中國標準與美國標準關于鋼結構設計差異的淺析

在工程設計及建設領域，現在國際市場上主要還是以美國規范及標準為參考。針對鋼結構的穩定、抗震及構件設計等方面的內容進行分析，通過對比闡述美國標準和中國標準在鋼結構設計理念和方法上的差異，增強對2種規范體系的認識，方便進行國際工程設計。

美標; 國標; 鋼結構設計; 差異

TU318.4 A

［定稿日期］2022-03-11

［作者簡介］葛小琿（1982—），男，碩士，高級工程師，從事結構工程設計工作。

隨著國家經濟結構的轉型以及“一帶一路”經濟發展政策的落實，國內的工程公司逐漸走出去，走向國際市場已經成為了必然的趨勢。在工程設計及建設領域，現在國際市場上主要還是以美國規范及標準為參考，但是國內的工程公司絕大部分還是習慣采用中國規范。美國規范與中國規范在理念和具體標準上有很大的差別，美國規范以建議性的條款為主，強調結構的性能設計，給予設計師較大的設計靈活度，中國規范則以限制性條款為主，相關參數限制比較嚴格，所以必須系統掌握美國規范的設計理念及具體要求才能真正與國際接軌，保護自身的利益。

美標體系中關于鋼結構設計方面主要有幾種規范：IBC（國際建筑規范）、AISC360（鋼結構設計規范）、AISC314（鋼結構抗震設計規范）、ASCE7（荷載規范）；中國規范體系主要為：GB 50017-2017《鋼結構設計標準》和GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設計規范》。本文主要針對這幾種規范的內容進行探討。下文中“美國規范”用“美標”簡稱，“中國規范”用“國標”簡稱。

1 鋼結構的穩定分析

穩定理論是鋼結構設計中的核心理論，美標和國標在鋼結構的穩定分析上都是基于穩定理論的，但是兩者在表現形式上又有所不同。

二階效應是穩定性的根源［2］。P-Δ效應是結構整體效應；P-δ效應是構件撓曲效應，一般會增加桿件中部彎矩，桿件端部彎矩增加較少。二階效應的考慮國標提供3種計算方法：一階彈性分析、二階P-Δ彈性分析及直接分析。

當二階效應系數不大于0.1時，可采用一階彈性分析。一階彈性分析相當于美標的計算長度系數法，是在設計階段考慮二階效應。通過K值（構件桿端約束系數）換算構件計算長度，再查φ-λ表得到φ值，φ是按柱的最大強度理論用數值方法計算出大量的φ-λ曲線歸納確定的，考慮了構件的初始缺陷、殘余應力及初彎曲等因數。P-Δ效應通過有側移框架和無側移框架表中μ的不同值來反映。美標認為，支撐框架如果柱子的計算長度系數取值小于1，則必須專門計算約束柱端的框架梁的P-δ效應，因此建議柱子的計算長度最小取為1。

當二階效應系數為（0.1，0.25］時，可采二階P-Δ彈性分析或直接分析。國標的二階彈性分析方法是在結構分析階段考慮P-Δ效應，在設計階段考慮構件的P-δ。通過采用一個假定的水平力施加于結構上，來反映整體結構的初始缺陷。也可以按照近似的二階理論對一階彎矩進行放大來考慮。P-δ效應在構件穩定計算中通過穩定系數來考慮，構件的計算長度系數取為1。

當二階效應系數大于0.25時，應增大結構的側移剛度或采用直接分析法。直接分析法是在結構分析階段考慮二階效應。國標要求建立帶缺陷的整體結構模型并采用帶缺陷等的構件單元，進行全過程二階非線性彈塑性分析法分析，特殊情況下可以采用二階非線性彈性分析。

美標的直接分析法是采用假想水平力（或模型缺陷）及結構和構件剛度折減的方式來反映二階效應的，這時構件的計算長度系數取為1。直接分析方法比長度系數法對二階效應的反映更敏感。

美標另外提供了2種分析方法：一階彈性分析法，二階彈性分析法。一階彈性分析法僅通過附加水平力考慮了構件的初始缺陷，沒有考慮二階效應。用于側移較小，側向支撐能提供較大側向支撐力的結構。二階分析方法實際上就是常說的增大系數法。通過2個增大系數反映二階效應， B1反映P-δ受壓構件效應，B2反映P-Δ整體效應。

2 構件設計

2.1 軸心受壓構件

美標抗壓承載能力是根據彎曲屈曲、扭轉屈曲和彎扭屈曲中極限狀態的最小值來確定的，其中彎曲屈曲與中國規范類似采用φ-λ曲線確定Fcr，扭轉屈曲和彎扭屈曲按穩定理論計算Fcr。美標根據受壓構件板件的寬厚比將構件截面分為細長和非細長截面，不同截面采用不同的計算公式。國標是根據最大強度理論進行大量的數值計算后得到一個簡化的φ-λ曲線來確定的，通過板件寬厚比等構造要求來防止構件局部失穩，通過換算長細比考慮構件的扭轉屈曲和彎曲屈曲。兩者的理論基礎都是穩定理論，只是表現形式不同。

2.2 受彎構件

國標通過考慮部分塑性發展的強度公式進行強度計算，通過φb進行整體穩定計算（考慮了部分塑性發展）。對于局部穩定，國標主要對腹板的穩定進行了計算要求，翼緣穩定主要是通過構造措施來保證的，采用有效翼緣外伸寬度。

美標將受彎構件分為緊湊型截面、非緊湊型截面和細長截面。緊湊型截面可以進入全截面塑性狀態且之前不會發生局部屈曲，因此截面的強度計算采用塑性抗彎承載能力。非緊湊型截面僅部分截面進入塑性階段，因此采用塑性抗彎承載力并做適當的折減。非對稱截面（除角鋼外）及細長型截面一般不會進入塑性狀態，因此采用彈性承載能力。構件的穩定計算根據不同的無支撐長細比、不同截面類型以及是否進入塑性階段采用了不同的計算公式。

2.3 抗剪承載力

國標采用了材料力學中關于截面剪應力的標準公式。而美標采用了標準公式的簡化公式，通過截面的最大剪應力反算出截面的抗剪承載能力。

2.4 拉彎及壓彎構件

美標中構件的允許承載能力是包含了強度和穩定計算的，所以在拉壓彎構件計算中采用的允許承載力是強度和穩定計算中的較小值，所以在這節中就不再進行專門的穩定計算了。

國標在計算拉彎和壓彎構件時是將強度和穩定分開計算、比較的。因此在受彎計算，壓彎及拉彎計算中都會分別出現強度和穩定的公式。

2.5 抗扭計算

國標原則上是從構造要求出發，不允許鋼構件承受較大的扭力（特別是開口構件），當構件承受的扭力小于構件扭轉承載能力的20%時，扭力可以忽略。因此國標沒有給出具體的抗扭公式。

美標給出了閉口截面的純扭及彎剪扭的計算公式，對于開口截面的構件，美標認為對于穩定計算必須進行詳細的有限元分析才行。

2.6 組合截面

國標實際上采用了簡單塑性應力分布理論進行組合梁受彎構件的計算，假設混凝土和鋼梁均為均勻受力。計算負彎矩時，國標考慮了板內鋼筋的作用，計算正彎矩時不考慮受壓鋼筋的作用。對于鋼骨混凝土構件采用應變協調法進行彈性分析得到承載力。對于鋼管混凝土構件采用簡單塑性應力分布理論進行分析。

美標計算組合梁受彎時采用塑性應力分布法計算，計算鋼骨混凝土構件受彎時可采用塑性應力分布法或應變協調法以及彈性應力疊加法，鋼管混凝土構件受彎采用塑性應力分布法（對細長構件采用線彈性理論）。計算負彎矩時美標僅考慮鋼梁的作用。

3 抗震設計

從建筑抗震的理論來看，抗震無非是在2個方面做工作：①通過構件承載能力直接抵抗地震作用;②通過構件屈服耗能，消耗地震能量。前者體現在結構的抗震承載能力上，后者體現在結構的延性性能上。目前世界各國建筑的抗震都是上訴2個方法的結合，只是各有側重。當結構的抗震承載能力較高時，其延性要求就可以較低；當結構的抗震承載能力較低時，其延性要求就較高。

IBC地震運動設計值定義為可遇最大地震運動加速度（50年超越概率為2%）的2/3。地震運動設計值相當于大震加速度的2/3。美標通過R的取值和抗震構造措施來調整承載能力和延性要求。美標鋼結構抗震根據結構的延性分成了3個類別：特殊抗震結構體系、中等抗震結構體系、普通抗震結構體系。特殊抗震結構體系的延性要求最高，R的取值也最高。普通抗震結構體系的延性要求最低，R的取值也最低。R的取值要求在IBC中有詳細的要求。當R取值小于等于3時，結構在抗震計算中采用了較大的地震作用力，因此可以不再考慮額外的抗震構造措施。其實特殊抗震結構體系和普通抗震結構體系就是美標抗震體系的2個端頭限值，設計師可以在這個范圍內調整R值與延性的關系，以達到最優的經濟性。

國標地震運動加速度設計值實際上是小震的地震作用。50年超越概率為63%。相當于大震地震作用的0.16～0.2［1］。在常規設計時，國標小震地震作用相當于美標設計中R值為3時結構所受的地震作用，R為3時美標規定可不考慮抗震構造措施，但國標卻要求結構應具有足夠的延性性能，有明顯差異。國標的小震設計其性能基本和GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設計規范》附錄M中的性能4相當，在此基礎上提高結構的抗震承載力，同時可以等幅降低結構的延性要求。例如門式剛架是一個地震作用不起控制作用的結構，結構的抗震承載力遠大于所需要的承載能力，因此GB 51022-2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》規范中對門式剛架主要構件的長細比、寬厚比等延性要求是遠低于GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設計規范》對抗震等級為四級的普鋼結構的要求的。在設計中可以根據情況，調整地震作用的大小與其他橫向荷載的關系，以達到最優經濟性。GB 50017-2017《鋼結構設計標準》針對鋼結構的性能指標和延性特點進一步進行了細化，明確采用“高延性-低承載力”和“低延性-高承載能力”2種抗震設計思路。抗震承載力性能等級從1～7，承載力依次降低，要求的構件延性性能就越高。由于地震作用的不確定性，延性比承載能力更為重要，所以對于高層鋼結構和高烈度區的結構，宜采用“高延性-低承載力”的性能目標；對于工業建筑，一般高度較低，豎向荷載較大，宜采用“低延性-高承載能力”的性能目標，降低工程造價［2］。

4 結束語

中國建筑規范走過了照搬—借鑒—自行研究+借鑒的道路，已經自成一套體系，某些地方也借鑒了其他一些國際規范。在美標學習中不妨將美標與國標結合起來，在對比中學習。一方面可以加快學習的進度，另一方面可以更深刻理解2種規范的體系及內涵。隨著國家經濟的轉型，我國市場逐漸從投資引入型向投資輸出型轉變，熟練掌握及運用國際通行的建筑規范及標準將成為工程公司及各設計院無法回避的事情。

參考文獻

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑抗震設計規范（2016年版）： GB50011-2010［S］.北京：中國建筑工業出版社.2016.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50017-2017鋼結構設計標準 ［S］.北京： 中國建筑工業出版社.2017.

［3］ INTERNATIONAL CODE COUNCIL. ISBN：978-1-58001-725-1.2009 INTERNATIONAL BUILDING CODE ［S］. PRINTED IN THE U.S.A . INTERNATIONAL CODE COUNCIL. 2009.

［4］ AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. ANSI/AISC360-10， SPECIFICATION FOR STRUCTURAL STEEL BUILDINGS ［S］. PRINTED IN THE U.S.A， THE AISC COMMITTEE ON SPECIFICATIONS. 2010.

［5］ AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. ANSI/AISC341-10 ，SEISMIC PROVISIONS FOR STRUCTURAL STEEL BUILDINGS ［S］. PRINTED IN THE U.S.A， THE AISC COMMITTEE ON SPECIFICATIONS. 2010.

［6］ AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. ASCE/SEI7-10 MINIMUM DESIGN LOADS FOR BUILDINGS AND OTHER STRUCTURES ［S］. PRINTED IN THE U.S.A， AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. 2010.