展得很完善，但对于考虑双轴向弯曲或水平扭转翘曲的情形还需进一步研究。目前虽已取得了一定成果，但研究还远末完成。
bull;框架行为另外一方面的工作就是对有半刚性节点框架的研究。美国钢结构学会(AISC)已经发布了用于事务所的设计方法。目前的研究主要集中于地震荷载下这类结构的行为。有结果表明在地震情况下可以使用这类框架，即8—10层中等地震荷载作用下的建筑。使用半刚性连接框架的结构前景广阔，这主要得益于像乔治亚理工大学的利昂及其他研究者的努力。
bull;对构件性能的研究主要是应用高级商业有限元软件对密集角和宽翼缘梁构件的分析。这种研究是对20世纪50年代和60年代的一些假设的检验，那时塑性设计的简洁性和对支撑的要求是基于半经验的基础形成的。非线性有限元计算允许对已有试验进行“重新测试”，并对新型元件和新型钢种进行新的计算机试验。乔治亚理工大学的怀特是这方面的先锋之一。这篇文章后边还将提及美国军事学院和明尼苏达大学的伯爵目前进行的研究工作。此类研究的重要性在于：可以通过在计算机上进行参数研究对极端屈服和变形现象进行有效的检验。计算机所得的结果可以通过原有试验和少量新试验来进行校核。这些研究对那些至今未得到完全解决的老问题带来了希望。
4．对冷加工钢结构的研究
在地震之后，目前美国最活跃的研究领域就是冷加工钢结构。原因是相关支柱产业正在扩大，特别是在独立家庭住宅领域。随着木材价格上涨，钢结构房屋显得越来越经济。多模式大变形情况时薄壁结构的翘曲问题引起了稳定研究领域种的一些最优秀人才的关注。由此，许多问题得到了解决：如复杂单元增强结构，C型和Z型梁的稳定性及支撑，混合板，穿孔柱，稳定焊接屋顶系统，复杂形状梁的稳定性及支撑，使用高应力高抗拉比钢材的冷加工元件，及其他许多有趣的应用。美国钢铁学会(AISl)在1996年发布了新的扩张标准，使得上述许多研究结果能被设计人员所利用。
5．钢筋混凝土混合结构的研究
美国几乎所有的结构性钢桥和建筑都是使用梁或桁架混合建造的。相反，很少有柱是混合构件。当前对混合柱的研究非常活跃，这将填补此类构件技术信息的空缺。钢管中填充高强混凝土的课题研究尤其活跃。明尼苏达大学的哈沃对此进行了研究，他的一个研究目标就是对单调荷载和循环荷载下混凝土填充柱和梁柱发生的各种相互作用建立一个基本的了解。另一个目标是获得对宽翼梁与混凝土填充管连接的性能的基本认识。
其他主要的研究工作涉及同时承受正负弯矩作用的宽翼桥桁架装配的性能和设计。该工作由得克萨斯大学的费兰克和乔治亚理工的怀特展开，工作包括了对薄壁加劲腹板翘曲和翘曲后深入广泛的研究。前边提到了对混合桥强制破坏的检验。需要解决的问题是在大于弹性极限荷载而小于塑性机理荷载的循环荷载作用下，是否桥桁架会失去混合作用的能力。一项新的研究已经在明尼苏达大学展开，它对由螺栓剪切连接的半刚性钢架系统和混凝土剪力墙间的相互作用进行了研究。
6.对连接的研究
连接形式的多样性使研究者对连接问题的研究很感兴趣。目前大部分的连接工作主要与本文下一节要讨论的地震问题相关。对非地震连接的最大兴趣在于各类型的半刚性连接单一弯曲扭转特性的研究。
7.地震力作用下结构及其连接的研究
目前美国对结构性钢研究所作的努力主要动力来源于1994年1月17日北岭，加利福尼亚，洛杉矶北部的地震。钢结构的主要问题是满足条件的刚性连接脆性破裂导致的结构大规模失效。在超过150幢1～26层的建筑中有上千个破坏的连接部分。建筑物并未倒塌，它们也没有出现任何外部龟裂，此外也没有人员伤亡。
比如梁翼缘通过完全对接焊透与柱焊接。腹板与梁拴接，与柱焊接。这类连接的特征是梁翼缘底部的支撑钢筋，以及为方便梁翼缘焊接施工留下的处理孔。出现在焊缝中、梁翼缘中及柱翼缘上的裂缝有时会进入腹板。
这个问题被发现后，许多大型研究项目在各大学试验室展开，如加利福尼亚大学的圣·地亚哥分校、西雅图的华盛顿大学、奥斯汀的得克萨斯大学、宾夕法尼亚的里海大学伯利恒分校，等等。在联邦应急管理局(FEMA)指导下美国政府展开了一个全国性的主要研究工作。这项工作被认为是非常庞大，没有任何独立研究机构能够单独完成。从而三个加利福尼亚团体成立了一个协会以管理这项工作，它们是：
1.加利福尼亚结构工程协会。
2.应用科技理事会。
3.加利福尼亚大学地震工程研究所。
三个机构名称的首字母形成了缩写词SAC，这就是该联合协会的名称。在该协会的支持下，大量的研究工作得以开展，并且在接下来的几年中发表了很多成果。
这个项目的目标是建立可靠、可行及经济的指导原则，以识别和检测危险钢结构建筑，维修和升级破坏建筑，设计新建筑结构，对未破坏建筑的翻新。很明显，它的影响范围远远超出了连接问题。
研究的第一阶段在1996年底完成，它的主要目标是达成一个过渡性的指导原则，以使设计工作得以继续。它包括了以下内容：
·在目前技术水平下对钢连接知识的评估。
·对建筑破坏的调查。
·对地面运动的评估。
·详细的建筑分析和案例研究。
·初步试验项目。
·专业训练和质量保证项目。
·《临时设计指导原则》的发表。
在第一阶段工作中发表了许多报告。这篇文章末尾列举了其中的一部分。
在SAC项目的第一阶段，进行了一系列静载或有时循环动载作用下的足尺连接试验。有关于先北岭型的连接(即地震发生时已存在的连接)，有已修复和升级的部件，还有新的建议使用的连接部件。
接下来是一些导致连接失效的可能原因，可能是单独影响，也可能是共同影响：
·现场焊接时人工的不足。
·焊接材料刻痕硬度不足。
·支撑钢筋的应力集中发生点。
·载支撑钢筋附近未焊透。
·焊头过大。
·焊缝中有焊渣。
许多失效可直接归咎于焊接或连接材料，但这些年来更严重的与结构体系相关的I主要是基于经济上的考虑。结构体系采用了相对较少的重型刚性框架构件，这些构件是设计用来吸收作用于结构大部件上的地震力的。这些较少的抗水平力框架不能提供足够的储备。使用更多的小型构件框架可以提供一个更强更柔的结构体系。还存在一个尺寸影响：使用小型构件连接的试验未经过足够的试验验证就推向了使用大型构件连接。一个大型初始脉冲效应可能引发了动荷载，引起包含了临界破裂构件和材料的连接出现脆性破裂。此外，梁的屈服应力比设计规定的最小值大30％～40％，所以在梁未形成塑性铰前连接就失效了。
就像我们看到的一样，这种巨大的失效率可能包含很多原因，而且任何一个都难逃其责。无疑，对连接为何失效以及如何失效的讨论还将一直持续下去。但结构系统不能满足需求却远远超出了预料。然而我们需要牢记的是，没有一个建筑倒塌，甚至没有造成外部非结构破坏，并且没有人员伤亡。从严格意义上说，结构
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