美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系簡介

劉文濤

中國石油管道局工程有限公司設(shè)計分公司

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的提出和實施，中國公司將參與越來越多的國際工程。美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范作為世界上通用規(guī)范之一，受到工程界的廣泛認(rèn)可，但美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系繁多，內(nèi)容龐大[1-2]，給國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員準(zhǔn)確掌握和靈活運用帶來一定困難。因此，了解美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)成，熟悉并掌握美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，成為國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員進(jìn)行涉外項目設(shè)計工作的首要前提。

1 美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系的構(gòu)成

美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系主要由三大部分構(gòu)成：源文件（Resource Document)、公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)（Consen‐sus Standard）、規(guī)范 （Model Code）[3]。源文件是美國工程協(xié)會和學(xué)會經(jīng)過長期的積累和發(fā)展制訂的組織和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，源文件可以來自協(xié)會正式出版的刊物、書籍，也可以是發(fā)布的文件、公告等。在應(yīng)用的基礎(chǔ)上，如果能夠達(dá)到一定的共識和公認(rèn)，源文件就可以上升成為公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)在經(jīng)過多年的應(yīng)用、整合、修正等不斷完善后，逐漸上升成為規(guī)范。規(guī)范的級別最高，認(rèn)可度最高，也就是我們平常所說的美國規(guī)范部分。公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)是對規(guī)范中結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工各個方面的具體說明，用于指導(dǎo)具體工程設(shè)計。源文件是對規(guī)范和公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定內(nèi)容的深層次解釋，闡述了規(guī)定內(nèi)容的原理、背景等，也包括各種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的最新研究成果[3]。

1.1 源文件

美國包括建筑結(jié)構(gòu)在內(nèi)的各個領(lǐng)域存在不同的協(xié)會和學(xué)會，各自有著豐富的行業(yè)經(jīng)驗和資源。源文件是這些工程學(xué)會根據(jù)研究成果、行業(yè)經(jīng)驗制訂的組織和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。源文件是規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，支撐起美國龐大的規(guī)范體系，使得美國在規(guī)范制訂上全球領(lǐng)先。在美國，主要的結(jié)構(gòu)工程協(xié)會有FE‐MA、NEHRP、ASCE、ASTM、ACI、AISC等，它們在不同的領(lǐng)域制訂了很多源文件，對現(xiàn)行美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系的構(gòu)成產(chǎn)生了重要影響。

FEMA （Federal Emergency Management Agen‐cy）即美國聯(lián)邦緊急救援署[4]，是聯(lián)邦層面最主要的突發(fā)事件管理機(jī)構(gòu)，是卡特總統(tǒng)在1979年為了將分散在不同部門的突發(fā)事件管理職能整合到一起而設(shè)立的。FEMA的主要工作是針對災(zāi)害發(fā)生的各個階段，包括災(zāi)害的防備與應(yīng)付、減輕災(zāi)害的影響、災(zāi)后的恢復(fù)等。FEMA下設(shè)3個研究協(xié)會：FHMP（Flood Hazard Mapping Program）、 NDSP（National Dam Safety Program）和NEHRP（National Earthquake Hazards Reduction Program）。

NEHRP即國家地震災(zāi)害減輕程序，成立于1978年6月。NEHRP在FEMA控制下，實現(xiàn)NIST(the National Institute of Standards and Technology)、NSF(theNationalScienceFoundation)、USGS(the United States Geological Survey)與FEMA的協(xié)同合作。自1985年，NEHRP規(guī)定每3年更新1次，主要任務(wù)是改善對災(zāi)害的了解、描述和預(yù)測，完善建筑法規(guī)和土地利用計劃，提高設(shè)計和建造技術(shù)，促進(jìn)研究成果的應(yīng)用。

ASCE（American Society of Civil Engineers） 即美國土木工程學(xué)會，成立于1852年11月5日，是美國歷史上最悠久的工程學(xué)會。ASCE也是全球最大的土木工程出版機(jī)構(gòu)，覆蓋了包括工程力學(xué)、水力學(xué)、基礎(chǔ)設(shè)施等土木工程專業(yè)的所有學(xué)科領(lǐng)域。每年有5萬多頁的出版物面世，約有30種技術(shù)和專業(yè)期刊，以及各種圖書、回憶錄、委員會報告、實踐手冊、標(biāo)準(zhǔn)和專論等，為美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)提供了大量的源文件。

ACI（American Concrete Institute）即美國混凝土協(xié)會，成立于1904年。它擁有30 000多名會員，分布在30多個國家的93個分會，制訂了400多個有關(guān)混凝土的技術(shù)文件、報告、指南、規(guī)格和規(guī)范，致力于混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工、保養(yǎng)技術(shù)研究，傳播相關(guān)領(lǐng)域的信息。

ASTM（American Society for Testing and Mate‐rials）即美國材料與試驗協(xié)會，成立于1898年，是美國歷史最悠久、規(guī)模最大的非盈利性的標(biāo)準(zhǔn)學(xué)術(shù)團(tuán)體之一，也是世界上最大的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展與傳遞系統(tǒng)之一。ASTM共有138個技術(shù)委員會，制訂了超過15 000項的ASTM標(biāo)準(zhǔn)，包括技術(shù)規(guī)范（Technical Specification）、指南（Guidance）、分類法（Classi‐fication）、標(biāo)準(zhǔn)慣例 （Standard Practice）、術(shù)語（Terminology）、 定 義 （Definition）、 試 驗 報 告（Test Report）及試驗方法（Test Method）。ASTM在美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI中占有重要位置，現(xiàn)行ANSI美國國家標(biāo)準(zhǔn)中約有半數(shù)來自ASTM標(biāo)準(zhǔn)。ASTM學(xué)會的工作中心不僅僅是研究和制定材料規(guī)范和試驗方法標(biāo)準(zhǔn)，還包括制定各種材料、產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)項目的特點和性能標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)有關(guān)知識的發(fā)展和推廣。

AISC （American Institute of Steel Construction）即美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會，成立于1921年，是一家非營利的技術(shù)學(xué)會和貿(mào)易協(xié)會，在建筑工程界享有比較高的聲譽，是世界上最具權(quán)威的鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會之一。AISC還下設(shè)一個NSBA（National Steel Bridge Alli‐ance），即美國鋼結(jié)構(gòu)橋梁聯(lián)合會，專注于鋼結(jié)構(gòu)橋梁方面的研究和服務(wù)，統(tǒng)一鋼結(jié)構(gòu)橋梁的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展。

以上簡述了眾多結(jié)構(gòu)工程協(xié)會中的幾個，美國結(jié)構(gòu)工程協(xié)會還有很多，如ATC（Applied Tech‐nology Council）、ICC（The International Code Coun‐cil）、AWS（American Welding Society）等，表1列出了部分協(xié)會制定的部分源文件[5-6]。這些源文件支撐起了美國龐大的規(guī)范體系，為美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了基礎(chǔ)。

1.2 公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)

源文件在應(yīng)用的基礎(chǔ)上，如果能夠達(dá)到一定的共識和公認(rèn)，則上升成為公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)是對結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工的各個方面的具體說明，用于指導(dǎo)具體的工程設(shè)計工作。

公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)可以由單一源文件直接構(gòu)成，如表1的ASCE 7《建筑結(jié)構(gòu)最小設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)》，對結(jié)構(gòu)設(shè)計中的最小荷載取值、荷載組合等與荷載相關(guān)的要求做了詳盡規(guī)定；而ACI 318《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》則是對混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工的最低要求。公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)也可以由多個源文件構(gòu)成，如Build‐ing Code Requirements and Specification for Masonry Structures and Companion Commentaries（砌體結(jié)構(gòu)和建筑規(guī)范要求和規(guī)范），其由ACI 530、ASCE 5和TMS 402三個源文件組成。

公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)是在整合了眾多成熟的源文件的基礎(chǔ)上形成的，用于指導(dǎo)具體的工程設(shè)計工作。

表1 部分源文件Tab.1 Part of resource document

1.3 規(guī)范

規(guī)范是在整合了眾多成熟的源文件和公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上形成的。1994年以前美國主要規(guī)范由UBC（Uniform Building Code)《統(tǒng)一建筑規(guī)范》、NBC(The BOCA National Building Code)《國家建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范》和SBC（Standard Building Code）《標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范》構(gòu)成。但這三本規(guī)范存在地域局限性，UBC主要用于美國西部各州，而NBC和SBC分別用于東北部和東南部，這給設(shè)計師對規(guī)范的理解、掌握和應(yīng)用帶來較大困擾。

為了使UBC、NBC和SBC三本規(guī)范統(tǒng)一協(xié)調(diào)，1994年三本規(guī)范的編制機(jī)構(gòu)成立了國際規(guī)范協(xié)會ICC（International Code Council），并于1997年發(fā)布了新版規(guī)范的草案NEHRP Provision。在NEHRP Provision的基礎(chǔ)上，經(jīng)過討論修訂，ICC于2000年發(fā)布了IBC（International Building Code）規(guī)范，取代了UBC、SBC和NBC規(guī)范，從而使美國的結(jié)構(gòu)規(guī)范達(dá)到統(tǒng)一。IBC規(guī)范沒有重復(fù)各專門規(guī)范的具體內(nèi)容，而是作為一個規(guī)范門戶，由它通向各個專門規(guī)范。IBC每3年修訂1次，目前最新版為IBC 2015。另外，在抗火設(shè)計方面，美國國家抗火協(xié)會NFPA（National Fire Protection Association）在2002年出版了完整的建筑結(jié)構(gòu)抗火規(guī)范大全NFPA 5000，它早于2003年出版的IBC（第二版）；因此，IBC規(guī)范不包括抗火方面的內(nèi)容。

綜上所述，現(xiàn)行美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范主要有IBC和NFPA 5000兩套規(guī)范。

2 美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)抗震體系

抗震設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分。本節(jié)以結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計為例，闡述了如何運用美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[7]。

圖1為利用美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計的基本流程圖[8]，且圖中每一項都給出了對應(yīng)的不同層次規(guī)范間的索引關(guān)系。由圖1可知，IBC規(guī)范在抗震方面主要引用了ASCE 7的規(guī)定。ASCE 7是針對各種結(jié)構(gòu)體系的總規(guī)范，規(guī)定了設(shè)防目標(biāo)、場地特性、設(shè)計地震作用、地震響應(yīng)計算方法、結(jié)構(gòu)體系與概念設(shè)計等普通適用的內(nèi)容；而對于具體的構(gòu)件性能需求以及構(gòu)件和連接節(jié)點的詳細(xì)設(shè)計內(nèi)容，ASCE 7則援引其他專門的規(guī)范，如混凝土應(yīng)滿足ACI 318的要求，鋼結(jié)構(gòu)則應(yīng)符合ANSI/AISC 341的要求。

因此，工程設(shè)計人員利用現(xiàn)行美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計可以直接按照ASCE 7的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算分析，并參考如ACI 318等其他具體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定來完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖1 美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)計基本流程Fig.1 Basic process of seismic design in American code

3 結(jié)論

通過對美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系構(gòu)成的介紹以及對利用美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計流程的分析，得出以下結(jié)論：

（1）美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范體系主要由源文件（Resource Document)、公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn) （Consensus Stan‐dard）、規(guī)范（Model Code）三部分構(gòu)成，這三部分之間依次成遞進(jìn)的關(guān)系。

（2）現(xiàn)行美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范主要有IBC和NF‐PA 5000兩套規(guī)范。

（3）利用現(xiàn)行美國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計可以直接按照ASCE 7的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算分析，并參考如ACI 318等其他具體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定來完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。