中国和美国现行建筑结构设计规范的差异比较.pdf

202 中国和美国现行建筑结构设计规范的差异比较 中国和美国现行建筑结构设计规范的差异比较 Comparing the Current Building Structure Design Code of China and United States 宋卫平 Song Weiping 摘 要 本文通过对中国和美国的结构设计规范的比较 包 括混凝土结构设计规范和抗震设计规范 分析两国的规范 差异 从而让我们熟悉两国规范的实用性 主要内容包括 混凝土结构设计规范的设计原则和荷载取值的比较 中美 抗震规范的设防目标 场地分类和地震反应谱曲线的对比 分析 关键词 结构设计规范 比较 实用性 Abstract Through a comparative study of Chinese and Am erican structure design specification including the design of code for design of concrete structures and code for seismic de sign of buildings analyzes the differences of two standards so that we are familiar with the practicability of the two specifica tions Comparison of the main contents include design princi ple and load code for design of concrete structure comparative analysis of site classification and the seismic fortification goal the seismic spectrum curve Keywords structure design specification comparison practi cality 一 前言 近年来我国在国际上承担的工程项目越来越 多 很多国家都要求用美国的规范设计 因此学习 美国的规范对我国的设计人员越来越重要 在美国 没有统一的结构设计规范 比较流行的是国家指导 性规范 ASCE 7 系列和一些地方性规范 比如 UBC 系 列 使用于西部地区 NBC 系列 使用于东北部地 区 和 SBC 系列 使用于中南部地区 除了这些 系统的规范集还有一些专门的结构规范 比如混凝 土结构规范 ACI 此外对抗震设计 美国还有一部 技术指南性文件 NEHRP National Earthquake Hazards Reduction Program ASCE 7 采纳了 NEHRP 第一版的很多建议 NBC 和 SBC 主要采用了 ASCE 7 中的建议性条文 2000 年 UBC NBC 与 SBC 三本 规 范 的 编 制 机 构 成 立 了 国 际 规 范 协 会 ICC International Code Council 出版了以ASCE 为 基础的 IBC 2000 以取代 UBC SBC 和 NBC 等规范 使美国的新建建筑规范达到统一 从以上规范的历 史渊源来看 ASCE NEHRP NBC 和 SBC 以及 IBC 彼 此接近 而 NBC SBC 和 IBC 就是建立在 ASCE 7 基 础上 其很多条文都指向了 ASCE 7 UBC 相对独立 在涉外工程中 ASCE IBC 和 UBC 用得比较多 通 过实例分析这三本美国规范 1 3 与中国抗震规范 4 在制定目标和技术细节方面的异同 可为涉外工 程设计参考 二 混凝土结构设计规范 1 设计原则 中国混凝土结构设计规范 Code for Design of Concrete Structure GB 50010 2010 和美国房 屋建筑混凝土结构规范 ACI 318 05 及条文说明 ACI 318R 05 Building Code Requirements for Structural Concrete ACI 318 05 and Commentary ACI 318R 05 之间存在比较大的差异 我国规 范采用以概率理论为基础的极限状态设计法 以可 靠指标度量结构构件的可靠度 采用分项系数的设 计表达式进行设计 而美国规范是以可靠度理论为 基础 采用的设计表达式也没有分项系数 从整体 上说美国的结构混凝土设计所用的可靠度表达方式 与我国规范有一定的相似之处 但在设计用荷载和 设计用材料强度的取值水准上以及可靠度的表达方 式上与我国规范有不可忽视的区别 2 荷载 ACI 规范中的恒荷载是指那些在结构使用期限 内 其值不变和位置固定的荷载 相当于我国规范 中的永久荷载 通常恒荷载的主要部分是结构自身 的重量 恒荷载可根据结构的设计形状 尺寸和材 料密度进行精确计算 对于楼盖填充物 楼板面层 和顶棚抹灰等一般计入恒荷载 还要考虑管道和灯 具的悬吊荷载 三 抗震设计规范 1 设防目标 UBC1997 抗震设防目标是 避免结构倒塌和人 身伤亡 采用单一的设防水准 即以 50 年超越概 率 10 的地震作用 地震设计重现期为 475 年 作 为基准设防地震作用 IBC 2000 的抗震目标是 每 个结构和结构部分 包括永远附在结构上的非结构 组件 结构支撑物和附属结构都要设计并建为可抵 抗 ASCE7 所指地震移动产生的效应 而 ASCE7 的抗 震目标是 为设计 建造抗震建筑提供参考标准 其地震设计重现期是 50 年内超越概率 2 的地震作 用 重现期为 2500 年 作为基准设防地震作用 但在具体计算时 相应加速度需乘 2 3 的系数 我 国 建筑抗震设计规范 GB50011 2010 是 三 水准设防目标 即小震不坏 中震可修 大震不倒 分别对应于以 50 年超越概率 63 10 和 2 3 的 地震作用 以下是三本规范设防水准及目标对比 2 场地分类 场地是决定地震作用的一个关键因素 按照场 地土的剪切波速 GB50011 2010将场地土分为 四类 UBC 将场地分为 SA SF 五类 相应于 IBC 的 A F 五类 表 2 中是其对应关系 IBC ASCE7 和 UBC 均指 如果场地的土壤特性具体信息不充分 不能确定场地的级别 则划分其为 D 类场地 3 地震反应谱曲线的确定 GB50011 2010 根据全国各地地震烈度的不 同 把全国分为 6 7 8 9 度四个设防烈度区 并 把地震分为多遇地震和罕遇地震两个水平 给出相 应的水平地震影响系数最大值 max 并按近远震 分为三个地震设计组 和场地类别结合 给出特征 周期 Tg 根据 max 和 Tg 给出反应谱曲线 和 GB50011 2010 的思路相同 UBC 将全美国各地按 照其烈度不同 分为 5 个区 按烈度从小到大依次 为 0 度区 1 度区 2A 度区 2B 度区 3 度区和 4 度区 对应不同的震区 有不同的震区影响系数 Z 对应不同的 Z 值和地基土性质 给出了不同的地震 力系数 Cv 和 Ca 按 UBC 北京属 3 度区 四 结语 1 ACI 318 05 与 GB 50010 2010 都采用概 率极限状态设计方法进行混凝土结构设计 在承载 能力极限状态设计中 两本规范对同一种受力状态 截面的基本假定是一致的 但是 ACI 318 05 针对 不同受力状态的截面用不同的名义承载力折减系数 抗分项系数 进行承载力计算 而 GB 50010 2010 对一种材料 混凝土或钢筋 采用单一的材料分项 系数进行不同受力状态的承载力计算 这是造成两 本规范配筋量差异的重要原因 2 在两国规范中 除住宅 教室楼面活荷载较接近外 其余建筑的楼 面活荷载取值 美国都比我国偏大 3 中美两国 在钢材和混凝土的品种 强度取值 构造措施 单 位制式以及荷载的取值等方面存在着较大的差异 因而在进行两国规范比较时 不可简单类比 需要 进行全面关系转换 才可得到真实结果 4 UBC 也 充分考虑了场地地基土性质的不同 其对近震的影 响 作了增大的保守处理 5 因为荷载取值的不 同 比如荷载分项系数取值不同 计算方法的差 别 IBC UBC 以及 GB50011 2010 计算结果不具 有量的可比性 当取同一重力荷载代表值后 按美 国两本规范 IBC 和 UBC 计算的基底剪力都比 GB50011 2010 的大 6 美国抗震设计规范在地 震作用弹性分析下的安全度水平较高 包括更可靠 细致的定量化地震动参数 对场地影响的更详细考 虑 更大的弹性反应谱取值 使用超过 中震 的 设计地震等 而在计算设计地震作用时 采用了更大 的反应修正系数 相对中国规范进行了更大的折减 在抗震措施上 尽管美国规范要求更高的延性水平 但除少数项目外 多数措施实际与中国规范相当 7 两国的规范都有自己的优点和缺点 但在各自 国家环境下都处于结构专业的领先水平 由于本人 知识和理论水平及研究时间有限 希望在今后的发 展过程中我国的专家能结合两国规范的优点研发出 更利于当今社会建筑结构设计的指南 参考文献 1 美国混凝土学会 ACI 3