1 单模光纤的应用范围
SMF代表特殊抗弯框架。1994年的北岭地震和1995年的阪神地震表明，传统的梁柱连接在强震下，由于梁翼缘连接焊缝衬砌中形成人工接缝，易产生严重裂缝，裂缝延伸至梁柱截面深度。这种破坏形式在强震区钢框架梁柱连接中很常见。地震发生后，美国率先进行了广泛而深入的研究，日本随后也进行了大量的研究。最早提出的共同措施是考虑将塑性铰从柱面向外移动，以避免这种“乱象”。对于梁翼缘与柱连接处焊接衬砌的人工接缝，一般采用气刨或角焊缝封堵的方法消除；梁上下端焊接孔形式也进行了修改，以消除应力集中。我国《高层民用建筑钢结构技术规范》（JGJ 99-2015）对梁柱连接形式作了详细规定，借鉴美国、日本的经验，将强震区使用的塑性铰外移的特种弯曲框架（SMF）包括削弱型、盖型、翼型、局部加宽型等纳入本规范，以满足强震区钢框架梁柱连接的设计需要。但我国《抗震规范》（2010年版）并未规定强震区钢框架梁柱连接必须采用这些连接构造。高层钢结构规范的设计要求与抗震规范总体上是一致的，虽然也存在一些容易混淆、难以理解的地方，但强行要求设计单位采用SMF规定的结构形式，不方便。
根据美国钢结构协会（AISC）月刊《现代钢结构》2016年10月号报道，当房屋高度超过160ft. (48m)时，美国建筑规范并没有对在高地震区建造房屋时使用SMF系统做出硬性规定，可以选择其他结构系统。原文摘录如下，供参考：“在高地震区设计项目时，您是否考虑过使用特殊框架？SMF是美国建筑规范允许在高度超过160ft.的建筑中不受限制的少数选择系统之一。”从字面上看，上述文字应翻译为：“在高地震区设计项目时，是否应考虑使用特殊框架？当房屋高度超过160ft. (48m)时，美国建筑规范允许选择SMF，这是少数可以不受限制选择的系统之一。”这可能不是第一次公开发布此规定，只是我们之前没有注意到。
随着房屋高度的增加，结构的自振周期会增大，地震作用也会相应减小，这是可以理解的。对于位于强震区的房屋钢框架，当达到高度限制时，整个房屋的钢框架梁柱连接结构可以不采用SMF，这对于强震区的超高层钢结构房屋设计非常有意义。另一方面，当未达到此高度限制时，必须考虑塑性铰向外移动的结构。同文中附上了弱化连接的结构图来说明这一点。因为结构在受到强震时会发生非弹性变形，而弱化连接更适合提供这种变形，这可能是美国更愿意采用这种形式的原因。
新高速钢规范已经找到了美国、日本两次强震导致梁柱连接破坏的原因，并采取了针对性的措施，即使再次发生类似强震，破坏也不会那么严重，这是肯定的。不过，强震区内可能存在大量位于50m以下的房屋，值得引起重视。
此外，文件中还指出：“SMF还有其他重要优势：它可以用于建筑物内没有支撑或剪力墙的自由空间，或者支撑可以隐藏在周边，这也有利于改变室内布局或翻新房屋风格，因为它仍然不受支撑或剪力墙的干扰。”这一点，我们之前没有注意到，确实是一个重要优势。如果使用SMF，其功能可以在建筑布局中得到充分发挥。文章还提到，“近年来，许多高层建筑采用了双体系核心区结构，核心区采用支撑框架或剪力墙，周边采用SMF框架。如果SMF设计承受至少25%的水平力，房屋将不受强震区法规规定的任何高度限制，否则房屋高度不能超过240ft. (73m)。”这对于超高层钢结构住宅也值得参考。
2 SMF 新型梁柱连接
近两年，美国又研发出一种专门针对抗震的新型连接件。由Simpson Strong-Tie公司研发，结合该公司原有的“强框架屈服耗能结构保险丝”专利，是首款用于钢框架的半刚性连接件（Partial-Strength）钢结构周期折减系数，经质检合格后将用于特殊弯曲框架。这些致力于将抗震耗能理念应用于特殊弯曲框架的连接件，由于结合了多种不同技术，并采用现场螺栓连接弯曲连接，成为可快速拆卸更换的结构保险丝，在大地震发生后，可快速更换并恢复结构的完整性和承载能力。此项发明与该公司现有的专利一起被列为“特殊和中型弯曲框架质检认可的抗震连接件”（ANSI/AISC 358-16）标准。
新型连接不同于现行的SMF连接设计，梁、柱连接按照屈服铰而非梁本身的承载力进行设计。当连接所需的承载力和刚度确定后，梁、柱及节点域应力区应能发挥连接的全部非弹性承载力，而梁、柱构件本身受力很小。即使有受力，也要有非弹性性能要求，已知的条件是梁的强度应高于连接强度。该连接类别属于半刚性连接。
连接必须在考虑 LRFD 负载组合（不包括考虑过强的负载组合）的情况下保持弹性。与其他 SMF 连接一样，仍应执行规范规定的位移限制和底部剪切要求。但是，连接本身是半刚性的，使用这些连接的房屋应具有与其他 SMF 相同的最低横向承载力和刚度要求。设计和施工的完整要求可在 ANSI/AISC 359-16 第 12 章中找到（参见图 1）。
用于屈服耗能的T形件在梁的上下翼缘处与柱翼缘和梁翼缘连接，承受拉压。T形件的节段干部包含截面减小的截面，用于控制轴向刚度、屈服承载力和抗拉承载力。在屈服截面上设置屈曲抑制板，以防止受压时屈曲。屈曲抑制板与梁翼缘用螺栓连接，螺栓通过与T形件节段等厚的隔离板固定在梁翼缘上，在截面减小区域两侧用螺栓连接。梁的剪力通过隔离剪切板传递，该剪切板采用圆形螺栓孔与长圆孔组合，防止剪切板传递弯矩。
图 1 插图摘自 AISC 358-16
3 收集器术语解释
AISC多次更改抗震体系名称，原名称为抗震荷载体系，后改为抗震力体系（SFRS，我国俗称侧向力体系，至今仍可用SFRS表示，已被设计人员普遍接受，似乎更为简洁）。可包括以下构件：设计中作为隔板的钢屋架、弦梁、柱、桁架、集流梁、水平支撑框架和垂直框架（支撑框架或弯曲框架）。这些构件均要求在结构设计图的平面图和立面图中标注。
这里有个名词，就是Collector，翻译过来就是主梁，以前没见过，从字面意思看好像是集合的一种，第一次看到的时候搞不清楚它和一般的主梁Girder有什么区别。看了这篇文章之后才恍然大悟，原来是连接在支撑架端部截面上的梁，因为是连接在多根杆件的交叉点上，所以受力较大。从MSC的相关文章来看，比如在水平面较长的多层建筑中，外围框架的水平投影是分段的，端部受力比较复杂，采用支撑架体系，而相邻的直线段采用弯曲框架体系，这种情况多发生在两个体系的交界处。为了把这种梁和一般的梁区别开来，就用了Collector。英文名不难理解，但是中文版不解释它的意思，就很难理解。对于它所用的螺栓连接也有严格的要求。再比如，如果钢梁与可能成为抗侧力体系一部分的混凝土剪力墙相邻，钢构件与它们的连接也应是钢结构规范的一部分，也应按照钢结构规范的要求进行设计并在图纸上注明。如果图纸上没有正确表示，在任务的初始“信息查询”时就会提出。这是在最初了解钢结构项目的任务情况时需要注意的事情（如图2所示）。
图2 中心支撑抗弯框架的主梁与支撑跨度之间传递轴向力的主梁最为引人注目
（该面的螺栓连接应采用A级摩擦面和全预紧螺栓）
4 美国中度地震带房屋设计趋势
美国开展的大量抗震研究都集中在实现延性结构上。几十年来，人们一直认为，这种延性结构研究的成本会低于在强震区和中震区提高构件强度和结构的成本。然而，抗震的结构要求已越来越复杂。自1990年以来，人们发现在中震区，构件的延性结构设计成本太高，无法满足承载力要求。因此，采用R=3等钢结构设计规程（即考虑延性适当降低构件的承载力）可以在不采用延性结构的情况下减少地震力，这种做法得到了很大的发展。近十年来，人们已经意识到，如果在中震区沿用原来的设计思路，必须研究新的抗震方法。
过去的抗震研究是首先保证结构延性要求，其次才是成本。新的研究必须把降低成本放在第一位，同时保证中等延性。对中等延性体系的深刻理解是钢结构周期折减系数，体系必须具有后备承载力。
在中度地震区，储备能力的概念是设计师在处理复杂结构的坚固性时可以拥有的一种灵活性。低延展性的中心支撑框架构成了全国住房供应的很大一部分，由于它们的非弹性特性尚不清楚，当这些结构使用脆性支撑构件和连接以及重力框架时，可以通过支撑框架的节点板连接为系统提供延展性。最终，使用具有储备能力的弯曲框架来防止侧向倒塌，即使抗侧力系统受损也是如此。从这个意义上讲，延展性可以理解为中心支撑框架在保持略低的侧向能力的同时变形的能力。
从根本上讲，备份体系比主要抗侧力体系更具柔性，因为在抗侧力体系损坏后，其备份承载力仍然起作用。备份体系与主要抗侧力体系之间的刚度并不协调，区别仅在于备份承载力在概念上只是结构的冗余度，不如抗侧力体系大。虽然备份承载力在设计时难以量化，但根据钢结构R=3的规定，在低烈度和中震区具有隐含的抗倒塌能力，但由于其承载力性质尚不十分清楚，也可能有很大差异。目前对备份承载力的研究尚不深入，中震区的安全性和危险性程度尚不十分清楚。因此，明确备份承载力及其可持续性对于中震区的抗震设计和评估具有十分现实的现实意义。
这里需要解释一下美国关于简易房屋减少地震影响的规定。“在美国大部分地区，所有结构必须进行抗震设计，现行规定指出，这些设计考虑到了重现期为300至800年的大地震。在美国地震烈度较高的地区，禁止将结构设计为仅保持结构弹性（即抗风设计）”。
“因此，地震工程应考虑非弹性屈服而不影响垂直荷载的承载能力。为了允许非弹性变形的发生，使用线性分析计算的力应通过地震力减小系数 R 减小到设计地震力水平。”
“根据结构吸收非弹性力的方式不同，R系数有各种规定。R值越大，设计地震力越低，对结构的要求也越高，以保证结构能达到非弹性。构件和连接的截面越复杂，R系数越大。结构体系的形式也有限制。限制越多，R系数越大。”
以上描述摘自IBC的《金属建筑抗震设计导则》[5]。美国荷载规范ASCE 7列出了不同结构的R值以供参考。它规定，对于低、中震区的“普通组合钢混凝土支撑框架”，可采用R=3的简化设计方法，但对于强震区则不适用。文中提到的脆性是指将混凝土结构纳入规范。
系统储备能力设计原则可为中震区开辟新的设计可能性，并对强震区的结构评估和改造产生潜在影响。该原则首先涉及在达到最佳延性水平后降低建筑成本的问题。它还可能对发展中国家的设计产生影响，因为他们可能无力承担延性抗震结构的成本，或认为在一般项目中不可能实现。储备能力应被视为延性的一种补充。结构设计工程师应确定哪种设计原则和方法最适合给定的结构。以下是为此目的在美国进行的全尺寸试验。
2014 年夏秋，利哈伊大学大型结构实验室对两个中心支撑框架进行了全尺寸试验。试验由伊利诺伊大学和塔夫茨大学与蒙特利尔研究小组联合进行。研究对象为低延展性中心支撑框架。试验在由角撑板连接的圆管支撑上进行，还对具有不同储备能力的 3、6 和 9 层低延展性支撑框架建筑进行了试验。中心支撑框架 (OCBF) 设计为上部支撑为矩形管 HSS 6×6×3/8（b/t=14.2），下部支撑为矩形管 HSS 6×6×1/2（b/t=9.90）。利哈伊大学的测试包括 2 层、R=3 人字形支撑和分离式 X 形支撑（所用的人字形支撑在顶部有分离式对角杆；X 形支撑就像是上部 V 形和下部“人字形”的组合，在中间分离）。对于 R=3 的设计，上部支撑为矩形管 HSS8×8×5/16（b/t=24.5），下部支撑为矩形管 HSS×8×8×3/8（b/t=19.9）。
这些测试探索了低延展性支撑框架的后弹性行为，重点是了解脆性破坏机制。OCBF 的施工要求直接与 R=3 框架进行比较，并对人字形支撑和十字形支撑进行了比较。
总体而言，对中心支撑框架的屈曲试验取得了积极成果。OCBF 的设计符合中等延性构件宽厚比的要求，连接设计为可承受更大的地震力。在整个试验过程中，支撑没有出现局部屈曲，塑性铰分布稳定。中心支撑框架的层间位移超过了 1.5% 的限值，超强系数接近 3（根据美国抗震规范，所有抗弯框架都必须符合超强系数 3 的要求）。X 支撑的层间位移短暂地超过了 1.5% 的层间位移限值，但在 X 支撑连接处出现了两条裂缝，导致两层结构非常脆弱，几乎没有储备能力。对于按 R=3 设计的系统，上部支撑突然屈曲，局部屈曲较大。
试验研究了影响地震反应的两个基本参数：设计方法和结构形式。设计方法根据R系数减小内力，并有相应的结构和承载力设计要求。结构形式为人字形支撑和交叉X支撑（上部和中部分开）。两个试验清楚地表明，对于中等延性要求，OCBF结构优于R=3结构。中等延性水平是通过支撑的屈服和屈曲实现的。试验还表明，如果X支撑采用本次试验所示的双层结构，则容易倒塌。R=3体系及其使用的支撑表现出非常差的延性。
这两类OCBF的储备承载力取决于开裂后形成的单层或双层结构。十字X型支撑的脆弱性是显而易见的，但不能单凭试验结果就认定人字形支撑能支撑结构，因为人字形支撑只形成单层结构。设计人员还应了解柱子的方向、框架的形状、结构的不连续性以及柱子的拼接情况，因为这些也影响储备承载力的形成。
这两项试验为设计人员提供了不同的结构选择，这也与设计师在中震区面临的经济约束有关。框架的经济性体现在延性结构上，但与承载力设计过程并不严格相关。至于在大位移下抵抗倒塌的能力，两种体系很大程度上都依赖于其储备承载力，这与可能的后屈曲和后开裂机制有关。在中震区建造大量储备房屋必须考虑框架作用和其他可能的后屈曲和后开裂机制的影响。但对于重要结构或性能要求较高的结构，在认真考虑风与地震作用的关系后，还需要考虑哪种体系在成本较低的情况下具有更好的延性。这是工程上需要进一步考虑的问题。
参考
[1] Joe Dardis. 正确的时机[J]. 现代钢结构，2016(10).
[2] Steven Pryor. 专业抗震解决方案[J]. 现代钢结构，2016(2).
[3] Robert Whyte. 抗震连接设计、详图及制造[J]. 现代钢结构，2016(3).
[4] Eric Hines, Larry Fahnestock. 适度延展性[J]. 现代钢结构，2016(2)。
[5]金属房屋抗震设计导则[M].IBC.
