美国建筑结构设计规范发展概况_上_

　第1期建　筑　科　学　BU ILDING　SCIENCE1997年　美国建筑结构设计规范发展概况(上)

黄成若　胡德斫

(中国建筑科学研究院建筑结构研究所)

近十多年,随着科学与技术进步,建筑结构设计理论和设计方法有了很大发展,从80年代至90年代,美国和欧洲共同体的规范每隔三至五年就修订一次。90年代的规范汇集了建筑结构的最新成果。本文侧重介绍和分析美国荷载规范、混凝土规范的主要特点,以及我国规范与国际规范存在的差异。同时,对美国的钢、砌体、木结构规范也作了简要介绍。

1　美国荷载规范

房屋建筑及其它结构最小设计荷载(Minimum Design Loads for Building s and Other Structures ASCE7-93),1993年版。

美国荷载规范以往由美国国家标准协会负责,80年代初期的编号为ANSI A58.1-1982; 80年代后期由美国国家标准协会和美国土木工程师协会共同负责,此时的编号为ANSI/ ASCE7-88;进入90年代后由美国土木工程师协会负责,编号改为ASCE7-93。

1.1　荷载分类

美国荷载规范将荷载分为7类,即(1)恒荷载;(2)活荷载(指房屋建筑或其它结构由于使用或居住产生的荷载,不包括风、雪、雨、地震等自然荷载);(3)土及静水压力;(4)风荷载;(5)雪荷载;(6)雨荷载;(7)地震荷载。

1.2　荷载组合

结构的设计强度应大于下列6种组合中的最大者:

(1) 1.4D

(2) 1.2D+1.6L+0.5(L r或S或R);

(3) 1.2D+1.6(L r或S或R)+(0.5R或0.8W);

(4) 1.2D+1.3W+0.5L+0.5(L r或S 或R);

(5) 1.2D+1.0E+0.5L+0.2S;

(6)0.9D-1.3W或+1.0E。

式中,D=恒荷载;L=活荷载;L r=屋面活荷载;S=雪荷载;R=雨荷载;W=风荷载;E=地震荷载。

上述6种荷载组合及其荷载系数是根据概率理论按结构可靠指标 校正后得出的。

美国荷载规范与我国荷载规范最根本的区别在于,我国荷载规范有充分的法定效力,而美国荷载规范没有法定效力。具体来讲,我国材料规范(混凝土结构、钢结构等设计规范)及设计工作中有关荷载组合及荷载系数必须严格按我国荷载规范执行,而美国材料规范及设计工作中有关荷载组合及荷载系数不一定按美国荷载规范执行。例如美国钢结构规范接受了上述6种组合及相应的荷载系数,美国混凝土结构规范就不接受上述6种组合,美国混凝土规范A CI318-89,以及最近新颁布的规范A CI318-95基本上都不接受上述组合。希望我国工程设计人员能注意到这一点。

1.3　地震荷载

美国荷载规范1993年版与1988年版相比,

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修改最大的是地震荷载部分。地震荷载在1993年版本中已全面改写。

1.3.1　地震地面加速度图

以前的美国荷载规范根据地震危险性将整个美国划分为0、1、2、3、4五个区,其中0区地震危险性最低,4区地震危险性最高。现行荷载规范ASCE7-93是根据A v(与速度有关的地面有效峰值加速度)的数值(从0.05至0.4),对整个美国画出系数A v的等值线图(本文从略)。设计人员查图可直接得出A v值(在二个等值线之间可用内插法),该值直接用于地震力计算。

美国确定A v值时是根据“50年内不被超越的概率为90%”这一概率定义确定的,其平均重现期为475年。我国确定基本烈度时是根据“50年内超越概率为10%”这一概率定义确定的,平均重现期同样也是475年。二者的概率定义是相同的,因而中美两国在地震力上具有可比性。当然,中美两国在地震数据处理上并不相同。美国的A v与中国的基本烈度之间的粗略关系如下:

美国A v 0.4　0.2　0.1　0.05

中国基本烈度9876

1.3.2　结构体系与反应修正系数

结构所受地震力的大小,除取决于地面加速度、场地条件、结构自振周期和重量外,还在很大程度上取决于结构的延性水平,而不同的结构体系其延性水平是不同的。

美国荷载规范将结构体系划分为四个基本体系,而在每一基本体系内又划分为若干个抗地震力体系,并相应给出用于计算地震力大小的反应修正系数R,如表1。

结构所受的地震力与反应修正系数R成反比。从表1可见,在地面加速度、场地、自振周期和重量均相同的条件下,由于结构体系不同其所受到的地震力可相差最大达6.4倍。这是近年来在抗震研究方面取得的重要成果,而把地震作用力计算与结构体系割裂开来的做法显然是错误的。

结构体系表表1 基本结构体系抗地震力体系

反应修正

系数R 承重墙体系

钢筋混凝土剪力墙

配筋砌体剪力墙

不配筋砌体剪力墙

4.5

3.5

1.25

房屋框架体系

钢筋混凝土剪力墙

配筋砌体剪力墙

不配筋砌体剪力墙

5.5

4.5

1.5

抗弯框架体系

钢筋混凝土特设抗弯框架

钢筋混凝土中等抗弯框架

钢筋混凝土普通抗弯框架

8

5

3

双重体系(有至少

能承受25%地震力

的特设抗弯框架)

钢筋混凝土剪力墙

配筋砌体剪力墙

8

6.5

1.3.3　地震力计算

地震的基底剪力V按下式计算:

V=

1.2A v S

RT2/3W

式中 A v——与速度有关的地面有效峰值

加速度,由A v的等值线图查

得;

S——场地系数,根据土壤情况,全国

分为四类场地,场地系数分别

取为1.0、1.2、1.5、2.0;

R——反应修正系数,由表1查得;

T——自振周期;

W——重量。

从上式可见,在其它条件相同的情况下,延性结构所受的地震力要比脆性结构所受的地震力小得多。

美国抗弯框架体系相当于我国框架结构,在条件相同的情况下两者相比,美国特设抗弯框架(延性最好)所受的地震力,明显低于我国框架所受的地震力;美国中等抗弯框架(延性中等)所受的地震力,大致相当于我国框架所受的地震力;美国普通框架(延性差)所受的地震力,大于我国框架所受的地震力。

为了提高结构在地震作用下的可靠度,目前国际上把研究工作的重点放在如何提高结构的延性上,而不是靠加大地震力取值,这是值得我们借鉴的。

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