淺談美國規(guī)范標準中的鋼結構設計

周正為

摘 要：精研美國規(guī)范標準，使用STAAD.Pro結構設計軟件，結合具體項目，優(yōu)化鋼結構設計，提高設計市場競爭力。

關鍵詞：鋼結構；美國規(guī)范標準

1 前言

在以往的鋼結構設計過程中，一般采用中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所研發(fā)的PKPM系列CAD軟件，包括SATWE計算軟件和PMCAD建模軟件，基本滿足所承擔的各類工業(yè)和民用建筑中各種規(guī)則和復雜類型的框架結構、框排架結構、排架結構、剪力墻、連續(xù)梁、拱形結構、桁架結構等。但該軟件主要應用于國內市場（國內市場占有率90%以上）。隨著近幾年海外市場的不斷拓展，同國際設計同行的交流不斷增多，以美國規(guī)范為例，PKPM的模型數(shù)據(jù)并不能按美標檢驗桿件，因此急需我們在設計軟件等方面實現(xiàn)同步。STAAD.Pro是由美國世界著名的工程咨詢和CAD軟件開發(fā)公司—REI（Research Engineering International）從上世紀七十年代開始開發(fā)的通用有限元結構分析與設計軟件，已經(jīng)在國際上普遍使用，本文通過國外和國內兩個具體工程實例，比較美國規(guī)范和中國規(guī)范中鋼結構設計的不同，為今后的海外項目設計提供借鑒。

2 工程概述

國外項目為轉接機房，使用STAAD.Pro軟件按美國標準進行計算，該構筑物共兩層，平面尺寸為15m×12m，高度為15m；開敞結構，多層鋼結構廠房。結構按IBC2012設計。場地類別：SE類場地，重要性系數(shù)1.25；基本風壓49m/s（3秒最大風速），S1=0.186，Ss=0.426，

Fa=1.9368，F(xiàn)v=3.242，反應修正系數(shù)（R值）x=2.5，z=2.5；

國內項目同樣為轉接機房，使用PKPM進行計算，平面尺寸為15.5m×13.5m，高度為14.6m，多層鋼結構廠房。該項目的自然條件為抗震設防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第二組；基本風壓為0.45kN/m2，場地類別為三類，地面粗糙度為A類。該工程按照國標進行設計，在該種抗震設防烈度下，鋼結構房屋的抗震等級為四級。

3 計算及對比分析

3.1 地震作用

（1）中國現(xiàn)行抗震規(guī)范的設計思想為“三個水準的設防目標”，為實現(xiàn)這個目標采取的是“兩個階段設計步驟”。三個水準為“小震不壞”、“中震可修”、“大震不倒”。兩個階段為，第一階段，按與基本烈度對應的小震的地震動參數(shù)，用彈性反應譜方法計算結構在彈性狀態(tài)下的地震作用標準值和相應的地震作用效應，并進行截面設計；第二階段，按與基本烈度對應的罕遇地震進行變形驗算。也就是說我國規(guī)范的地震作用采用低于設防烈度的多遇地震，要求建筑性能在多遇地震下，滿足承載力極限狀態(tài)要求和建筑的變形不超過規(guī)定的彈性變形限值，此時結構的性能仍然處于彈性狀態(tài)。當結構性能進入彈塑性階段，我國規(guī)范為完善第二水準的抗震設防，增加保證各類構件延性的規(guī)定和措施，同時也增加了結構在“大震”下的變形能力。結構的抗震計算詳見《建筑抗震設計規(guī)范》，這里就不再一一闡述。

（2）美標IBC規(guī)范的計算方法是建立在單一水準的設防目標上的，這個設防目標相當于在地震罕遇烈度的水平上以保證人身安全為主。設計理論采用彈塑性反應譜理論，在進行地震作用計算時同時考慮結構的塑性耗能要求，地震作用計算與抗震措施兩者緊密結合，在設計過程中同時控制地震作用與結構塑性耗能能力，體現(xiàn)抗震設計的雙重要求，設計地震作用采用的是折減地震作用。因為在罕遇地震作用下，結構已經(jīng)進入彈塑性階段，采用底部剪力法計算屬于按照彈性和靜力計算的方法進行的，所以按照此方法計算的內力進行抗震設計勢必比實際大很多，也不能反映結構進入彈塑性階段后，對地震能量耗散的有利影響。另外這樣做也很不經(jīng)濟，所以除以結構系數(shù)R，以反映結構本身的地震能量耗散能力，柔性結構系數(shù)較大，對地震能量耗散的多，自身的內力較小。比如普通鋼結構剛架的R值為4，中性鋼結構剛架的R值為6。

3.2 風荷載作用

（1）中國現(xiàn)行《建筑結構荷載規(guī)范》定義的基本風壓為：根據(jù)全國歌氣象臺站歷年來的最大風速記錄，按基本風壓的標準要求，將不同風儀高度和時次時距的年最大風速，統(tǒng)一換算為離地10m高，地面粗糙度為B，自記10min平均年最大風速（m/s）。根據(jù)該風速數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析確定重現(xiàn)期為50年的最大風速，作為當?shù)氐幕撅L速νo；再按貝努力公式ω=ρνo2/2確定基本風壓。也可統(tǒng)一按公式ω=νo2/1600（kN/㎡）計算。

中國風荷載的標準值公式：Wk=βzμsμzW0。

（2）美國規(guī)范定義的基本風速可以理解為：距地10m高，地面粗糙度為C（相當于中國B類），3s陣風風速，無颶風傾向地區(qū)重現(xiàn)期為50年，颶風傾向的地區(qū)重現(xiàn)期為500年。

美國的設計風壓p（相當于中國的ωz）公式：p=qGCp-qi（GCpi）（1b/ft2）（N/㎡），式中q為速度壓力（相當于中國的μzW0），G為壓力系數(shù)（相當于μs），Cp為陣風影響系數(shù)（相當于中國的βz），qi為速度壓力（內部壓力測定），Cpi為陣風效應系數(shù)。

美標速度壓力qz=0.00256KzKzlKdV2/I，公式中qz為高度Z處的速度壓力，Kd為風方向性因素系數(shù)，Kzl為地形因素系數(shù)，Kz為速度壓力暴露系數(shù)（相當于國標的μz），V為基本風速，I為重要性系數(shù)。

比較兩國的基本風速定義可知，基本風速定義中涉及離地高度、地面粗糙度、平均時距、重現(xiàn)期等因素。中國規(guī)范和美國規(guī)范基本風速定義相同的部分是離地高度都是10m，重現(xiàn)期都是50年，而不同的部分是地面粗糙度、平均時距。所以兩國規(guī)范風荷載取值差異不在風速與風壓之間的關系，而是在風速的定義和取值上。另外，兩種計算軟件對迎風面積的取值也有差異。PKPM中通過定義體型系數(shù)來計算風荷載，對于開敞結構，只能取桿件的迎風面寬度和總迎風面寬度的比值來近似定義體型系數(shù)；而STAAD.Pro可以精確的將風荷載導荷到每一根桿件上，因此STAAD.Pro的計算結構更為精確。由于本單體為開敞結構，故風荷載不起控制作用，風荷載對計算結果的影響很小。

3.3 模型結果比較

國外項目所在地的自然條件轉化成中國標準，相當于抗震設防烈度為8度，場地類別為四類場地，基本風壓為0.75kN/m2，結構體系采用美國規(guī)范規(guī)定下的OCBF體系。類比國內工程所在地的抗震設防烈度為7.5度，場地類別為三類場地，基本風壓為0.45 kN /m2，國內項目結構體系采用中心支撐鋼框架結構。

國外項目立方體用鋼量為26.5kG/m3，國內項目的立方體用鋼量為28kG/m3。根據(jù)不同的自然條件可以得出，美國規(guī)范在高抗震設防烈度地區(qū)經(jīng)濟效果比較顯著，從桿件截面的大小上來說比中國規(guī)范偏嚴格，但總的投資造價較低，分析原因為美國規(guī)范從實際受力狀態(tài)上去區(qū)分和計算抗震及抗風性能等，而中國規(guī)范是從構造上保證，但中國規(guī)范的構造保證偏嚴格，從而造成在高抗震設防區(qū)計算偏保守，總體造價偏高。

根據(jù)兩個項目的對比，在自然條件大致相當?shù)那闆r下，在高抗震設防烈度和高風荷載作用區(qū)域，使用美國規(guī)范用鋼量節(jié)省大約在5%左右。

4 結語

本文的結論主要是基于高抗震設防烈度和高風荷載作用區(qū)域，在低抗震設防烈度和低風荷載作用區(qū)域該結論是否適用還有待實際工程驗證。美國規(guī)范和中國規(guī)范相關條文有很大差異，希望今后有更多的機會繼續(xù)總結規(guī)律，爭取對海外項目的承攬有所幫助。

參考文獻：

[1] GB50011-2010.建筑抗震設計規(guī)范[S].