淺談美國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周正為

摘 要：精研美國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，使用STAAD.Pro結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合具體項(xiàng)目，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；美國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

1 前言

在以往的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所研發(fā)的PKPM系列CAD軟件，包括SATWE計(jì)算軟件和PMCAD建模軟件，基本滿足所承擔(dān)的各類工業(yè)和民用建筑中各種規(guī)則和復(fù)雜類型的框架結(jié)構(gòu)、框排架結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、剪力墻、連續(xù)梁、拱形結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)等。但該軟件主要應(yīng)用于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)（國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率90%以上）。隨著近幾年海外市場(chǎng)的不斷拓展，同國(guó)際設(shè)計(jì)同行的交流不斷增多，以美國(guó)規(guī)范為例，PKPM的模型數(shù)據(jù)并不能按美標(biāo)檢驗(yàn)桿件，因此急需我們?cè)谠O(shè)計(jì)軟件等方面實(shí)現(xiàn)同步。STAAD.Pro是由美國(guó)世界著名的工程咨詢和CAD軟件開(kāi)發(fā)公司—REI（Research Engineering International）從上世紀(jì)七十年代開(kāi)始開(kāi)發(fā)的通用有限元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件，已經(jīng)在國(guó)際上普遍使用，本文通過(guò)國(guó)外和國(guó)內(nèi)兩個(gè)具體工程實(shí)例，比較美國(guó)規(guī)范和中國(guó)規(guī)范中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，為今后的海外項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 工程概述

國(guó)外項(xiàng)目為轉(zhuǎn)接機(jī)房，使用STAAD.Pro軟件按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，該構(gòu)筑物共兩層，平面尺寸為15m×12m，高度為15m；開(kāi)敞結(jié)構(gòu)，多層鋼結(jié)構(gòu)廠房。結(jié)構(gòu)按IBC2012設(shè)計(jì)。場(chǎng)地類別：SE類場(chǎng)地，重要性系數(shù)1.25；基本風(fēng)壓49m/s（3秒最大風(fēng)速），S1=0.186，Ss=0.426，

Fa=1.9368，F(xiàn)v=3.242，反應(yīng)修正系數(shù)（R值）x=2.5，z=2.5；

國(guó)內(nèi)項(xiàng)目同樣為轉(zhuǎn)接機(jī)房，使用PKPM進(jìn)行計(jì)算，平面尺寸為15.5m×13.5m，高度為14.6m，多層鋼結(jié)構(gòu)廠房。該項(xiàng)目的自然條件為抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組；基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，場(chǎng)地類別為三類，地面粗糙度為A類。該工程按照國(guó)標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在該種抗震設(shè)防烈度下，鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震等級(jí)為四級(jí)。

3 計(jì)算及對(duì)比分析

3.1 地震作用

（1）中國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范的設(shè)計(jì)思想為“三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)”，為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)采取的是“兩個(gè)階段設(shè)計(jì)步驟”。三個(gè)水準(zhǔn)為“小震不壞”、“中震可修”、“大震不倒”。兩個(gè)階段為，第一階段，按與基本烈度對(duì)應(yīng)的小震的地震動(dòng)參數(shù)，用彈性反應(yīng)譜方法計(jì)算結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的地震作用效應(yīng)，并進(jìn)行截面設(shè)計(jì)；第二階段，按與基本烈度對(duì)應(yīng)的罕遇地震進(jìn)行變形驗(yàn)算。也就是說(shuō)我國(guó)規(guī)范的地震作用采用低于設(shè)防烈度的多遇地震，要求建筑性能在多遇地震下，滿足承載力極限狀態(tài)要求和建筑的變形不超過(guò)規(guī)定的彈性變形限值，此時(shí)結(jié)構(gòu)的性能仍然處于彈性狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)入彈塑性階段，我國(guó)規(guī)范為完善第二水準(zhǔn)的抗震設(shè)防，增加保證各類構(gòu)件延性的規(guī)定和措施，同時(shí)也增加了結(jié)構(gòu)在“大震”下的變形能力。結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算詳見(jiàn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，這里就不再一一闡述。

（2）美標(biāo)IBC規(guī)范的計(jì)算方法是建立在單一水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)上的，這個(gè)設(shè)防目標(biāo)相當(dāng)于在地震罕遇烈度的水平上以保證人身安全為主。設(shè)計(jì)理論采用彈塑性反應(yīng)譜理論，在進(jìn)行地震作用計(jì)算時(shí)同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的塑性耗能要求，地震作用計(jì)算與抗震措施兩者緊密結(jié)合，在設(shè)計(jì)過(guò)程中同時(shí)控制地震作用與結(jié)構(gòu)塑性耗能能力，體現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)的雙重要求，設(shè)計(jì)地震作用采用的是折減地震作用。因?yàn)樵诤庇龅卣鹱饔孟?，結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入彈塑性階段，采用底部剪力法計(jì)算屬于按照彈性和靜力計(jì)算的方法進(jìn)行的，所以按照此方法計(jì)算的內(nèi)力進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)勢(shì)必比實(shí)際大很多，也不能反映結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，對(duì)地震能量耗散的有利影響。另外這樣做也很不經(jīng)濟(jì)，所以除以結(jié)構(gòu)系數(shù)R，以反映結(jié)構(gòu)本身的地震能量耗散能力，柔性結(jié)構(gòu)系數(shù)較大，對(duì)地震能量耗散的多，自身的內(nèi)力較小。比如普通鋼結(jié)構(gòu)剛架的R值為4，中性鋼結(jié)構(gòu)剛架的R值為6。

3.2 風(fēng)荷載作用

（1）中國(guó)現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》定義的基本風(fēng)壓為：根據(jù)全國(guó)歌氣象臺(tái)站歷年來(lái)的最大風(fēng)速記錄，按基本風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)要求，將不同風(fēng)儀高度和時(shí)次時(shí)距的年最大風(fēng)速，統(tǒng)一換算為離地10m高，地面粗糙度為B，自記10min平均年最大風(fēng)速（m/s）。根據(jù)該風(fēng)速數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析確定重現(xiàn)期為50年的最大風(fēng)速，作為當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)速νo；再按貝努力公式ω=ρνo2/2確定基本風(fēng)壓。也可統(tǒng)一按公式ω=νo2/1600（kN/㎡）計(jì)算。

中國(guó)風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值公式：Wk=βzμsμzW0。

（2）美國(guó)規(guī)范定義的基本風(fēng)速可以理解為：距地10m高，地面粗糙度為C（相當(dāng)于中國(guó)B類），3s陣風(fēng)風(fēng)速，無(wú)颶風(fēng)傾向地區(qū)重現(xiàn)期為50年，颶風(fēng)傾向的地區(qū)重現(xiàn)期為500年。

美國(guó)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓p（相當(dāng)于中國(guó)的ωz）公式：p=qGCp-qi（GCpi）（1b/ft2）（N/㎡），式中q為速度壓力（相當(dāng)于中國(guó)的μzW0），G為壓力系數(shù)（相當(dāng)于μs），Cp為陣風(fēng)影響系數(shù)（相當(dāng)于中國(guó)的βz），qi為速度壓力（內(nèi)部壓力測(cè)定），Cpi為陣風(fēng)效應(yīng)系數(shù)。

美標(biāo)速度壓力qz=0.00256KzKzlKdV2/I，公式中qz為高度Z處的速度壓力，Kd為風(fēng)方向性因素系數(shù)，Kzl為地形因素系數(shù)，Kz為速度壓力暴露系數(shù)（相當(dāng)于國(guó)標(biāo)的μz），V為基本風(fēng)速，I為重要性系數(shù)。

比較兩國(guó)的基本風(fēng)速定義可知，基本風(fēng)速定義中涉及離地高度、地面粗糙度、平均時(shí)距、重現(xiàn)期等因素。中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范基本風(fēng)速定義相同的部分是離地高度都是10m，重現(xiàn)期都是50年，而不同的部分是地面粗糙度、平均時(shí)距。所以兩國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載取值差異不在風(fēng)速與風(fēng)壓之間的關(guān)系，而是在風(fēng)速的定義和取值上。另外，兩種計(jì)算軟件對(duì)迎風(fēng)面積的取值也有差異。PKPM中通過(guò)定義體型系數(shù)來(lái)計(jì)算風(fēng)荷載，對(duì)于開(kāi)敞結(jié)構(gòu)，只能取桿件的迎風(fēng)面寬度和總迎風(fēng)面寬度的比值來(lái)近似定義體型系數(shù)；而STAAD.Pro可以精確的將風(fēng)荷載導(dǎo)荷到每一根桿件上，因此STAAD.Pro的計(jì)算結(jié)構(gòu)更為精確。由于本單體為開(kāi)敞結(jié)構(gòu)，故風(fēng)荷載不起控制作用，風(fēng)荷載對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小。

3.3 模型結(jié)果比較

國(guó)外項(xiàng)目所在地的自然條件轉(zhuǎn)化成中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于抗震設(shè)防烈度為8度，場(chǎng)地類別為四類場(chǎng)地，基本風(fēng)壓為0.75kN/m2，結(jié)構(gòu)體系采用美國(guó)規(guī)范規(guī)定下的OCBF體系。類比國(guó)內(nèi)工程所在地的抗震設(shè)防烈度為7.5度，場(chǎng)地類別為三類場(chǎng)地，基本風(fēng)壓為0.45 kN /m2，國(guó)內(nèi)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系采用中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)。

國(guó)外項(xiàng)目立方體用鋼量為26.5kG/m3，國(guó)內(nèi)項(xiàng)目的立方體用鋼量為28kG/m3。根據(jù)不同的自然條件可以得出，美國(guó)規(guī)范在高抗震設(shè)防烈度地區(qū)經(jīng)濟(jì)效果比較顯著，從桿件截面的大小上來(lái)說(shuō)比中國(guó)規(guī)范偏嚴(yán)格，但總的投資造價(jià)較低，分析原因?yàn)槊绹?guó)規(guī)范從實(shí)際受力狀態(tài)上去區(qū)分和計(jì)算抗震及抗風(fēng)性能等，而中國(guó)規(guī)范是從構(gòu)造上保證，但中國(guó)規(guī)范的構(gòu)造保證偏嚴(yán)格，從而造成在高抗震設(shè)防區(qū)計(jì)算偏保守，總體造價(jià)偏高。

根據(jù)兩個(gè)項(xiàng)目的對(duì)比，在自然條件大致相當(dāng)?shù)那闆r下，在高抗震設(shè)防烈度和高風(fēng)荷載作用區(qū)域，使用美國(guó)規(guī)范用鋼量節(jié)省大約在5%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

本文的結(jié)論主要是基于高抗震設(shè)防烈度和高風(fēng)荷載作用區(qū)域，在低抗震設(shè)防烈度和低風(fēng)荷載作用區(qū)域該結(jié)論是否適用還有待實(shí)際工程驗(yàn)證。美國(guó)規(guī)范和中國(guó)規(guī)范相關(guān)條文有很大差異，希望今后有更多的機(jī)會(huì)繼續(xù)總結(jié)規(guī)律，爭(zhēng)取對(duì)海外項(xiàng)目的承攬有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].