1      引言

工程结构材料的发展是工程结构技术和理论发展的基础。在目前和未来相当长时期内，土木工程结构的主要材料将仍然是混凝土和钢材。因此，高性能混凝土和高性能钢材是工程结构材料发展主要方向。

自从1824年英国人阿斯普丁（J.Aspdin）发明硅酸盐水泥，到1872年美国纽约建造第一座钢筋混凝土房屋，混凝土结构作为现代工程结构的主要形式距今仅130多年的历史。

虽然铁的出现可上溯到古代，但1859年贝塞麦转炉炼钢法出现至今也不到150年。1883年美国的W. B. Jenney在芝加哥建造了11层的钢结构住宅保险大楼和1889年法国巴黎的300m高艾菲尔铁塔，成为现代钢结构的标志。

众所周知，长期以来工程结构中使用的混凝土材料和钢材强度较低，并具有显著的弹塑性受力特征。基于这种工程材料的力学性能，在过去的100多年中，随着人们对工程结构材料弹塑性受力性能和结构弹塑性承载能力认识的不断深入，工程结构设计理论经历了从弹性容许应力法到目前的考虑弹塑性极限承载能力的基于可靠度理论的极限状态设计法的发展历程。应该说，目前的结构分析理论和设计方法已发展得十分成熟和完善。然而应该指出的是，目前的结构弹塑性分析理论和设计方法的发展是基于现有材料技术所能提供工程应用的低强度弹塑性材料性能基础上的，更应该注意到的是，结构材料进入塑性，意味着产生某种程度的损伤。事实上，这种因材料达到强度而进入弹塑性阶段所引起的损伤，在工程结构的正常使用阶段通常是不被接受的。因此，考虑材料弹塑性受力性能的结构设计理论和方法，实际上只是利用材料塑性阶段的变形能力和承载潜力作为工程结构在意外事件时的安全储备。

弹塑性结构分析理论和方法固然是先进的，但是是复杂的和困难的，也难以被工程技术人员所很好的理解和掌握。如前所说，弹塑性结构分析理论和方法、及其相应的结构设计理论和方法形成的背景是，在迄今为止的工程材料技术发展历史阶段，不能为大量土木工程结构提供价廉物美的高强度工程材料。由于工程结构弹塑性受力性能的复杂性，特别是对于可能遭遇如罕遇地震作用等意外事件情况的复杂工程结构，使得迄今为止也不能建立令人满意的工程结构抗震设计理论和方法。

随着工程结构材料技术的进步，目前高强高性能工程材料已经可以以合理的价格提供土木工程结构应用。然而，高强高性能工程材料的力学性能与传统混凝土和钢材的弹塑性性能有很大差别，其中一个重要的受力性能就是高强高性能工程材料的塑性变形能力较小，甚至是弹脆性的（如FRP材料）。已经熟悉结构弹塑性理论和方法的研究者们和工程技术人员，甚至不能接受这种塑性变形能力小的高强高性能材料作为工程结构材料，也就是说现有的基于弹塑性理论的设计方法和结构安全度理论，束缚了工程技术人员积极推进和推广高强高性能工程材料，成为高强高性能混凝土和高强高性能钢材工程应用的一个理论上的障碍，这实在是一种理论和技术的惯性阻力。也可以说，现有的基于弹塑性结构分析理论和设计方法已不适应现代高性能工程材料结构的发展了。

如果时间可以倒流，在100多年前的材料技术水平就能够为土木工程结构提供所需要的高强高性能工程结构材料，且这些材料的塑性变形能力很小，那么不知现在的工程结构分析理论、方法和设计理论是否还会涉及弹塑性？笔者认为，弹性理论和基于可靠度理论的容许承载力设计方法，这种简单而方便的方法，可能会成为工程结构设计的主要方法，尤其是工程结构的抗震设计方法就会变得更加简单（弹性反应谱方法就足够了）。

既然是这样一个结论，那么随着高强高性能材料的不断发展和应用，弹性理论和基于可靠度理论的容许承载力设计方法，就会成为未来先进的工程结构设计理论和方法。这不是历史的倒退，而是高强高性能工程材料技术的进步所带来的结构设计理论和方法的解放。

尽管如此，因为低强材料良好的塑性性能能够减小结构的动力响应，低强高性能材料在未来的工程结构中也有其特殊的作用，人们在弹塑性理论中所获得的结构知识依然具有重要意义。

本文首先介绍高强高性能混凝土和高强高性能钢材的发展现状，及其推进和推广应用高性能混凝土和高性能钢材的意义，并从结构体系角度阐述高强高性能混凝土材料和钢材的合理应用原理和方法，重点介绍高强配筋混凝土结构的受力性能和抗震性能，最后介绍可考虑不同受力性能的统一结构安全储备理论，并对结构设计分析理论的发展进行了论述。

2      高性能混凝土和高性能钢材的发展现状

2.1 高强高性能混凝土

1）高强和超高强混凝土

高强高性能混凝土具有强度高、弹性模量高、耐久性好、耐磨性强、抗渗性强、抗冻性好，并具有流动性好、可泵性好、低坍落度损失等良好的施工性能。推进和推广应用高强高性能混凝土，可减小结构构件尺寸，有效减轻构件和结构自重，对发展高耸结构、高层结构具有重要意义，并可显著提高混凝土结构的耐久性，具有长期的综合经济性^[1]。

目前我国一般将C50以上的混凝土称为高强混凝土，C80以上的混凝土称为超高强混凝土。

由于高强高性能混凝土所具有的优异的力学性能和良好综合性能，上世纪90年代，国外发达国家积极开展高强高性能混凝土的研究和应用。德国钢筋混凝土协会于1995年颁布的《高强混凝土指南》，最高强度达到了C115，是目前国际上强度等级最高的技术标准。挪威在高强混凝土方面也走在世界前列，于1995年颁布的《混凝土结构设计标准》（NS3473）中使用的混凝土最高达到了C105^[2]。在工程应用方面，1998年德国Rockkensnssra的Potash矿山使用了强度达105MPa的超高强混凝土^[2]。1998年挪威建成的世界上最深的钻井平台——挪威Troll平台使用立方体抗压强度超过100MPa的超高强混凝土^[3]。为了提高公路的耐磨性，北欧国家的许多高速公路也采用高强混凝土，抗压强度达到135MPa^[2]。在建筑工程中，加拿大1983年建造的特利亚La Lanretienne高层建筑，采用120MPa超高强混凝土；1989年美国西雅图太平洋第一中心使用了130MPa的混凝土。此外，超高强混凝土还运用于核电站冷却塔及安全壳、大跨桥梁、地下隧道等。国外使用超高强混凝土的典型工程如表1。

表1 国外高强及高强混凝土工程应用实例

表2 国内超高强混凝土工程应用实例

我国经过上世纪80到90年代的系统研究，C50以上的高强混凝土已得到推广应用，目前《混凝土结构设计规范GB50010-2002》中的混凝土强度等级标准已达到C80。此后，尽管对超高强混凝土也有所研究，但缺乏系统研究，特别是在结构性能方面的研究十分缺乏，在工程应用方面就更为少见（见表2），与国外发达国家存在一定差距。主要原因是，一方面可供实际工程应用的超高强混凝土商品化还有一定的技术困难，另一方面超高强混凝土的力学性能脆性显著，按传统设计方法，考虑脆性折减系数后，在承载力方面的优势不显著。但这些原因均忽略了超高强混凝土在耐久性方面优势。

目前，国内外的研究者已在实验室里研制出C150以上的混凝土，但是距离实际工程应用还需要做很多研究，包括材料层面的研究和结构层面的研究。尽管超高强混凝土具有高强度、高弹模、高耐久性和高耐磨性等综合优势，但其脆性特性成为阻遏其工程应用的一个力学缺陷。现有的基于弹塑性理论的设计方法和结构安全度理论，成为高强混凝土和高强钢材工程应用的一个理论上的障碍。不过值得指出的是，钢筋混凝土结构的延性不是取决于混凝土，而是主要取决于钢筋的配筋率和延性。而且，从结构方面也有很多方法可以克服和改善高强混凝土的脆性，如约束混凝土、钢管混凝土、钢纤维混凝土等。事实上从解决工程实际问题来说，超高强混凝土的应用不一定是要直接利用它的高强度，而更在于利用它的高弹模、高耐久性和高耐磨性。

2）纤维混凝土

其实，混凝土材料的最大缺陷是其抗拉强度与其抗压强度不对等，抗拉强度远小于抗压强度。在混凝土中参入各种纤维形成纤维混凝土，可显著提高混凝土的抗拉强度和受拉延性。纤维可以是金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维等^[4]。纤维增强复合材料可上溯到我国古代使用稻草来砌筑土墙。

与普通混凝土相比，纤维混凝土的抗拉强度、抗折强度、抗剪强度均有显著提高，但一般情况下纤维对抗压强度的提高有限。更重要的是纤维混凝土开裂后的变形性能明显改善，材料韧性明显提高，极限应变有所提高，受压破坏时基体裂而不碎，适合于抗冲击和抗爆工程。此外，纤维混凝土还具有抗疲劳性，在耐久性、耐磨性、耐腐蚀性、耐冲刷性、抗冻融和抗渗性方面都有不同程度的提高^[4]。

1979年美国学者研制出流动性砂浆渗浇钢纤维混凝土（SIFCON，Slurry Infiltrated Fiber Concrete ），抗压强度达到238MPa，抗拉强度达到38.5MPa，其受压韧性达到普通混凝土的60多倍，主要用于保险柜、现浇混凝土路面、防爆结构等。1986年，丹麦研制成功的一种中等含量钢纤维混凝土，其抗压强度达到220MPa，抗拉强度达到10MPa，锚固强度是普通混凝土的3.5倍左右^[5]。

我国近年来钢纤维混凝土的研究和应用已趋成熟，同时在钢纤维高强和超高强混凝土研究方面，1991年东南大学采用基体抗压强度80MPa混凝土，掺入体积率为2%的钢纤维，得到了抗压强度超过100MPa的超高强混凝土^[6]。同年，湖南大学研究出了抗压强度在200MPa以上的钢纤维超高强混凝土^[5]。

3）活性粉末混凝土RPC

上世纪90年代初，法国的Bouygues公司研制出一种超高强度、超高韧性和高耐久性的超高性能混凝土——活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete, 简称RPC）^[7]。RPC由级配良好的石英砂作骨料、水泥、硅灰、高效减水剂以及一定量的钢纤维（后来也有参其他纤维）等组成，因去除了大颗粒骨料，并增加了组分的细度和活性而得名。RPC分为RPC200和RPC800两个强度等级：RPC200的抗压强度达170～230MPa，需经90℃蒸气养护；RPC800的抗压强度可达500～800MPa，需经高温高压养护。RPC的密度大、空隙率低，抗渗能力强，耐久性显著提高，同时流动性大，比普通混凝土和现有高性能混凝土的性能有了质的飞跃。我国目前研制的RPC，抗压强度可达到140MPa。

RPC除具有超高强度和优异的耐久性外，还具有较高的韧性和良好的变形性能。以RPC200为例，抗压强度达到170MPa~230MPa，是高强混凝土的2~4倍。抗拉强度可以达到50MPa，是高强混凝土的5倍。抗折强度达到30~60MPa，是高强混凝土的6倍左右^[8]，其断裂韧性是普通混凝土的250倍（见图1）。

研究表明，RPC梁的抗弯强度与自重之比已接近钢梁，与高强钢绞线结合，加上所具有的良好的耐火性和耐腐蚀性，综合结构性能已可超过钢结构。图2为美国、加拿大、瑞士、法国共同开发建成的连接加拿大魁北克和美国的RPC桁架步行桥，采用RPC200预制构件，跨度达60m，结构非常轻盈。构件尺寸与钢桥几乎相同。

图1 RPC混凝土的韧性与其他材料的对比          图2 用RPC建造的人行桥

4）工程化的纤维增强水泥基复合材料

由于粗骨料与水泥砂浆界面是混凝土中的最薄弱环节，因此近年来美国Michigan大学采用高性能纤维增强水泥砂浆，研制出一种工程化的纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites, 简称ECC）。其生产工艺类似与纤维混凝土，但不使用粗骨料，纤维体积含量一般不超过2%。由于ECC是基于细观层面的纤维增强机理，采用的是极细的高性能乙烯（PVA）纤维和聚乙烯（PE）纤维，基于材料细观力学设计理论和技术增强水泥砂浆，因此极大的改善了拉伸延性，甚至有类似金属材料的拉伸强化现象（见图3），其极限拉伸应变可达5～6％，与钢材的塑性变形能力几乎相近，是具有象金属一样变形的混凝土材料（见图4），这是由于高性能纤维使得裂缝分散及其细密，裂缝宽度仅200mm，并不会因这些细小的裂缝而影响其承载能力，在很大的变形下，外观损伤很小（见图5）^[9]。由于缺少粗骨料，ECC的抗压强度类似于混凝土，抗压弹性模量较低，但受压变形能力比普通混凝土大很多（见图6）。此外，ECC的耐火性和耐久性也被证明超过普通混凝土。

图7 S梁-RC柱节点与S梁-ECC柱节点抗震性能的对比

图8 反复荷载作用下普通RC构件与配筋ECC构件受力性能的对比

可以认为ECC是一种具有高韧性的延性混凝土，具有很大的吸收能量的能力，因此ECC可以显著改善混凝土结构的抗震性能和抗剪性能，可用于抗震结构、抗冲击结构、结构裂缝控制和耐损伤工程结构^[10]。ECC可用于结构中受力复杂的部位，如图7的S梁-混凝土柱节点，采用ECC后，其点抗震性能得到显著改善^[11]。由于ECC具有与钢材基本一致的变形能力，ECC可用于混凝土结构中一些塑性变形较大的构件和部位，如在塑性铰区采用ECC，可在很大的塑性变形阶段保持塑性铰的完整性，使塑性铰具有更稳定塑性滞回耗能能力。图8是普通钢筋混凝土受弯构件和仅配纵筋ECC构件（无箍筋）在反复荷载下受力性能的对比，可见配筋ECC构件的塑性铰区在发生很大的塑性变形情况下仍保持较好的完整性，并具有稳定的滞回性能和滞回耗能能力，承载力退化小，且外观损伤很小^[12]。这种“低损伤性”特别有助于抗震结构，使得结构能够在大地震的反复作用下也不遭受严重损伤，震后结构可免于修复或减少修复。日本首先将ECC用于高层建筑联肢剪力墙的连梁，利用其在大变形下和剪力作用下良好的耗能性能作为结构中耗能构件，减小大震下结构地震响应，提高结构的抗震性能，并可使得结构震后实现免修复（见图9）。

(a) 反复荷载下RC连梁与ECC连梁受力性能的对比

ECC连梁

伸臂梁

核心筒

边框柱

(b) ECC预制连梁及应用

图9 日本ECC连梁的研究、应用与施工

2.2 高性能钢材和钢筋

1）高性能钢材

目前，高强高性能钢材的发展趋势主要有（图10）^[13，14]：

(1)      高强度等级钢材和超厚板钢材，以满足建筑高层化和大跨距的发展需求；

(2)      低屈强比钢和极低强度钢，以提高结构的抗震性能；

(3)      高效焊接钢，提高钢材焊接性能，尤其是提高大厚度钢板的焊接性能；

(4)      耐火结构钢，可节省钢结构耐火被覆成本，提高钢结构抗火性能；

(5)      耐候钢，提高钢结构的防腐涂装和耐久性能。

图10 高性能钢材的发展

随着建筑结构的高层化和大跨距的发展，高强度和大厚度钢板成为高性能钢材的首先发展目标。国外目前主要使用490MPa级和590MPa级钢材，780MPa级钢材也正在积极推广使用。与此同时，厚度超过40mm时也能保证钢材力学性能、并具有良好焊接性能的建筑用特厚钢板和特厚H型钢也已研制成功，钢板厚度达90~100mm，H型钢翼缘厚度达70~90mm。国外高强高性能钢材的性能见表3。

我国现行的标准《低合金高强度结构钢》(GB1591-94)有5个强度等级，即Q295、Q345、Q390、Q420、Q460，目前的主要建筑用钢为Q235和Q345(相当于490MPa级)。

除高强度和大厚度钢材外，高性能钢材还体现在：低屈强比、低强度高延性、高焊接性能、耐火性能、耐候性能，其中与结构受力性能有关的是低屈强比钢材和低强度高延性钢材。

屈强比是指钢材屈服强度与抗拉强度的比值。若近似认为地震作用下框架梁承受等梯度弯矩作用，则屈强比越小，梁端达到抗拉强度极限时，梁端进入屈服的塑性铰区长度就越大，结构的塑性耗能能力就越强。因此，低屈强比钢材能更好的发挥钢材的塑性变形耗能能力，提高结构的抗震安全性。目前，日本已开发出屈强比小于0.8的590MPa和780MPa的高强厚钢板（80～100mm）（见表3）^[13]。为充分保证结构实现预期屈服机制，满足抗震结构在预期塑性铰区的耗能能力，在满足低屈强比条件下，屈服强度的变异性（窄屈服点）也是一个重要的方面，这需要对钢材原材料和生产工艺的严格控制^[15,16]。

在追求高强度钢材的同时，作为专门耗能用的极低屈服强度高延性钢材也在日本研制成功，其屈服强度约100MPa，而延伸率可达到50~60%，其屈强比仅为0.45~0.55（见表4）^[13]。这种钢材用于制作专门的滞迟型耗能阻尼器（见图11）。

除上述在力学性能方面所具有的各种高性能钢材外，为提高钢结构的防火性能和耐腐蚀性能，20世纪80年代日本通过在钢中添加微量的Ｃr、Ｍo、Nb等合金元素开发出了强度达390～490MPa的耐火耐候钢。这种钢材在600℃高温下一定时间内(通常为1～3小时)，其高温屈服强度为常温标准值的2/3以上；而在常温下，其各种性能与普通焊接结构钢相同，无论加工或焊割，还是在服役使用中表面擦撞或火灾后，其耐火耐候性不变。我国也研制出低屈强比高强度建筑用耐火钢，室温屈服强度达到490MPa，屈强比0.76，延伸率大于17％；600℃温度时屈服强度达到367.9MPa，大于2/3室温屈服强度^[17]。

表3 建筑用高强度钢的力学性能

表4 低屈服强度和极低屈服强度钢的力学性能

图11 极低屈服强度高延性钢材耗能阻尼器

2）高性能钢筋

目前，国际上200、300级钢筋已基本淘汰，400级钢筋成为普遍应用的品种，而发达国家钢筋的强度已达到500级或更高。同时，对钢筋的延性也提出分级要求，均匀伸长率(d_gt)一般要求不小于5%（强屈比不小于1.08），抗震要求不小于7％（强屈比不小于1.15，也不大于1.35），最低限度为2.5%（强屈比不小于1.05）。预应力配筋则全部采用中高强钢丝钢绞线，并向高强(1860MPa)、低松驰(25%)方向发展。

我国上世纪五、六十年代使用低碳钢筋(HPB235)；七十年代通过低合金化(20MnSi)使强度提高40%(HRB335)；八十年代进一步微合金化(20MnSiV)强度又提高20%(HRB400)。目前，强度再提高25%的HRB500级钢筋已具备生产能力^[18,19]。

低强度钢筋不仅导致配筋密集(例如在节点处)，难以浇筑混凝土，而且导致安全度水平也难以进一步提高。实际上，随着强度的提高，钢筋的强度价格比逐渐提高，低强钢筋的经济效益反而最差。尽管在混凝土梁中应用高强钢筋，会因为裂缝和变形控制要求使得强度不能得到充分利用，但承载力储备却大为提高^[20]。事实上，目前在工程应用中已经注意到，在同样的荷载水平下，其实混凝土梁的裂缝宽度并没有试验梁中裂缝宽度大，这是由于实际工程中混凝土梁两端还受到结构中其他构件的约束。从本文后面给出的关于结构体系中高性能材料的应用原理角度，框架梁中宜采用普通低强钢筋，使用高强钢筋主要是为了减少配筋密集程度（但还是需要配置一定的普通钢筋），且对于简支梁可提高其承载力安全储备程度。另一方面，在混凝土柱中应用高强钢筋，将可显著提高柱端塑性铰屈服转角，从而有利于避免形成柱铰屈服破坏机构，这一问题将在本文第4部分专门介绍。

上世纪九十年代，我国采用国际标准开始生产高强钢丝和钢绞线，强度达到1570~ 1860MPa，2000MPa以上的预应力钢筋也已试制成功。这些高效预应力筋（如三股钢绞线、螺旋肋钢丝等）不仅高强，而且有相当好的延性（均匀伸长率d_gt大于4～5%）和锚固性能。其最明显的优势是高强度和高效率，强度价格比提高40%以上，而且不会发生脆性断裂破坏。表5和表6是我国目前钢筋和中高强钢丝、钢绞线的基本性能。

表5 热轧钢筋的基本性能

表6 中高强钢丝钢绞线的基本性能

2.3 高强高性能材料的应用与可持续发展

作为土木工程结构的主要材料，无论是钢材，还是混凝土，都是一种能源消耗性的材料，目前我国每年烧砖毁田8000平方公里、1吨钢铁消耗标准煤1.66t；水48.6m³、1吨水泥消耗标准煤178kg；同时放出约1吨二氧化碳，消耗了大量自然资源，并在相当程度上污染了环境，对环境生态造成一定影响。此外，因达到耐久性极限或不能继续使用等原因，工程结构拆除也会造成大量的固体废弃物。在这样的背景下，从上世纪90年代开始，出于对有限资源的节约和对环境保护意识的不断增强，可持续发展成为政府的重要战略目标，并逐渐形成“可持续性工程”和“绿色工程”的概念。基于这一目标，有效降低资源和能源的消耗，提高我国工程结构的耐久性，节约工程结构材料的使用量，提高我国工程结构的安全水准，应积极推进和推广高强高性能材料的应用。

早期采用钢材和混凝土建造的许多工程项目，尤其是大型基础设施工程项目，由于各种原因出现了影响其耐久性和使用寿命的问题，大量的养护和加固费用支出使得人们认识到工程结构耐久性的重要性。同时，随着我国经济高速发展，大规模工程建设还将持续相当长的时间。由于所具有的独特性能和经济性，在未来相当长的时期内，混凝土和钢材将仍然是工程结构材料的主体。如果在这一时期不重视工程结构的耐久性和安全性，将在未来不长的时间内，因维修加固这些工程，也造成大量的资源消耗。

高强高性能混凝土不仅强度高，并具有耐久性好、抗渗性强、抗冻性好，与高性能钢材的有效结合，一方面可适应现代工程结构的向高层和大跨发展需要，减小结构构件尺寸，有效减轻构件或结构自重，不仅可以节约材料用量，减少资源消耗和材料生产过程中的污染物排放，更重要的是可显著提高混凝土结构的耐久性，延长工程结构使用寿命，其所带来的长期经济效益和可持续发展是难以用具体指标来衡量的。

如果能将我国混凝土结构的主导受力钢筋强度提高到400~500MPa（HRB400级和HRB500级），则可节约钢筋用量30%^[19]。

我国在第六个五年计划时已完成HRB400级钢筋的研制和生产，但至2002年，上述钢筋的用量仍不足10%^[19]。其原因，一方面有技术规范不配套的问题；另一方面有我国新技术推广应用体制方面的问题。还有一个问题就是，与高性能材料相适应的结构设计理论发展严重滞后，甚至一些观念还阻遏了高性能材料的推广应用。本文将针对这一问题进行讨论，并简要论述推广应用高强高性能材料的结构受力性能合理性和经济合理性。

3      结构体系与材料性能的利用

3.1 概述

随着高强高性能工程结构材料的发展，高性能材料的多样化，为发展各种高效新型结构体系提供了新的途径。

从结构整体角度来说，结构应满足以下性能目标要求：

(1)    正常使用情况下的适用性要求；

(2)    长期使用条件下的耐久性要求；

(3)    意外情况下的安全性要求；

(4)    意外事件后的低损伤性要求。

一般来说，按照规范正常设计的工程结构通常是能够满足在正常使用情况下安全性要求。而采用高性能耐久性材料，如高强混凝土和耐候钢，以及利用高强钢筋和高强混凝土形成的高效预应力技术，可以极大的提高结构的耐久性。本文不重点讨论这方面的材料利用问题，而是主要讨论高强高性能材料利用与意外事件下结构的安全性要求和低损伤性要求。

人们对工程结构安全性的要求，通常是要求在遭遇到意外事件时，不产生与其原因不相称的垮塌，或造成不可接受的重大人员伤亡和财产损失。而对工程结构低损伤性要求，则是希望在意外发生后，工程结构不需修复或快速修复后，可以继续使用。

意外事件，如罕遇地震、爆炸、冲击等，往往属于极小概率事件，其量值难以预计，作用方式和形式也具有很大的随机性和不确定性，因此不可能要求象对待一般正常使用荷载作用那样要求工程结构在意外事件发生时仍然无任何损坏，通常是容许结构产生一定程度的损坏，但不能导致垮塌。

另一方面，意外事件作用通常具有显著的动力特性。动力作用对结构影响的重要特性是，其作用量值与结构自身的动力特性有很大关系。结构在动力作用下的性能与静力作用（一般荷载作用通常属于静力荷载）下的性能有很大差别。静力作用量值通常不会随结构的性能变化而变化，因此结构设计时应主要控制其不超过结构的承载力（但需要一定的可靠度）。而动力作用效应的量值会由于结构进入塑性而显著减小。这种动力效应减小来之于两方面，一是结构进入塑性后导致结构的自振周期增大，二是塑性滞回所形成的耗能作用。

因此，结构的塑性是结构能够经受意外事件动力作用所应具备的重要特性要求。但这并不是说整个结构都要采用塑性材料。因为，塑性变形和塑性滞回耗能意味着结构构件的损伤，如果整个结构都进入塑性，即使能够避免意外事件作用下的倒塌，这与结构的“低损伤性”要求是不一致的。而不同的高性能工程结构材料在结构体系中的合理应用，则可以很好解决这个矛盾。

其实，由结构动力学原理可知，一个阻尼很大的弹性结构，其动力响应也很小。而弹性结构体只要不超过其材料强度极限，则不会产生损伤破坏。在动力作用下，材料进入塑性阶段所形成的滞回耗能等效于增大了结构的阻尼。因此在结构体系中，高强高性能材料和低强高性能材料的合理利用，就能够同时实现意外事件作用下的安全性和低损伤性要求。我们提出的结构体系中高强高性能材料的合理利用思想是：结构主体结构构件尽量采用高强高性能材料，使得在意外事件作用下不超过其屈服强度，从而不引起涉及到结构主体的损伤；结构次要结构构件尽量使用低强高性能材料，使得在意外事件作用下，一方面利用其进入塑性来改变结构的自振周期特性，另一方面利用其塑性滞回耗能减小意外事件的动力响应。尽管次要构件进入塑性阶段会造成一定程度的损伤，但这种损伤不会影响主体结构的安全性，且便于修复。以下将结合一些具体由于实例说结构体系于高性能材料的合理利用。

3.2 结构体系的层次性与高性能材料的利用

本文作者在文献[20]中指出，结构应具有层次性，这种层次性既可包含在结构体系中，也可包含在结构构件中。

结构体系的层次性，一是指多重结构体系，二是指结构中不同重要性构件的层次性。

多重结构体系具有两个以上的整体型子结构，当其中一个整体型子结构在意外事件作用下遭受一定程度破坏时，其它整体型子结构依然具备一定的承载能力，能够保持整个结构体系的整体稳定性。显然，不同子结构具有不同的重要性，并应具有不同的安全储备度。对于重要程度高的子结构应采用高强材料，而对于次要子结构则可采用普通材料、且要求具有足够的延性和滞回耗能能力。

如尼加拉瓜美洲银行大厦（见图12），采用筒中筒结构体系，其中核心筒又由四个小筒通过连梁连接构成，形成了多重结构体系。由于该结构具有很好的层次性，既保证整个结构在正常使用情况下具有良好的工作性能（风荷载下的舒适度），又在遭遇罕遇地震时利用连梁屈服后的塑性和滞回耗能性能减小地震动力响应，并形成良好的抗震耗能机制，大大减小了地震对主体结构的影响。前述日本将ECC高性能材料用于核心筒或剪力墙的连梁，就充分利用ECC良好的塑性变形能力和耗能能力进一步提高结构的抗震性能，并可使得连梁具有“低损伤性”，震后可免于维修。

图12 尼加拉瓜美洲银行大厦结构平面             图13 北京电视中心

又如北京电视中心（见图13），采用巨型框架结构体系，其抗震设防目标为：在多遇地震作用下，主框架和次框架都处于弹性状态；在中震作用下，构成巨型框架的桁架梁和巨型柱处于弹性状态，因此采用高性能钢材（Q345GJ），而附属次框架部分结构构件容许在中震下屈服；在罕遇地震作下，次框架首先屈服消耗地震能量，因此采用普通钢材（Q345）^[21]。

结构体系中，不同的构件，其重要性程度也是有层次性的。正确区分结构体系中的关键构件、一般构件和次要构件是保证结构在意外事件作用下具有足够安全性的前提。

所谓关键构件是指其破坏容易引起结构大范围的破坏或垮塌的构件。相对于关键构件，结构中的次要构件是指那些破坏后不会导致整个结构严重破坏的构件。次要构件的破坏甚至不会使得结构达到最大承载力或极限变形，或不会导致结构的承载力有很大降低，或者也不会使得结构形成几何可变体系。作为一种特殊的次要构件——赘余构件，将在后面专门讨论。除关键构件和次要构件以外，其它结构构件属于一般构件。一般构件的破坏对整体结构的承载力有一定影响，但不会导致整体结构的承载力产生急剧降低。通常，一定数量的一般构件破坏后才会导致整体结构的严重破坏。

明确结构体系中不同构件的重要性层次，合理采用相应的结构材料，可以使得结构整体具有更优异的结构性能。如，对于钢结构，可使用高强度钢（如490MPa、590MPa和780MPa钢，我国目前在建筑结构中尚无高强钢，但已推出Q235GJ、Q235GJZ和Q345GJ、Q345GJZ，比现有的Q235和Q345的设计强度要高）作为结构的关键构件（如前述图13的北京电视中心的巨型框架部分采用Q345GJ），使整个结构具有更高的承载力，在意外事件作用下具有较小的整体损伤，从而获得整体的合理经济性。对于一般构件，则可采用一般结构钢（如前述图13的北京电视中心的附属次框架部分采用Q345。笔者建议附属次框架梁可以采用Q235）。而作为结构中起耗能作用的次要构件（耗能构件）通常要求先于主体结构屈服（如连梁），可采用低屈服强度和高延性钢材，以保证结构在意外事件作用下塑性滞回耗能作用。

图14为本文作者参与设计的北京通用时代1#楼，四角采用钢支撑，是结构体系中的主子结构，其抗震设防目标要求在中震下基本处于弹性，但其中的支撑采用UBB耗能阻尼器，采用Q235钢材。

图14 北京通用时代1#楼              图15 高强钢绞线应力-应变关系

3.3 结构破坏模式与高性能材料的利用

结构在意外事件作用下的性能还在很大程度上依赖于结构的破坏模式。本文作者在文献[20]中指出，具有整体型破坏模式的结构体系对提高整体结构在意外事件作用下的抗损伤能力和抗倒塌能力才具有实际意义。具有整体型破坏模式的结构体系中，各种结构构件的层次性明确，即具有整体型关键构件、一般构件、次要构件和赘余构件，次要构件和赘余构件的破坏，乃至从结构去除，都不会对整体结构的安全性有重大影响。从结构在意外事件作用下的塑性滞回耗能（相当于结构的等效阻尼）角度来看，整体型破坏模式结构可以使得更多的次要构件或赘余构件进入塑性阶段，有利于更多耗散动力输入能量，减小意外事件作用所产生的不利响应。

以抗震结构为例来说，对于普通框架结构，尽管采取了“强柱弱梁”等抗震设计概念和措施，但柱底塑性铰是难以避免的，同时由于地震作用对结构影响的随机性，其它楼层框架柱上端出现塑性铰的可能性也难以避免，因此即使是按“强柱弱梁”设计的框架结构，也难以避免会出现局部型破坏模式，至少形成这种局部型破坏模式仍达到一定的概率^[22]。相比而言，剪力墙结构的破坏具有整体型破坏模式的特征，这是大量震害经验显示剪力墙结构抗震性能优于框架结构的重要原因之一，而两种结构关于地震作用大小的“刚柔”之争则相对是次要的。同样，筒体结构、束筒结构、巨型框架结构等也是具有整体型破坏模式特征的结构，且便于合理利用不同高性能材料，是值得发展的结构体系。

为了使得结构具有整体型破坏模式，可以将结构划分为不同的子结构。对于重要的子结构应优先采用高强高性能材料，以提高其承载力安全储备，并使得这些关键子结构对整体结构的破坏模式起到控制作用。如在北京通用时代1＃楼工程设计中（图14），笔者在四个角部桁架部分就采用高等级钢材、并提高安全等级的方法，以实现对结构破坏模式的整体控制。

应该指出的是，从结构体系整体角度，高强弹性材料对保证整体结构的承载力、低损伤性和可修复性具有重要意义，因为：

(1)      高强弹性材料强度高，结构构件尺寸小，自重轻，便于实现超高度和大跨度工程结构，也有利于较小地震等意外事件作用的动力响应；

(2)      高强弹性材料弹性范围大，在弹性范围无损伤，且具有良好的弹性回复能力，有利于结构在经受大变形后的复位；

(3)      高强弹性材料弹性变形能力大，尽管高强弹性材料在达到其极限强度时往往具有脆性破坏特征，但其相应的变形能力与低强材料的延性是相适应的（如由图15中高强钢绞线的实测应力应变关系可知，其极限延伸率已达到6％，而工程结构构件中普通钢筋的实际应变利用程度在3～5%），当在结构体系中高强高性能材料构件与低强高延性材料构件结合，有利于整个结构体系形成合理的损伤破坏机制，有利于减小和抵御意外事件的动力作用；

(4)      在正常使用阶段，高强弹性材料的应力水平通常远低于其强度，高强材料结构构件的承载力安全储备高。从安全储备理论来分析，对于意外事件的作用，承载力储备要比塑性变形能力储备更有意义。塑性变形能力储备的最重要功能是改变结构自身的动力特性和耗散动力输入能量，减小结构在意外事件作用下的动力响应，并使结构尽快停止振动。

因此，对于整个结构体系，利用高强高性能材料作为主体结构和关键构件，以保证整个结构的整体性和承载力，及其低损伤性；利用低强高延性材料作为次要构件和赘余构件，利用其塑性变形和滞回耗能能力，减小意外事件作用引起的结构动力响应，是合理利用高性能材料，形成高性能结构体系的重要方法和发展方向。

3.4 赘余构件与高性能材料的利用

尽量形成超静定结构，特别是利用赘余构件增加结构的超静定次数，是提高结构安全储备，增强结构抵御意外事件作用能力的重要的结构上的措施。

赘余构件是一种特殊的次要构件，在正常使用情况下通常不起承载作用或只起很小的作用。但赘余构件可增加结构的刚度，以满足结构指出使用情况下的适用性要求，如抵抗风荷载下引起的结构振动。在意外事件作用下，赘余构件的破坏、甚至退出（从结构中去除）不会影响整个结构的完整性。赘余构件可以看作是结构在遭遇意外事件作用时的自动保险，即以赘余构件的损伤和破坏来达到保全和避免主体结构的严重震害和破坏。虽然赘余构件的采用可能违背工程经济与简洁的概念，但作为一种特殊的结构安全储备措施，对于结构抵御不可预测的意外作用具有重要作用^[23]。许多消能减震结构，特别是采用位移型阻尼器的消能减震结构，位移型阻尼器实际上都是赘余构件。对于抵抗意外事件作用来说，合理设置赘余构件的概念，可能比计算设计更为重要。

根据上述赘余构件的功能，赘余构件应先于主体结构构件破坏，且赘余构件应具有足够的塑性变形能力，使得其破坏后仍可在一定程度上保持结构的整体性，并利用其塑性变形和滞回耗能能力来减小意外事件作用下的动力响应。由于要求赘余构件先于主体结构构件破坏，因此赘余构件的安全度不应提高，反而应该降低，这与前述不同重要程度构件层次性材料合理选择原则是类似的，即赘余构件应采用低强度高延性的高性能结构材料，但又可以采用一些更特殊的高性能材料，如：极低屈服强度钢材，就可以专门用于作为结构中的缀余构件；ECC材料也是作为混凝土结构中赘余构件的良好材料。如图16分别采用极低屈服强度钢材和ECC作为结构的位移型滞回耗能阻尼器，这些材料因与主体结构材料基本一致，不仅使得主体结构具有统一性，而且易于施工安装。日本也首先将极低屈服强度钢材用于无粘结耗能钢支撑（见图17）

为保证赘余构件能在预期的目标下屈服进入塑性阶段，其材料屈服强度的离散性必须得到控制，从而避免因不必要的材料强度偏大而导致赘余构件不能先于主体结构构件屈服。同时，赘余构件材料还必须具有很大的塑性变形能力和低周疲劳性能。这些都可以看作是对结构材料高性能的要求。

图16 低强度高延性采用作为结构中的赘余构件

图17 无粘结耗能钢支撑及其工程应用

3.5 结构构件性能与高性能材料的利用