中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異的淺析

在工程設(shè)計(jì)及建設(shè)領(lǐng)域，現(xiàn)在國(guó)際市場(chǎng)上主要還是以美國(guó)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)為參考。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、抗震及構(gòu)件設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比闡述美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念和方法上的差異，增強(qiáng)對(duì)2種規(guī)范體系的認(rèn)識(shí)，方便進(jìn)行國(guó)際工程設(shè)計(jì)。

美標(biāo); 國(guó)標(biāo); 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 差異

TU318.4 A

［定稿日期］2022-03-11

［作者簡(jiǎn)介］葛小琿（1982—），男，碩士，高級(jí)工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)工作。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型以及“一帶一路”經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的落實(shí)，國(guó)內(nèi)的工程公司逐漸走出去，走向國(guó)際市場(chǎng)已經(jīng)成為了必然的趨勢(shì)。在工程設(shè)計(jì)及建設(shè)領(lǐng)域，現(xiàn)在國(guó)際市場(chǎng)上主要還是以美國(guó)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)為參考，但是國(guó)內(nèi)的工程公司絕大部分還是習(xí)慣采用中國(guó)規(guī)范。美國(guó)規(guī)范與中國(guó)規(guī)范在理念和具體標(biāo)準(zhǔn)上有很大的差別，美國(guó)規(guī)范以建議性的條款為主，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)，給予設(shè)計(jì)師較大的設(shè)計(jì)靈活度，中國(guó)規(guī)范則以限制性條款為主，相關(guān)參數(shù)限制比較嚴(yán)格，所以必須系統(tǒng)掌握美國(guó)規(guī)范的設(shè)計(jì)理念及具體要求才能真正與國(guó)際接軌，保護(hù)自身的利益。

美標(biāo)體系中關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要有幾種規(guī)范：IBC（國(guó)際建筑規(guī)范）、AISC360（鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范）、AISC314（鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范）、ASCE7（荷載規(guī)范）；中國(guó)規(guī)范體系主要為：GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。本文主要針對(duì)這幾種規(guī)范的內(nèi)容進(jìn)行探討。下文中“美國(guó)規(guī)范”用“美標(biāo)”簡(jiǎn)稱(chēng)，“中國(guó)規(guī)范”用“國(guó)標(biāo)”簡(jiǎn)稱(chēng)。

1 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析

穩(wěn)定理論是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的核心理論，美標(biāo)和國(guó)標(biāo)在鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析上都是基于穩(wěn)定理論的，但是兩者在表現(xiàn)形式上又有所不同。

二階效應(yīng)是穩(wěn)定性的根源［2］。P-Δ效應(yīng)是結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)；P-δ效應(yīng)是構(gòu)件撓曲效應(yīng)，一般會(huì)增加桿件中部彎矩，桿件端部彎矩增加較少。二階效應(yīng)的考慮國(guó)標(biāo)提供3種計(jì)算方法：一階彈性分析、二階P-Δ彈性分析及直接分析。

當(dāng)二階效應(yīng)系數(shù)不大于0.1時(shí)，可采用一階彈性分析。一階彈性分析相當(dāng)于美標(biāo)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法，是在設(shè)計(jì)階段考慮二階效應(yīng)。通過(guò)K值（構(gòu)件桿端約束系數(shù)）換算構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度，再查φ-λ表得到φ值，φ是按柱的最大強(qiáng)度理論用數(shù)值方法計(jì)算出大量的φ-λ曲線歸納確定的，考慮了構(gòu)件的初始缺陷、殘余應(yīng)力及初彎曲等因數(shù)。P-Δ效應(yīng)通過(guò)有側(cè)移框架和無(wú)側(cè)移框架表中μ的不同值來(lái)反映。美標(biāo)認(rèn)為，支撐框架如果柱子的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取值小于1，則必須專(zhuān)門(mén)計(jì)算約束柱端的框架梁的P-δ效應(yīng)，因此建議柱子的計(jì)算長(zhǎng)度最小取為1。

當(dāng)二階效應(yīng)系數(shù)為（0.1，0.25］時(shí)，可采二階P-Δ彈性分析或直接分析。國(guó)標(biāo)的二階彈性分析方法是在結(jié)構(gòu)分析階段考慮P-Δ效應(yīng)，在設(shè)計(jì)階段考慮構(gòu)件的P-δ。通過(guò)采用一個(gè)假定的水平力施加于結(jié)構(gòu)上，來(lái)反映整體結(jié)構(gòu)的初始缺陷。也可以按照近似的二階理論對(duì)一階彎矩進(jìn)行放大來(lái)考慮。P-δ效應(yīng)在構(gòu)件穩(wěn)定計(jì)算中通過(guò)穩(wěn)定系數(shù)來(lái)考慮，構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取為1。

當(dāng)二階效應(yīng)系數(shù)大于0.25時(shí)，應(yīng)增大結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度或采用直接分析法。直接分析法是在結(jié)構(gòu)分析階段考慮二階效應(yīng)。國(guó)標(biāo)要求建立帶缺陷的整體結(jié)構(gòu)模型并采用帶缺陷等的構(gòu)件單元，進(jìn)行全過(guò)程二階非線性彈塑性分析法分析，特殊情況下可以采用二階非線性彈性分析。

美標(biāo)的直接分析法是采用假想水平力（或模型缺陷）及結(jié)構(gòu)和構(gòu)件剛度折減的方式來(lái)反映二階效應(yīng)的，這時(shí)構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取為1。直接分析方法比長(zhǎng)度系數(shù)法對(duì)二階效應(yīng)的反映更敏感。

美標(biāo)另外提供了2種分析方法：一階彈性分析法，二階彈性分析法。一階彈性分析法僅通過(guò)附加水平力考慮了構(gòu)件的初始缺陷，沒(méi)有考慮二階效應(yīng)。用于側(cè)移較小，側(cè)向支撐能提供較大側(cè)向支撐力的結(jié)構(gòu)。二階分析方法實(shí)際上就是常說(shuō)的增大系數(shù)法。通過(guò)2個(gè)增大系數(shù)反映二階效應(yīng)， B1反映P-δ受壓構(gòu)件效應(yīng)，B2反映P-Δ整體效應(yīng)。

2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.1 軸心受壓構(gòu)件

美標(biāo)抗壓承載能力是根據(jù)彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲和彎扭屈曲中極限狀態(tài)的最小值來(lái)確定的，其中彎曲屈曲與中國(guó)規(guī)范類(lèi)似采用φ-λ曲線確定Fcr，扭轉(zhuǎn)屈曲和彎扭屈曲按穩(wěn)定理論計(jì)算Fcr。美標(biāo)根據(jù)受壓構(gòu)件板件的寬厚比將構(gòu)件截面分為細(xì)長(zhǎng)和非細(xì)長(zhǎng)截面，不同截面采用不同的計(jì)算公式。國(guó)標(biāo)是根據(jù)最大強(qiáng)度理論進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算后得到一個(gè)簡(jiǎn)化的φ-λ曲線來(lái)確定的，通過(guò)板件寬厚比等構(gòu)造要求來(lái)防止構(gòu)件局部失穩(wěn)，通過(guò)換算長(zhǎng)細(xì)比考慮構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)屈曲和彎曲屈曲。兩者的理論基礎(chǔ)都是穩(wěn)定理論，只是表現(xiàn)形式不同。

2.2 受彎構(gòu)件

國(guó)標(biāo)通過(guò)考慮部分塑性發(fā)展的強(qiáng)度公式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，通過(guò)φb進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算（考慮了部分塑性發(fā)展）。對(duì)于局部穩(wěn)定，國(guó)標(biāo)主要對(duì)腹板的穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算要求，翼緣穩(wěn)定主要是通過(guò)構(gòu)造措施來(lái)保證的，采用有效翼緣外伸寬度。

美標(biāo)將受彎構(gòu)件分為緊湊型截面、非緊湊型截面和細(xì)長(zhǎng)截面。緊湊型截面可以進(jìn)入全截面塑性狀態(tài)且之前不會(huì)發(fā)生局部屈曲，因此截面的強(qiáng)度計(jì)算采用塑性抗彎承載能力。非緊湊型截面僅部分截面進(jìn)入塑性階段，因此采用塑性抗彎承載力并做適當(dāng)?shù)恼蹨p。非對(duì)稱(chēng)截面（除角鋼外）及細(xì)長(zhǎng)型截面一般不會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)，因此采用彈性承載能力。構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)不同的無(wú)支撐長(zhǎng)細(xì)比、不同截面類(lèi)型以及是否進(jìn)入塑性階段采用了不同的計(jì)算公式。

2.3 抗剪承載力

國(guó)標(biāo)采用了材料力學(xué)中關(guān)于截面剪應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)公式。而美標(biāo)采用了標(biāo)準(zhǔn)公式的簡(jiǎn)化公式，通過(guò)截面的最大剪應(yīng)力反算出截面的抗剪承載能力。

2.4 拉彎及壓彎構(gòu)件

美標(biāo)中構(gòu)件的允許承載能力是包含了強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算的，所以在拉壓彎構(gòu)件計(jì)算中采用的允許承載力是強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算中的較小值，所以在這節(jié)中就不再進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的穩(wěn)定計(jì)算了。

國(guó)標(biāo)在計(jì)算拉彎和壓彎構(gòu)件時(shí)是將強(qiáng)度和穩(wěn)定分開(kāi)計(jì)算、比較的。因此在受彎計(jì)算，壓彎及拉彎計(jì)算中都會(huì)分別出現(xiàn)強(qiáng)度和穩(wěn)定的公式。

2.5 抗扭計(jì)算

國(guó)標(biāo)原則上是從構(gòu)造要求出發(fā)，不允許鋼構(gòu)件承受較大的扭力（特別是開(kāi)口構(gòu)件），當(dāng)構(gòu)件承受的扭力小于構(gòu)件扭轉(zhuǎn)承載能力的20%時(shí)，扭力可以忽略。因此國(guó)標(biāo)沒(méi)有給出具體的抗扭公式。

美標(biāo)給出了閉口截面的純扭及彎剪扭的計(jì)算公式，對(duì)于開(kāi)口截面的構(gòu)件，美標(biāo)認(rèn)為對(duì)于穩(wěn)定計(jì)算必須進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析才行。

2.6 組合截面

國(guó)標(biāo)實(shí)際上采用了簡(jiǎn)單塑性應(yīng)力分布理論進(jìn)行組合梁受彎構(gòu)件的計(jì)算，假設(shè)混凝土和鋼梁均為均勻受力。計(jì)算負(fù)彎矩時(shí)，國(guó)標(biāo)考慮了板內(nèi)鋼筋的作用，計(jì)算正彎矩時(shí)不考慮受壓鋼筋的作用。對(duì)于鋼骨混凝土構(gòu)件采用應(yīng)變協(xié)調(diào)法進(jìn)行彈性分析得到承載力。對(duì)于鋼管混凝土構(gòu)件采用簡(jiǎn)單塑性應(yīng)力分布理論進(jìn)行分析。

美標(biāo)計(jì)算組合梁受彎時(shí)采用塑性應(yīng)力分布法計(jì)算，計(jì)算鋼骨混凝土構(gòu)件受彎時(shí)可采用塑性應(yīng)力分布法或應(yīng)變協(xié)調(diào)法以及彈性應(yīng)力疊加法，鋼管混凝土構(gòu)件受彎采用塑性應(yīng)力分布法（對(duì)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件采用線彈性理論）。計(jì)算負(fù)彎矩時(shí)美標(biāo)僅考慮鋼梁的作用。

3 抗震設(shè)計(jì)

從建筑抗震的理論來(lái)看，抗震無(wú)非是在2個(gè)方面做工作：①通過(guò)構(gòu)件承載能力直接抵抗地震作用;②通過(guò)構(gòu)件屈服耗能，消耗地震能量。前者體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的抗震承載能力上，后者體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的延性性能上。目前世界各國(guó)建筑的抗震都是上訴2個(gè)方法的結(jié)合，只是各有側(cè)重。當(dāng)結(jié)構(gòu)的抗震承載能力較高時(shí)，其延性要求就可以較低；當(dāng)結(jié)構(gòu)的抗震承載能力較低時(shí)，其延性要求就較高。

IBC地震運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)值定義為可遇最大地震運(yùn)動(dòng)加速度（50年超越概率為2%）的2/3。地震運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)值相當(dāng)于大震加速度的2/3。美標(biāo)通過(guò)R的取值和抗震構(gòu)造措施來(lái)調(diào)整承載能力和延性要求。美標(biāo)鋼結(jié)構(gòu)抗震根據(jù)結(jié)構(gòu)的延性分成了3個(gè)類(lèi)別：特殊抗震結(jié)構(gòu)體系、中等抗震結(jié)構(gòu)體系、普通抗震結(jié)構(gòu)體系。特殊抗震結(jié)構(gòu)體系的延性要求最高，R的取值也最高。普通抗震結(jié)構(gòu)體系的延性要求最低，R的取值也最低。R的取值要求在IBC中有詳細(xì)的要求。當(dāng)R取值小于等于3時(shí)，結(jié)構(gòu)在抗震計(jì)算中采用了較大的地震作用力，因此可以不再考慮額外的抗震構(gòu)造措施。其實(shí)特殊抗震結(jié)構(gòu)體系和普通抗震結(jié)構(gòu)體系就是美標(biāo)抗震體系的2個(gè)端頭限值，設(shè)計(jì)師可以在這個(gè)范圍內(nèi)調(diào)整R值與延性的關(guān)系，以達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。

國(guó)標(biāo)地震運(yùn)動(dòng)加速度設(shè)計(jì)值實(shí)際上是小震的地震作用。50年超越概率為63%。相當(dāng)于大震地震作用的0.16～0.2［1］。在常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)標(biāo)小震地震作用相當(dāng)于美標(biāo)設(shè)計(jì)中R值為3時(shí)結(jié)構(gòu)所受的地震作用，R為3時(shí)美標(biāo)規(guī)定可不考慮抗震構(gòu)造措施，但國(guó)標(biāo)卻要求結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的延性性能，有明顯差異。國(guó)標(biāo)的小震設(shè)計(jì)其性能基本和GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄M中的性能4相當(dāng)，在此基礎(chǔ)上提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力，同時(shí)可以等幅降低結(jié)構(gòu)的延性要求。例如門(mén)式剛架是一個(gè)地震作用不起控制作用的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的抗震承載力遠(yuǎn)大于所需要的承載能力，因此GB 51022-2015《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》規(guī)范中對(duì)門(mén)式剛架主要構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比、寬厚比等延性要求是遠(yuǎn)低于GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)抗震等級(jí)為四級(jí)的普鋼結(jié)構(gòu)的要求的。在設(shè)計(jì)中可以根據(jù)情況，調(diào)整地震作用的大小與其他橫向荷載的關(guān)系，以達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性。GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)和延性特點(diǎn)進(jìn)一步進(jìn)行了細(xì)化，明確采用“高延性-低承載力”和“低延性-高承載能力”2種抗震設(shè)計(jì)思路?？拐鸪休d力性能等級(jí)從1～7，承載力依次降低，要求的構(gòu)件延性性能就越高。由于地震作用的不確定性，延性比承載能力更為重要，所以對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)和高烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)，宜采用“高延性-低承載力”的性能目標(biāo)；對(duì)于工業(yè)建筑，一般高度較低，豎向荷載較大，宜采用“低延性-高承載能力”的性能目標(biāo)，降低工程造價(jià)［2］。

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)建筑規(guī)范走過(guò)了照搬—借鑒—自行研究+借鑒的道路，已經(jīng)自成一套體系，某些地方也借鑒了其他一些國(guó)際規(guī)范。在美標(biāo)學(xué)習(xí)中不妨將美標(biāo)與國(guó)標(biāo)結(jié)合起來(lái)，在對(duì)比中學(xué)習(xí)。一方面可以加快學(xué)習(xí)的進(jìn)度，另一方面可以更深刻理解2種規(guī)范的體系及內(nèi)涵。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，我國(guó)市場(chǎng)逐漸從投資引入型向投資輸出型轉(zhuǎn)變，熟練掌握及運(yùn)用國(guó)際通行的建筑規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)將成為工程公司及各設(shè)計(jì)院無(wú)法回避的事情。

參考文獻(xiàn)

［1］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）： GB50011-2010［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2016.

［2］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50017-2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ［S］.北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2017.

［3］ INTERNATIONAL CODE COUNCIL. ISBN：978-1-58001-725-1.2009 INTERNATIONAL BUILDING CODE ［S］. PRINTED IN THE U.S.A . INTERNATIONAL CODE COUNCIL. 2009.

［4］ AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. ANSI/AISC360-10， SPECIFICATION FOR STRUCTURAL STEEL BUILDINGS ［S］. PRINTED IN THE U.S.A， THE AISC COMMITTEE ON SPECIFICATIONS. 2010.

［5］ AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. ANSI/AISC341-10 ，SEISMIC PROVISIONS FOR STRUCTURAL STEEL BUILDINGS ［S］. PRINTED IN THE U.S.A， THE AISC COMMITTEE ON SPECIFICATIONS. 2010.

［6］ AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. ASCE/SEI7-10 MINIMUM DESIGN LOADS FOR BUILDINGS AND OTHER STRUCTURES ［S］. PRINTED IN THE U.S.A， AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. 2010.