浅谈美国规范标准中的钢结构设计

浅谈美国规范标准中的钢结构设计
作者：周正为
来源：《装饰装修天地》2018年第11期
摘要：精研美国规范标准，使用STAAD.Pro结构设计软件，结合具体项目，优化钢结构设计，提高设计市场竞争力。

关键词：钢结构；美国规范标准
1 前言
在以往的钢结构设计过程中，一般采用中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所研发的PKPM系列CAD软件，包括SATWE计算软件和PMCAD建模软件，基本满足所承担的各类工业和民用建筑中各种规则和复杂类型的框架结构、框排架结构、排架结构、剪力墙、连续梁、拱形结构、桁架结构等。

但该软件主要应用于国内市场（国内市场占有率90%以上）。

随着近几年海外市场的不断拓展，同国际设计同行的交流不断增多，以美国规范为例，PKPM的模型数据并不能按美标检验杆件，因此急需我们在设计软件等方面实现同步。

STAAD.Pro是由美国世界著名的工程咨询和CAD软件开发公司—REI（Research Engineering International）从上世纪七十年代开始开发的通用有限元结构分析与设计软件，已经在国际上普遍使用，本文通过国外和国内两个具体工程实例，比较美国规范和中国规范中钢结构设计的不同，为今后的海外项目设计提供借鉴。

2 工程概述
国外项目为转接机房，使用STAAD.Pro软件按美国标准进行计算，该构筑物共两层，平面尺寸为15m×12m，高度为15m；开敞结构，多层钢结构厂房。

结构按IBC2012设计。

场地类别：SE类场地，重要性系数1.25；基本风压49m/s（3秒最大风速），S1=0.186，
Ss=0.426，
Fa=1.9368，Fv=3.242，反应修正系数（R值）x=2.5，z=2.5；
国内项目同样为转接机房，使用PKPM进行计算，平面尺寸为15.5m×13.5m，高度为14.6m，多层钢结构厂房。

该项目的自然条件为抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为
0.15g，设计地震分组为第二组；基本风压为0.45kN/m2，场地类别为三类，地面粗糙度为A 类。

该工程按照国标进行设计，在该种抗震设防烈度下，钢结构房屋的抗震等级为四级。

3 计算及对比分析
3.1 地震作用
（1）中国现行抗震规范的设计思想为“三个水准的设防目标”，为实现这个目标采取的是“两个阶段设计步骤”。

三个水准为“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”。

两个阶段为，第一阶段，按与基本烈度对应的小震的地震动参数，用弹性反应谱方法计算结构在弹性状态下的地震作用标准值和相应的地震作用效应，并进行截面设计；第二阶段，按与基本烈度对应的罕遇地震进行变形验算。

也就是说我国规范的地震作用采用低于设防烈度的多遇地震，要求建筑性能在多遇地震下，满足承载力极限状态要求和建筑的变形不超过规定的弹性变形限值，此时结构的性能仍然处于弹性状态。

当结构性能进入弹塑性阶段，我国规范为完善第二水准的抗震设防，增加保证各类构件延性的规定和措施，同时也增加了结构在“大震”下的变形能力。

结构的抗震计算详见《建筑抗震设计规范》，这里就不再一一阐述。

（2）美标IBC规范的计算方法是建立在单一水准的设防目标上的，这个设防目标相当于在地震罕遇烈度的水平上以保证人身安全为主。

设计理论采用弹塑性反应谱理论，在进行地震作用计算时同时考虑结构的塑性耗能要求，地震作用计算与抗震措施两者紧密结合，在设计过程中同时控制地震作用与结构塑性耗能能力，体现抗震设计的双重要求，设计地震作用采用的是折减地震作用。

因为在罕遇地震作用下，结构已经进入弹塑性阶段，采用底部剪力法计算属于按照弹性和静力计算的方法进行的，所以按照此方法计算的内力进行抗震设计势必比实际大很多，也不能反映结构进入弹塑性阶段后，对地震能量耗散的有利影响。

另外这样做也很不经济，所以除以结构系数R，以反映结构本身的地震能量耗散能力，柔性结构系数较大，对地震能量耗散的多，自身的内力较小。

比如普通钢结构刚架的R值为4，中性钢结构刚架的R值为6。

3.2 风荷载作用
（1）中国现行《建筑结构荷载规范》定义的基本风压为：根据全国歌气象台站历年来的最大风速记录，按基本风压的标准要求，将不同风仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算为离地10m高，地面粗糙度为B，自记10min平均年最大风速（m/s）。

根据该风速数据，经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速νo；再按贝努力公式ω=ρνo2/2确定基本风压。

也可统一按公式ω=νo2/1600（kN/㎡）计算。

中国风荷载的标准值公式：Wk=βzμsμzW0。

（2）美国规范定义的基本风速可以理解为：距地10m高，地面粗糙度为C（相当于中国B类），3s阵风风速，无飓风倾向地区重现期为50年，飓风倾向的地区重现期为500年。

美国的设计风压p（相当于中国的ωz）公式：p=qGCp-qi（GCpi）（1b/ft2）（N/㎡），式中q为速度压力（相当于中国的μzW0），G为压力系数（相当于μs），Cp为阵风影响系数（相当于中国的βz），qi为速度压力（内部压力测定），Cpi为阵风效应系数。

美标速度压力qz=0.00256KzKzlKdV2/I，公式中qz为高度Z处的速度压力，Kd为风方向性因素系数，Kzl为地形因素系数，Kz为速度压力暴露系数（相当于国标的μz），V为基本风速，I为重要性系数。

比较两国的基本风速定义可知，基本风速定义中涉及离地高度、地面粗糙度、平均时距、重现期等因素。

中国规范和美国规范基本风速定义相同的部分是离地高度都是10m，重现期都是50年，而不同的部分是地面粗糙度、平均时距。

所以两国规范风荷载取值差异不在风速与风压之间的关系，而是在风速的定义和取值上。

另外，两种计算软件对迎风面积的取值也有差异。

PKPM中通过定义体型系数来计算风荷载，对于开敞结构，只能取杆件的迎风面宽度和总迎风面宽度的比值来近似定义体型系数；而STAAD.Pro可以精确的将风荷载导荷到每一根杆件上，因此STAAD.Pro的计算结构更为精确。

由于本单体为开敞结构，故风荷载不起控制作用，风荷载对计算结果的影响很小。

3.3 模型结果比较
国外项目所在地的自然条件转化成中国标准，相当于抗震设防烈度为8度，场地类别为四类场地，基本风压为0.75kN/m2，结构体系采用美国规范规定下的OCBF体系。

类比国内工程所在地的抗震设防烈度为7.5度，场地类别为三类场地，基本风压为0.45 kN /m2，国内项目结构体系采用中心支撑钢框架结构。

国外项目立方体用钢量为26.5kG/m3，国内项目的立方体用钢量为28kG/m3。

根据不同的自然条件可以得出，美国规范在高抗震设防烈度地区经济效果比较显著，从杆件截面的大小上来说比中国规范偏严格，但总的投资造价较低，分析原因为美国规范从实际受力状态上去区分和计算抗震及抗风性能等，而中国规范是从构造上保证，但中国规范的构造保证偏严格，从而造成在高抗震设防区计算偏保守，总体造价偏高。

根据两个项目的对比，在自然条件大致相当的情况下，在高抗震设防烈度和高风荷载作用区域，使用美国规范用钢量节省大约在5%左右。

4 结语
本文的结论主要是基于高抗震设防烈度和高风荷载作用区域，在低抗震设防烈度和低风荷载作用区域该结论是否适用还有待实际工程验证。

美国规范和中国规范相关条文有很大差异，希望今后有更多的机会继续总结规律，争取对海外项目的承揽有所帮助。

参考文献：
[1] GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].。