中国与美国钢结构设计规范的差异

1、中国与美国钢结构设计规范的差异储艳春上海交通大学李磊张立力上海核工程研究设计院摘 要 借助工业电站厂房中典型楼梯梁的设计计算，介绍了美国钢结构规范 asd 9、lrfd 与我国钢结构设计规范( gb 500172003 ) 的部分差异。这对于采用国标规范设计钢结构具有一定的 借鉴价值。关键词 规范比较 美国钢结构规范 钢结构设计规范美国现行钢结构设计规范主要有 asd 9、lrfd( aisc 360 集成了 asd 和 lrfd 两种设计方法 1 ) 、 n690 等 3 种，除 n690 专门用于涉核钢结构设计之 外，asd 9 以及 lrfd 均为通用钢结构设计规范。asd 9 ( al

2、lowable stress design) 2 是 由 美 国 钢 结构协会( aisc) 于 1989 年 6 月颁布的一本钢结构设计规范。其特点是通过安全系数来度量因材料达到屈服强度而破坏或杆件进入屈曲状态而失效的抵 抗能力 3 。lrfd( 荷载和分项系数设计规范) 4 则是 根据极限状态计算出构件的标准强度，用该强度乘 以抗力系数确定设计构件的承载力，并与分析得到的 构 件 内 力 值 进 行 比 较 。lrfd 与 我 国 的 钢 结 构 设 计 规 范钢 结 构 设 计 规 范 5 ( gb500172003 ) ，相 类 似 ，相 对 于 asd 9 均 引 入 了 结 构 可

3、 靠 度 的 概 念 。 本文 在对 比 asd 规范 与我 国规 范的 差异 时也 相应 给出 lrfd 的计算结果，以更全面地评价中国和美 国两种规范体系的差异。型中参与计算。由图 1 中的有限元模型可知，软件分析的主要 是由斜梁、平台梁以及楼梯柱组成的楼梯主框架的内力。计算中除考虑通常的恒活载外，还加入了竖向 地震。由于采用的是国标型钢，单位均为公制，所以采 用 asd 规 程 计 算 时 ，同 时 列 出 换 算 成 的 英 制 单 位。设计案例概况以某引进工业电站厂房中的一个楼梯为设计案 例。该楼梯高 21 m，梯段宽 0 825 m。楼梯斜梁采用型钢 32b，平台梁采用型钢 28c

4、，均为 q235b 钢材，踏 步 采用 8 mm 钢 板上 浇 混 凝 土层 ，平 台 板为 钢 板 混凝土组合结构。该楼梯的有限元分析模型轴测图见图 1。本 楼 梯 设 计 时 采 用 的 是 asd 9 规 范 。现 采 用gtstrudl 有限元软件建模，考虑楼梯自重、活载及地 震 力 因 素 。其 中 楼 梯 的 受 弯 构 件 均 按 简 支 计 算 ; 踏步、扶手栏杆、平台板均作为荷载输入到该有限元模1规范比较2荷载及承载力的差异asd 规程在判别材料是否失效时，是利用材料 的屈服强度乘以给定的安全系数( 得到容许应力) 与 材料承受的工作荷载进行比较，在与风、地震等偶然 荷载组合

5、时，容许应力可放大 1 / 3，即相当于荷载组 合乘以 0 75 的系数。2 1 12 规划与设计上海建设科技第 6 期2012 年我国钢结构规范 5 以及 lrfd 规范在荷载组合时通常都要乘以大于 1 的分项系数，且在公式的抗 力一侧，同样需要考虑分项系数的折减。但此分项系数与 asd 中的安全系数并非同一概念，抗力的分项 系 数 考 虑 的 是 构 件 或 连 接 设 计 强 度 的 离 散 性 ，而asd 中 的安全系数 则来源于对实际工程 和 试验数 据的总结。表 1 给出了本计算涉及的荷载在这 3 本 规范中的组合形式 6 7 。d 表示恒荷载，l 表示活荷 载 ，e 表 示 地

6、震 荷 载 。计 算 使 用 的 活 载 是 等 效 为 均布荷载的楼面活荷载，根据国标荷载规范可知其组合 值系数为 0 7，又根据新的国标建筑抗震设计规 范 8 ( gb 500112010 ) 可知其计算地震作用时重力 代表值的组合值系数为 0 5，同时根据第 5 4 3 节，仅 考虑竖向地震作用的各构件承载力调整系数取为 1 0。国规范的抗弯强度表达式仅考虑了受压翼缘宽厚比以及受弯截面形式的影响。抗剪方面，asd 和 lrfd都给出了限定腹板高厚比下的承载力计算公式，而 国标则采用了统一公式进行计算。下面选取了最基本的楼梯梁抗弯抗剪强度验算来比较 3 本规范的结 果。梁的抗弯验算2 2

7、1本 算 例 中楼 梯 斜梁 32b 受 到其 支 撑 的 踏板 及栏杆传来的均布活载，又根据两端简支假设，需要对 其进行截面抗弯和抗剪验算。由有限元分析结果可得某斜梁( 跨度为 4 718 mm) 各工 况下受 到的弯 矩 ( 绕强 轴) 如 表 2 所 示。由 表 1 中 的 荷 载 组 合 得 到 的 各 规 范 弯 矩 设 计 值 如 表 3 所示 。已知该型钢对强轴的净弹性截面模量 wx =0 017 98 ft3 = 509 cm3，塑性截面模量 wpn = 0 021 14 ft3表 1各规范的荷载组合= 599 cm 。可得构件截面的荷载以及 3 种规范各自3荷载组合规范的抗弯

8、承载力如表 4 所示。表 2 某斜梁在各工况下的截面弯矩恒 + 活恒 + 活 + 地震asd 9 1 0 d + 1 0 l1 0 d + 1 0 l + 1 0 e( 应力值系数取 1 33 )1 2 d + 0 5 l + 1 5 e1 2 d + 1 2 0 5 l + 1 3 e( 承载力调整系数取 1 0 )恒载 d活载 l竖向地震力 elrfd 1 2 d + 1 6 lgb1 2 d + 1 4 l ( 可变荷载控制 )1 35 d + 1 4 0 7 l ( 永久荷 载控制 )工况/ kipft / knm/ kipft / knm/ kipft / knm弯矩m5 7317

9、7759 97113 5279 43712 803注: 公英制换算关系: 1 kips = 4 448 kn，1 ft = 0 3048 m，1 kipsft= 1 356 knm。根据表 3、表 4，得出设计荷载与承载力的比值 如表 5 所示。由表 5 可 知，采用 asd 规程 得到的荷 载强度比值较 lrfd 以及我国规范略高，而我国规 范与 lrfd 在恒载加活载工况下的比值基本相同，楼梯梁强度验算在 构 件 承 载 力 的 计 算 方 面 ，美 中 规 范 差 异 较 大 。例 如 在 抗 弯 验 算 方 面 ，美 国 规 范 在 抗 弯 强 度 的 确 定 上 依 赖 于 构 件

10、横 截 面 、板 件 宽 厚 比 和 高 厚 比 、 荷载方向以及受压翼缘侧向支撑长度等因素 9 ，我2 2表 3 某斜梁组合后的弯矩设计值恒 + 活恒 + 活 + 地震规范荷载组合/ kipft/ knm荷载组合/ kipft/ knmasdlrfd gb1 0 d + 1 0 l1 2 d + 1 6 l1 2 d + 1 4 l ( 控制工况 )15 70222 83120 83721 30230 97328 2681 0 d + 1 0 l + 1 0 e1 2 d + 0 5 l + 1 5 e1 2 d + 0 6 l + 1 3 e28 50531 06729 50338 670

11、42 14640 025表 4各规范针对于某斜梁的抗弯承载力设计值 5，6 恒 + 活 ( 截面抗弯承载力 )恒 + 活 + 地震 ( 截面抗弯承载力 )规范荷载组合公式/ kipsft/ knm/ kipsft/ knmasdlrfd gb0 66 fy w0 9 fy wpn1 5 fy wf e 58 2793 4684 8178 95126 63114 9177 6993 4684 81105 26126 63114 91注: 1 fy 表示钢材的屈服应力，fy = 235 mpa34 08 ksi; f 表示我国规范钢材抗弯强度设计值，f = 215 mpa; w 表示弹性净截面模量

12、; wpn表示塑性净截面模量。2 32b 的翼缘厚 14 mm、宽 90 mm，宽厚比 90 / 14 = 6 4365 樤fy = 11 15，属于美标规程中规定的紧密型截面。3 根据钢规表 5 2 1 5 ，槽钢截面绕主轴的截面塑性发展系数 = 1 05。4 公英制换算关系: 1 kips = 6 895 mpa。 13 上海建设科技规划与设计2012 年 第 6 期但 考 虑 地 震 荷 载 后 ，lrfd 规 程 和 asd 9 规 程 的 比值 变 化 相 同 ，均 小 于 根 据 我 国 规 范 计 算 出 的 比 值 。 这也表明，我国规范相对美标规范强化了地震荷载 对构件截面设

13、计的影响，安全裕度更高。表 5 根据各规范得到的某斜梁弯矩作用下的荷载组合强度比值到的各规范剪力设计值如表 7 所示。计算得到的截面 抗 剪 承 载 力 设 计 值 如 表 8 所 示 。根 据 表 7、表 8， 得出设计荷 载与承载力的比 值如表 9 所示。由表 9 可知，采用 asd 计算得到的荷载强度比值略低于后2 本规 范。我国 规范在不 考虑地 震作用 下得到 的荷 载强度比值与 lrfd 基本一致，而考虑了地震作用 的 荷 载 强 度 比 值 相 对 于 asd 规 程 和 lrfd 规 程 都略大。这同样证明了我国规范在构件设计验算时强化了地震作用的影响。荷载组合规范恒 + 活

14、/ %恒 + 活 + 地震 / %荷载组合强度的比值asd 9lrfd gb26 924 424 636 733 234 81 361 361 42表 6某斜梁在各工况下的截面剪力恒载活载竖向地震力梁的抗剪验算2 2 2工况 / kips / kn / kips / kn / kips / kn 同样选取最不利工况下的某斜梁，经有限元分析得到其剪力如表 6 所示。由表 1 中的荷载组合得剪力 v2 31310 2873 93817 5143 75616 708表 7某斜梁组合后的剪力设计值恒 + 活恒 + 活 + 地震规范荷载组合荷载组合/ kips/ kn/ kips/ knasdlrfd

15、gb1 0 d + 1 0 l1 2 d + 1 6 l1 2 d + 1 4 l6 2509 0758 28827 80140 36736 8641 0 d + 1 0 l + 1 0 e1 2 d + 0 5 l + 1 5 e1 2 d + 0 6 l + 1 3 e10 00710 37810 02144 50946 16344 573表 8各规范针对于某斜梁的抗剪承载力设计值 5 6 恒 + 活 ( 截面抗弯承载力 )恒 + 活 + 地震 ( 截面抗弯承载力 )规范荷载组合公式/ kips/ kn/ kips/ knasdlrfd gb0 4 fy aw0 9 0 6 fy awfv

16、 tw i / s61 74883 36075 707274 48370 548336 52982 33183 36075 707365 973370 548336 529注: fy 表示钢材的屈服强度; aw 表示受剪计算面积; fv 为国标钢材的抗剪强度设计值; tw 为腹板厚度; i 为钢梁毛截面惯性矩; s 为计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩。此处 h292 380418=( asd 9，英制 ) ( lrfd，英制 ) 。式中: h 对轧制型钢，为腹板在上下两翼缘相接处两内弧起点间的距离; 对焊tw10樤fy樤fyw接组合梁，为两翼缘间的净距。进工业电站项目开展国产化钢结构设计

17、是可行的。参考文献:表 9根据各规范得到的该斜梁剪力作用下的荷载强度比值荷载组合刘刚 美国建筑规范体系介绍( iii) j 建筑与发展，2010 ( 9 ) aisc s3351989 specification for structural steel bui- ldings s allowable stress design and plastic design 李志明 美国钢结构设计规范的最新发展 j 钢结构，2005 ( 6 ) aisc1999 load and resistance factor design specifica- tion for structural steel buildings s gb 500172003 钢结构设计规范 s 美国钢结构设计手册( 上册) m 同济大学钢与轻型结 构研究室，译 上海: 同济大学出版社，2006gb 500092001 建筑结构荷载规范 s gb 500112010 建筑抗震设计规范 s 刘玉姝 美国 lrfd 钢结构规范介绍( i) j 建筑钢结 1 规范恒 + 活 / %恒 + 活 + 地震 / %以上两种荷载的比值asd 9lrfd gb10 110 910 912 212 513 21 21 141 21 2 3 结语本文对比了美中钢结构规范在钢梁抗弯、