2010-08讲座中美钢结构抗震设计规范比较讲座

2010年8月12日，武汉大学侯建国教授主持了中美钢结构抗震设计规范比较讲座。AISC于1923年制定了第一部钢结构设计规范，其设计标准为允许应力设计(ASD)。许用应力设计法作为钢结构设计的基础已有相当长的时间，并经过多次修订，直到1961年其基本格式和内容基本确定。1.1美国钢结构设计规范发展概述，1美国钢结构设计规范和抗震设计标准体系发展概述，AISC最新版建筑设计规范(1989)于1989年出版；ASD在2001年进行了部分修订(AISC335-89s1)。基于概率理论的载荷准则由Galambos、Ellingwood、MacGregor.t和Cornell等人提出，促使美国国家标准化协会(ANSI)制定了基于概率理论的国家标准ansia 58.1-1982“最小设计载荷或建筑和其他结构”。它后来以ASCE 7的形式发布，最新版本是ASCE/SEI 7-05“MinimumDesignLoadesForBuildingAndOtherStructures”。1986年，根据美国国家标准学会58.1-1982，AISC规范委员会(COS)首次引入了基于概率理论的抗荷系数钢结构设计规范(LoadandResistanceFactorDesign，缩写为LRFD)。ASCE/SEI7-05是根据概率极限状态设计原理和结构可靠性理论编制的。它是美国各种结构设计规范的统一概率设计准则和荷载取值依据(包括地震作用取值标准)，与中国荷载规范相似，包括与中国抗震规范中的抗震设防标准、地震动参数和地震作用取值标准相似的内容。1986年ASD设计规范修订后，AISC规范委员会引入了LRFD设计规范作为与ASD并行的设计规范，供设计者选择。LRFD规范在1991年和1993年进行了两次修订。最新版本是1999年12月27日发行的AISC第三版(2000b)。由于美国的一些工程师对LRFD不熟悉，而其他一些高级工程师对LRFD仍有不同的看法，所以ASD设计方法在美国仍很流行，因此LRFD可能无法在很长一段时间内完全取代ASD。2005年4月，AISC正式发布并发布了最新版本的ANSI/AISC360-05 SpecificationforStructuralSteelBuildings，它结合了ASD和LRFD的概念。它可以说是一个“统一”和“单一”的设计规范，包括两种设计方法。设计师可以选择两种方法之一(ASD或LRFD)进行设计。应注意，ANSI/AISC360-05仅涵盖钢结构的静态设计，钢结构的抗震设计也应符合ANSI/AISC341-05 SeismicProvisionsforStructuralSteelBuildings钢结构抗震设计规范的规定。ANSI/AISC341-05抗震设计原则和抗震设防标准主要根据ASCE/SEI7-05确定，该标准为钢结构或钢-混凝土组合结构的抗震设计提供了最低抗震设防标准。美国工程结构抗震设计标准体系一般分为国家标准、协会标准和地方标准(州或地区标准)。美国工程结构抗震设计标准体系的发展过程大致经历了启动、发展和统一等几个发展阶段。1925年加州的圣巴巴拉地震导致了1927年美国第一个建筑结构抗震设计规范“统一建筑规范”(统一建筑规范)的出版。UBC主要用于美国西部各州。除了上述UBC，国家广播公司的“国家建筑规范”(国家建筑规范)和国家广播公司的“标准建筑规范”(标准建筑规范)已经出现在工程结构的本地抗震设计规范的这个阶段。NBC主要用于美国东北部各州。SBC主要用于美国中部和南部各州。20世纪末，美国人意识到统一抗震规范的必要性。1995年，UBC、国家广播公司和国家广播公司成立了国际规范协会，以促进建筑结构设计规范的统一。1997年，东南亚国家联盟发布了UBC的最新版本。2000年，基于1997年国家抗震设计规范的2000年国际建筑抗震设计规范正式发布并实施，取代了UBC、美国国家广播公司和美国国家广播公司的规范，从而统一了美国的抗震设计规范。IBC每三年修订一次。最新版本是IBC2009。IBC可以被视为通向各种专门规范的规范门户。在抗震设计方面，IBC主要参考ASCE/SEI7-05 MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures (建筑物和其他结构最小设计荷载)中的建议规定，属于国家标准级别。ASCE/SEI7是各种结构形式的荷载规范。除了规定直接作用(如永久荷载和可变荷载)的值外，还规定了间接作用(如地震作用)的值，包括抗震设防目标、场地特征、设计地震作用、地震反应计算方法、结构体系和概念设计等抗震设计内容。对于结构构件抗震承载力验算、抗震构造规定等混凝土抗震设计内容，ASCE7参照其他特殊规范，如ACI318混凝土结构抗震设计规范的要求。钢结构的抗震设计也应符合美国国家标准协会/AISC 341-05“抗震规定结构建筑”(建筑钢结构抗震设计规范)。ASCE/SEI7-05是根据概率极限状态设计原理和结构可靠性理论编制的。统一了基本设计原则和荷载取值标准(包括地震作用取值标准)以及荷载效应的组合原则和计算公式、荷载分项系数和组合系数的取值规定等。美国各种结构设计规范，与中国荷载规范相似，包括抗震、地震动参数和地震作用等数值标准。本次讲座基于中美两国钢结构抗震设计规范的差异比较，在此期间列出了美国ASCE/SEI7-05和其他规范中的一些重要抗震设计参数、公式和适用范围规定，供设计人员在应用这些规范时参考。比较中提到的主要规范和标准包括：1 .ASCE/SEI 7-05“建筑和其他结构的最小设计荷载”；2、ANSI/AISC341-05“地震供应或结构技术建筑”；3、ANSI/AISC360-05建筑技术规范；4.GB50011-2001 建筑抗震设计规范 (2008版)；5、GB50017-2003 钢结构设计规范。中美钢结构抗震设计方法比较、2.1抗震设防目标比较、2 . 1.1抗震设防目标比较、三级设防目标和两阶段设计步骤：三级设防目标：(1)受本地区低于抗震设防烈度的频繁地震影响时，可使用“小震不坏”而不损坏或修复；(2)当受到相当于该地区抗震设防烈度的地震影响时，可能会损坏，一般修理或不需修理后仍可使用“中震可修”；(3)当受到高于该地区预计抗震设防烈度的罕见地震影响时，不会倒塌或造成“大地震不倒”的严重危及生命的破坏。三个级别的地震作用级别根据三种不同的超越概率(或重现期)来区分：(1)频繁地震(小地震):50年的超越概率为63.2%，重现期为50年；(2)设防烈度地震(基本烈度地震、中等地震):超过50年的概率为10%，重现期为475年；(3)罕见地震(大地震):超过50年的概率为2%3%，重现期为24751641年。据统计分析，小地震烈度比基本烈度低约1.55度，大地震烈度比基本烈度高约1度。通过两阶段设计，即承载力验算阶段和弹塑性变形验算阶段，实现了上述三个层次的设防目标。2 . 1 . 2 SCE/SEI 7-05抗震设防目标，(1)设防目标：通过将地震风险降至最低，为考虑公共健康保护、安全、财产功能和使用要求的建筑物提供最低设计标准。根据设计地震等级，提高重要设施的性能1)“最大考虑地震”对应于地震作用区划图上50年内概率超过2%的罕见地震。从超越概率的角度来看，它基本符合我国“大地震”的标准。2)“设计地震”的加速度是“最大考虑地震”的2/3。从超越概率的角度看，“设计地震”的烈度大致相当于我国规范中的“中等地震”。ASCE/SEI7-05抗震设防目标大致可概括为相当于两个等级的设防目标，即对于50年概率超过10%的设计地震，建筑物应在震中和震后保持其预期功能，且结构的损坏是可修复的；对于50年内概率超过2%的最大地震，结构倒塌的概率应该更低。2.2抗震设防依据的比较，2.2.1GB50011-2001抗震设防依据，GB50011-2001抗震设防主要是基于GB18306-2001 中国地震动参数区划图中的基本地震烈度(或与设计基本地震加速度值相对应的烈度值)。所谓“设计基本地震加速度值”，是指在50年设计基准期内，地震加速度的设计值超过10%的概率。已划定抗震设防区的城市，可以按照批准的抗震设防烈度或者设计地震动参数进行抗震设防。在GB50011-2001中，中国地震动参数区划图的抗震设防烈度值、设计基本地震加速度值和地震动峰值加速度值通过表2-1中的对应关系进行了联系和协调。表2-1中的设计基本地震加速度值相当于中国地震动参数区划图中规定的“峰值地面运动加速度”，只是0.15克和0.30克的面积分别加在0.10克和0.20克之间，0.20克和0.40克之间，分别相当于7度和8度的面积。大多数工程界接受这样的观点，即地面运动最大加速度的大小对结构响应有重大影响。在抗震规范中，烈度指数通常用地震系数k=a/g来表示(a是地面运动的峰值加速度，g是重力加速度)。因此，表2-1中设计基本地震加速度中G前的系数也称为抗震设防烈度对应的地震系数。2 . 2 . 2地震设防依据，ASCE/SEI7-05直接使用美国地质调查局(USGS)给出地震地面运动的最大加速度等值线图(也称为地震区划图)作为地震设防依据。美国地震区划图给出了短周期(T=0.2s)和1s周期阻尼比为0.05的地震地面运动最大加速度等值线图(见图2-1)。图2-1 ASCE/sei 7-05地震区划图示例(部分)。在设计期间，可以根据建筑物的位置在地震区划图上检查相应的地震反应谱加速度值。GB50011-2001的抗震设防烈度(设计基本地震加速度值)与ASCE/SEI7-05短周期反应谱加速度SS、1s周期反应谱加速度S1等地震动参数的对应关系见表2-2-2-3，以供参考。注：由于英国标准50011-2001中的二类场地同时对应于美国标准工程师学会(ASCE)7-05中的c类或d类场地，表2-2中的IIC代表英国标准50011-2001中二类场地中对应于美国标准工程师学会(ASCE)7-05C类场地的部分，表2-3中的IID代表英国标准50011-2001中二类场地中对应于美国标准工程师学会(ASCE)7-05D类场地的部分。2.3抗震设防标准的比较，2.3.1GB50011-2001抗震设防标准，GB50011-2001规定所有建筑物的抗震设防类别和抗震设防标准应符合现行国家标准GB50223-2008 建筑工程抗震设防类别标准的要求。GB50223-2008规定，建筑工程应划分为以下四类抗震设防：(1)特殊设防类别(A类):指涉及国家公共安全的重大建筑工程和因地震时可能发生的严重次生灾害等重大灾害后果需要特殊设防的建筑物。(2)重点设防类别(乙类):指功能不可中断的生命线相关建筑根据GB50223-2008，各类建筑的抗震设防标准见表2-4。2 . 3 . 2 SCE/SEI 7-05抗震设防标准，(1)占用类别：一、二、三、四类，见表2-5。(2)根据建筑用途分类和设计地震动参数(SDS或SD1)，确定建筑抗震设防类别，分为6类：A、B、C、D、E和f，分类标准见表2-6和表2-7。ASCE/SEI7-05根据不同结构的占有率分类，规定了相应的地震重要系数的值。其功能是提高重要和危险建筑物或结构的安全性。地震重要系数的取值见表2-8，地震作用计算中应采用该系数。ASCE/SEI7-05根据不同的抗震设防类型给出了不同的抗震设防标准，并作为结构体系可采用的地震作用计算方法和抗震结构措施要求的基础。相关要求可归纳为三个层次：甲级：满足抗震措施的最基本要求；乙类和丙类：满足一般抗震措施的要求。通常，仅需要静态方法来计算地震作用(基底剪力法)，并且结构延性要求低。D、E、F类：满足严格的抗震