中国和美国现行混凝土结构设计规范的差异比较

1、 中国和美国现行建筑结构设计规范的差异比较摘要：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:by makeing a comparison in design code of structure from china to usa, including code for design of concrete structure，codes

2、 for seismic design，code for design of masonry structures, this paper analyses the difference between the two countries and makes us understand the practicality of the codes.it mainly contains the comparison in the design principles and loads of the code for design of concrete structure, the compara

3、tive analysis on the difference of the fortification goal , site classification and the earthquake response spectrum curve of the seismic code.keywords: design code of structure, comparison, practicality.1. 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asc

4、e 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 hazardsreduction 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 c

5、ouncil) ，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。2. 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

6、 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

7、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。我国工程界习惯于以一个整体结构单元来区分结构类别。例如在混凝土结构这个总概念下包含了素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构。但美国学术界和工程界考虑到一个整体结构中可能某些构件或部件采用钢筋混凝土，另一些构件或部件则可能使用素混凝土或预应力混凝土，也可能使用钢结构。因此，他们近20余年来使用了“起结构作用的混凝土”（structural concrete）这样一个概念。本译文为了简便译为“结构混凝土”。根据这本规范第2.2节的定义，结构混凝土是素混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土的集成。这样，就可以不受

8、一个整体结构的限制，而把结构混凝土或其包括的素混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土作为说明结构某一部分采用的构成形式的专业术语来使用。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。如果以某个构件的截面设计为例，美国规范在“作用”一侧也是以规范规定的荷载取值（其含义与我国荷载标准值类似，但各项荷载的取值有区别）为依据，并将其乘以荷载系数，同时考虑荷载组合（荷载系数与荷载组合原则与我国规范不完全相同）。而在“抗力”一侧，美国规范是用各类材料的标准值计算出的“名义强度”（nomin

9、al strength）乘以一个各类构件取值不同的强度降低系数 来获得设计强度的，其中的 所起的作用类似于我国通过材料分项系数将各类材料的标准值降低为材料的设计值。但应注意，美国规范的各类材料的标准强度取值原则也与中国规范不同。当需要具体对比美国规范和中国规范相应材料的设计可靠度水准时，应注意查清中、美两国在“作用”和“抗力”各方所涉及的各项因素的取值原则和取值依据上的一系列重要区别。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

10、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。aci规范中活荷载的主要组成是房屋中的居住荷载，相当于我国规范中的楼面、屋面活荷载。它可能是全部或部分作用，或者完全不存在;也可能改变作用的位置。活荷载的大小和分布在任何给定的时间是不确定的，甚至在结构整个使用期限内，其最大值都无法精确地预计。在设计楼层和屋盖时应采用的最小活荷载，通常在控制施工现场的建筑规范中有所规定。对一些常见的建筑类别，美国asce 7-98房屋及其他结构最小荷载规范和我国荷载规范规定的楼面最小均布活荷载见表2.3.1。 从表2.3.1可以看出，在两国规范中，除住宅、教室楼面活荷载较接近外，其余建筑

11、的楼面活荷载取值，美国都比我国偏大。 aci规范中的环境荷载主要包括雪荷载、风荷载、地震荷载(地震运动引起的惯性力)、作用于结构地下部分的土压力、降雨在平面上可能产生的积水荷载等。3. 抗震设计规范1）设防目标 ubc 1997 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asce 7 所指地震移动产生的效应”，而asce 7的抗震目标是“为设计、建造抗震建筑提供参

12、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2 500 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( gb500112010 )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，gb500112010 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，asce 7 和

13、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 gb500112010 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gb500112010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

14、，见表3。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。ibc 没有地震分区的概念。ibc 首先对美国各地地震加速度作了普查，并基于b类场地土作出mce( maximum considered earthquake) 的地震加速度分布图。对某一具体工程，首先根据地址，查mce 图，得到5% 阻尼下0. 2s 特征周期时的地震加速度ss和1s 特征周期时的地震加速度s1。然后计算sms = fa× ss，sm1 = fv×s1，sds = ( 2 /3) sms，sd1= ( 2 /3) sm1，fa是地震加速度相关系数，fv是地震

15、烈度相关系数，都和场地类别有关。在ibc( asce7) 中，sds对应反应谱加速度的峰值，sd1定义曲线下降段的值。见图1。ubc仅采用地震区影响系数z 来决定地震力系数cv和ca。ibc( asce 7)和ubc的地震影响系数曲线见图1 和2。4. 结论 （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

16、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gb500112010 计算结果不具有量的可比性，当取同一重

17、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gb500112010 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。从这个角度讲,相对而言,对设计分析的前期部分,美国规范具有更完善的体系,以及更高的安全度,我国规范还需要在这方面加强努力;而在设计分析的后期部分(主要是抗震措施上)

18、,两国规范各有特点,操作步骤较为接近。 （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) ) 重庆大学出版社出版译：张川 白绍良 钱觉时 著：美美国混凝土学会（aci）318委员会2中国混凝土结构设计规范code for design of concrete structure(gb 50010-2010) 北京: 中国建筑工业出版社20103 international conf