中美規范荷載和設計參數的轉換及換算關系探討

蘇 超, 劉旭凡

(1.中國成達工程有限公司，四川成都 610041； 2.北京中建建筑設計院成都分院，四川成都 610000)

隨著我國經濟的不斷快速發展和國家“一帶一路”倡議的提出和實施，越來越多的國內企業走向國際市場，越來越多的涉外建設項目得到開展，從一開始的業主要求必須采用當地或者美國標準進行設計，到現在逐漸有很多業主開始接受和采納中國規范作為設計標準。因此，對于這些走向國際市場的國內建設公司來說，在熟悉和了解海外標準的同時，也要掌握海外規范和中國規范相關荷載和設計參數的相互轉換關系，以便能正確對相關荷載和參數進行轉換，保證設計的合理性、經濟性和安全性。對于恒載和樓面屋面活荷載，按照實際情況和相關荷載規范要求取值即可，因此本文主要通過對美國規范和中國規范的風荷載和地震作用的相關參數的轉換進行探討，力求更好地理解兩國規范的設計理念，為涉外工程提供參考。

1 風荷載的轉換

ASCE7-05定義的基本風速為 : 距地高10m(33ft) , 地面粗糙度為C,3s陣風風速 , 對易受颶風地區采用 500a重現期的標準,其他一般地區均采用 50a的重現期標準ASCE7-10相比于ASCE7-05，對風荷載部分做了較大的修改,根據ASCE7-10對于風荷載的定義，基本風速：離地面10m高度處、曝露類別為C、時距為3s，根據相應風險級別確定的重現期分別為300a、700a和1 700a的風速值。由于ASCE7-05和ASCE7-10對于基本風速的定義差別很大，因此在進行轉化之前必須首先要明確設計基本資料的風速是基于哪個版本提出的，以便正確地進行轉化。

我國GB50009-2012《建筑結構荷載規范》對基本風速的定義為離地 10m高,空曠平坦地形(即地面粗糙度為B,重現期為50a的10min平均年最大風速。

對比GB50009-2012《建筑結構荷載規范》與ASCE7-05對于基本風速的定義，相同處為:①測定基本風速的高度均為10m；②重現期均為50a；③ASCE選用C類定義基本風速，基本上和我國的B類相對應；關于地面粗糙度的對比詳見表1；④選取的年最大風速的概率分布類型一致，均為極值I型分布曲線。不同之處為風速的平均時距。

平均時距是規范觀測和統計風速資料時所規定的時間間隔，我國荷載規范的平均時距采用10min，ASCE7-05的平均時距值卻為3s, 對于同樣50a重現期，從大量的記錄和統計資料中，關于不同時距下平均風速的換算關系見表2。

表1 GB 50009《建筑結構荷載規范》與ASCE7地面粗糙度對應關系

表2 不同時距下基本風速的比值

假定我國規范規定的10min平均風速為VChina，ASCE7-05規定的3s陣風風速為VUSA，VChina/VUSA=1.067/1.517=0.7,VChina=0.7VUSA，根據GB50009-2012《建筑結構荷載規范》8.1.2條條文說明，我國的基本風壓ω0=VChina2/1600(kN/m2)=(0.7VUSA)2/1600,此處應注意基于ASCE規定的基本風速的單位一般是英里每小時。對于ASCE7-10提供的重現期為300a、700a和1700a的風速值，需先根據ASCE7-10公式(C26.5-2)將基本風速轉化為重新期為50a的基本風速值。見公式：

VT/V50= [0.36 + 0.1ln(12T)]

式中：VT為重現期。

2 地震作用參數的轉換

2.1 中美兩國規范的抗震設防目標

我國GB50011-2010(2016版)《建筑抗震設計規范》和美國IBC-2009的抗震設防水準和目標對比見表3。

2.2 場地類別的對應關系

我國建筑抗震規范的場地土的類型詳見GB50011-2010(2016版)《建筑抗震設計規范》表4.1.6，美國標準的的場地土分類詳見ASCE7-05Table20.3-1，具體可查閱相關規范，在此不再列出。

表3 中美兩國規范的抗震設防水準和目標對比

我國建筑的場地分類，是根據等效剪切波速和場地覆蓋層厚度決定的。從平均剪切波速的計算方法上講，中美兩國規范的要求是一致的，區別在于平均剪切波速的計算深度，美國IBC-2009是嚴格地以地表以下30m的深度計算，我國規范規定的計算深度為覆蓋層厚度和20m兩者的較小值，因此可根據地勘報告提供的各個土層的剪切波速按照我國規范要求對場地進行判別和分類。在沒有得到詳細地地勘資料前，可根據文獻[12]按表中對場地進行初步判別分類。見表4。

表4 美國規范場地類別向中國規范的轉換

V30為地表以下30m深度范圍巖土層的等效剪切波速。

2.3 設計參數的轉換

在按照GB50011-2010(2016版)《建筑抗震設計規范》確定了場地類別后，仍需要按我國標準確定的場地的特征周期和與基本烈度對應的地震地面運動峰值加速度，具體的流程如下：

(1)ASCE7-05的反應譜加速度為結構響應的加速度，因此需要除以美國結構地震反應的放大系數,轉換為地面運動的峰值加速度。

(2)我國的基本地震動加速度值是基于Ⅱ類場地條件確定，美國是基于B類場地確定，因此在轉換過程中，需要乘以與我國Ⅱ類場地相對應的美國C類或D類場地參數。

(3)將ASCE7-05的最大地震考慮(50a超越概率2 %)轉換為50a超越概率10 %的譜加速度值。

(4)通過式(2)確定場地的特征周期。

(5)查閱GB18306-2015《中國地震動參數區劃圖》附錄F，G，確定地震動峰值加速度分區和反應譜特征周期。

(1)

(2)

式中：SS,S1為按照ASCE7-2010 最大考慮地震下，B類場地，5 %阻尼比，短周期和1S周期對應的結構響應譜加速度；Fa、FV為短周期和1S周期的場地參數。見ASCE7-05TABLE11.4-1,2，應為與中國規范Ⅱ類場地相對的場地調整系數；ACC為中國規范Ⅱ類場地50a超越概率10 %的地震基本地面運動峰值加速度；Tg為中國規范Ⅱ類場地的反應譜特征周期；γUS為重現期調整系數。為美國標準50a超越概率2 %的0.2S譜加速度與50a超越概率10 %的0.2S譜加速度的比值。

以某地為例，SS=2.0g,S1=1.0g，γUS=1.7，經過式(1)，式(2)算得ACC=0.471，Tg=0.75s，根據GB18306-2015《中國地震動參數區劃圖》附錄F，G，確定地震動參數分區為9度，第三組。由于按照美國場地類別劃分，C、D類均可與我國Ⅱ類場地相對應，因此式(1)，式(2)的Fa,FV應分別按照C類、D類的取值分別代入進行計算，確定轉換后的我國規范的地震分組和地震地面運動的峰值加速度。

3 結束語

本文通過具體的表格及公式，對美國標準的風荷載和地震作用的設計參數向中國標準進行轉換進行了討論，本文只就具體的轉換方式進行探討，不涉及兩國規范標準的計算結果的比較，希望能為更多的海外工程項目提供參考。