中國與美國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的差異

1、中國與美國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的差異儲艷春上海交通大學李磊張立力上海核工程研究設計院摘 要 借助工業(yè)電站廠房中典型樓梯梁的設計計算，介紹了美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范 asd 9、lrfd 與我國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范( gb 500172003 ) 的部分差異。這對于采用國標規(guī)范設計鋼結(jié)構(gòu)具有一定的 借鑒價值。關鍵詞 規(guī)范比較 美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范 鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范美國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范主要有 asd 9、lrfd( aisc 360 集成了 asd 和 lrfd 兩種設計方法 1 ) 、 n690 等 3 種，除 n690 專門用于涉核鋼結(jié)構(gòu)設計之 外，asd 9 以及 lrfd 均為通用鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范。asd 9 ( al

2、lowable stress design) 2 是 由 美 國 鋼 結(jié)構(gòu)協(xié)會( aisc) 于 1989 年 6 月頒布的一本鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范。其特點是通過安全系數(shù)來度量因材料達到屈服強度而破壞或桿件進入屈曲狀態(tài)而失效的抵 抗能力 3 。lrfd( 荷載和分項系數(shù)設計規(guī)范) 4 則是 根據(jù)極限狀態(tài)計算出構(gòu)件的標準強度，用該強度乘 以抗力系數(shù)確定設計構(gòu)件的承載力，并與分析得到的 構(gòu) 件 內(nèi) 力 值 進 行 比 較 。lrfd 與 我 國 的 鋼 結(jié) 構(gòu) 設 計 規(guī) 范鋼 結(jié) 構(gòu) 設 計 規(guī) 范 5 ( gb500172003 ) ，相 類 似 ，相 對 于 asd 9 均 引 入 了 結(jié) 構(gòu) 可

3、 靠 度 的 概 念 。 本文 在對 比 asd 規(guī)范 與我 國規(guī) 范的 差異 時也 相應 給出 lrfd 的計算結(jié)果，以更全面地評價中國和美 國兩種規(guī)范體系的差異。型中參與計算。由圖 1 中的有限元模型可知，軟件分析的主要 是由斜梁、平臺梁以及樓梯柱組成的樓梯主框架的內(nèi)力。計算中除考慮通常的恒活載外，還加入了豎向 地震。由于采用的是國標型鋼，單位均為公制，所以采 用 asd 規(guī) 程 計 算 時 ，同 時 列 出 換 算 成 的 英 制 單 位。設計案例概況以某引進工業(yè)電站廠房中的一個樓梯為設計案 例。該樓梯高 21 m，梯段寬 0 825 m。樓梯斜梁采用型鋼 32b，平臺梁采用型鋼 28c

4、，均為 q235b 鋼材，踏 步 采用 8 mm 鋼 板上 澆 混 凝 土層 ，平 臺 板為 鋼 板 混凝土組合結(jié)構(gòu)。該樓梯的有限元分析模型軸測圖見圖 1。本 樓 梯 設 計 時 采 用 的 是 asd 9 規(guī) 范 ?，F(xiàn) 采 用gtstrudl 有限元軟件建模，考慮樓梯自重、活載及地 震 力 因 素 。其 中 樓 梯 的 受 彎 構(gòu) 件 均 按 簡 支 計 算 ; 踏步、扶手欄桿、平臺板均作為荷載輸入到該有限元模1規(guī)范比較2荷載及承載力的差異asd 規(guī)程在判別材料是否失效時，是利用材料 的屈服強度乘以給定的安全系數(shù)( 得到容許應力) 與 材料承受的工作荷載進行比較，在與風、地震等偶然 荷載組合

5、時，容許應力可放大 1 / 3，即相當于荷載組 合乘以 0 75 的系數(shù)。2 1 12 規(guī)劃與設計上海建設科技第 6 期2012 年我國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范 5 以及 lrfd 規(guī)范在荷載組合時通常都要乘以大于 1 的分項系數(shù)，且在公式的抗 力一側(cè)，同樣需要考慮分項系數(shù)的折減。但此分項系數(shù)與 asd 中的安全系數(shù)并非同一概念，抗力的分項 系 數(shù) 考 慮 的 是 構(gòu) 件 或 連 接 設 計 強 度 的 離 散 性 ，而asd 中 的安全系數(shù) 則來源于對實際工程 和 試驗數(shù) 據(jù)的總結(jié)。表 1 給出了本計算涉及的荷載在這 3 本 規(guī)范中的組合形式 6 7 。d 表示恒荷載，l 表示活荷 載 ，e 表 示 地

6、震 荷 載 。計 算 使 用 的 活 載 是 等 效 為 均布荷載的樓面活荷載，根據(jù)國標荷載規(guī)范可知其組合 值系數(shù)為 0 7，又根據(jù)新的國標建筑抗震設計規(guī) 范 8 ( gb 500112010 ) 可知其計算地震作用時重力 代表值的組合值系數(shù)為 0 5，同時根據(jù)第 5 4 3 節(jié)，僅 考慮豎向地震作用的各構(gòu)件承載力調(diào)整系數(shù)取為 1 0。國規(guī)范的抗彎強度表達式僅考慮了受壓翼緣寬厚比以及受彎截面形式的影響?？辜舴矫?，asd 和 lrfd都給出了限定腹板高厚比下的承載力計算公式，而 國標則采用了統(tǒng)一公式進行計算。下面選取了最基本的樓梯梁抗彎抗剪強度驗算來比較 3 本規(guī)范的結(jié) 果。梁的抗彎驗算2 2

7、1本 算 例 中樓 梯 斜梁 32b 受 到其 支 撐 的 踏板 及欄桿傳來的均布活載，又根據(jù)兩端簡支假設，需要對 其進行截面抗彎和抗剪驗算。由有限元分析結(jié)果可得某斜梁( 跨度為 4 718 mm) 各工 況下受 到的彎 矩 ( 繞強 軸) 如 表 2 所 示。由 表 1 中 的 荷 載 組 合 得 到 的 各 規(guī) 范 彎 矩 設 計 值 如 表 3 所示 。已知該型鋼對強軸的凈彈性截面模量 wx =0 017 98 ft3 = 509 cm3，塑性截面模量 wpn = 0 021 14 ft3表 1各規(guī)范的荷載組合= 599 cm ?？傻脴?gòu)件截面的荷載以及 3 種規(guī)范各自3荷載組合規(guī)范的抗彎

8、承載力如表 4 所示。表 2 某斜梁在各工況下的截面彎矩恒 + 活恒 + 活 + 地震asd 9 1 0 d + 1 0 l1 0 d + 1 0 l + 1 0 e( 應力值系數(shù)取 1 33 )1 2 d + 0 5 l + 1 5 e1 2 d + 1 2 0 5 l + 1 3 e( 承載力調(diào)整系數(shù)取 1 0 )恒載 d活載 l豎向地震力 elrfd 1 2 d + 1 6 lgb1 2 d + 1 4 l ( 可變荷載控制 )1 35 d + 1 4 0 7 l ( 永久荷 載控制 )工況/ kipft / knm/ kipft / knm/ kipft / knm彎矩m5 7317

9、7759 97113 5279 43712 803注: 公英制換算關系: 1 kips = 4 448 kn，1 ft = 0 3048 m，1 kipsft= 1 356 knm。根據(jù)表 3、表 4，得出設計荷載與承載力的比值 如表 5 所示。由表 5 可 知，采用 asd 規(guī)程 得到的荷 載強度比值較 lrfd 以及我國規(guī)范略高，而我國規(guī) 范與 lrfd 在恒載加活載工況下的比值基本相同，樓梯梁強度驗算在 構(gòu) 件 承 載 力 的 計 算 方 面 ，美 中 規(guī) 范 差 異 較 大 。例 如 在 抗 彎 驗 算 方 面 ，美 國 規(guī) 范 在 抗 彎 強 度 的 確 定 上 依 賴 于 構(gòu) 件

10、橫 截 面 、板 件 寬 厚 比 和 高 厚 比 、 荷載方向以及受壓翼緣側(cè)向支撐長度等因素 9 ，我2 2表 3 某斜梁組合后的彎矩設計值恒 + 活恒 + 活 + 地震規(guī)范荷載組合/ kipft/ knm荷載組合/ kipft/ knmasdlrfd gb1 0 d + 1 0 l1 2 d + 1 6 l1 2 d + 1 4 l ( 控制工況 )15 70222 83120 83721 30230 97328 2681 0 d + 1 0 l + 1 0 e1 2 d + 0 5 l + 1 5 e1 2 d + 0 6 l + 1 3 e28 50531 06729 50338 670

11、42 14640 025表 4各規(guī)范針對于某斜梁的抗彎承載力設計值 5，6 恒 + 活 ( 截面抗彎承載力 )恒 + 活 + 地震 ( 截面抗彎承載力 )規(guī)范荷載組合公式/ kipsft/ knm/ kipsft/ knmasdlrfd gb0 66 fy w0 9 fy wpn1 5 fy wf e 58 2793 4684 8178 95126 63114 9177 6993 4684 81105 26126 63114 91注: 1 fy 表示鋼材的屈服應力，fy = 235 mpa34 08 ksi; f 表示我國規(guī)范鋼材抗彎強度設計值，f = 215 mpa; w 表示彈性凈截面模量

12、; wpn表示塑性凈截面模量。2 32b 的翼緣厚 14 mm、寬 90 mm，寬厚比 90 / 14 = 6 4365 樤fy = 11 15，屬于美標規(guī)程中規(guī)定的緊密型截面。3 根據(jù)鋼規(guī)表 5 2 1 5 ，槽鋼截面繞主軸的截面塑性發(fā)展系數(shù) = 1 05。4 公英制換算關系: 1 kips = 6 895 mpa。 13 上海建設科技規(guī)劃與設計2012 年 第 6 期但 考 慮 地 震 荷 載 后 ，lrfd 規(guī) 程 和 asd 9 規(guī) 程 的 比值 變 化 相 同 ，均 小 于 根 據(jù) 我 國 規(guī) 范 計 算 出 的 比 值 。 這也表明，我國規(guī)范相對美標規(guī)范強化了地震荷載 對構(gòu)件截面設

13、計的影響，安全裕度更高。表 5 根據(jù)各規(guī)范得到的某斜梁彎矩作用下的荷載組合強度比值到的各規(guī)范剪力設計值如表 7 所示。計算得到的截面 抗 剪 承 載 力 設 計 值 如 表 8 所 示 。根 據(jù) 表 7、表 8， 得出設計荷 載與承載力的比 值如表 9 所示。由表 9 可知，采用 asd 計算得到的荷載強度比值略低于后2 本規(guī) 范。我國 規(guī)范在不 考慮地 震作用 下得到 的荷 載強度比值與 lrfd 基本一致，而考慮了地震作用 的 荷 載 強 度 比 值 相 對 于 asd 規(guī) 程 和 lrfd 規(guī) 程 都略大。這同樣證明了我國規(guī)范在構(gòu)件設計驗算時強化了地震作用的影響。荷載組合規(guī)范恒 + 活

14、/ %恒 + 活 + 地震 / %荷載組合強度的比值asd 9lrfd gb26 924 424 636 733 234 81 361 361 42表 6某斜梁在各工況下的截面剪力恒載活載豎向地震力梁的抗剪驗算2 2 2工況 / kips / kn / kips / kn / kips / kn 同樣選取最不利工況下的某斜梁，經(jīng)有限元分析得到其剪力如表 6 所示。由表 1 中的荷載組合得剪力 v2 31310 2873 93817 5143 75616 708表 7某斜梁組合后的剪力設計值恒 + 活恒 + 活 + 地震規(guī)范荷載組合荷載組合/ kips/ kn/ kips/ knasdlrfd

15、gb1 0 d + 1 0 l1 2 d + 1 6 l1 2 d + 1 4 l6 2509 0758 28827 80140 36736 8641 0 d + 1 0 l + 1 0 e1 2 d + 0 5 l + 1 5 e1 2 d + 0 6 l + 1 3 e10 00710 37810 02144 50946 16344 573表 8各規(guī)范針對于某斜梁的抗剪承載力設計值 5 6 恒 + 活 ( 截面抗彎承載力 )恒 + 活 + 地震 ( 截面抗彎承載力 )規(guī)范荷載組合公式/ kips/ kn/ kips/ knasdlrfd gb0 4 fy aw0 9 0 6 fy awfv

16、 tw i / s61 74883 36075 707274 48370 548336 52982 33183 36075 707365 973370 548336 529注: fy 表示鋼材的屈服強度; aw 表示受剪計算面積; fv 為國標鋼材的抗剪強度設計值; tw 為腹板厚度; i 為鋼梁毛截面慣性矩; s 為計算剪應力處以上毛截面對中和軸的面積矩。此處 h292 380418=( asd 9，英制 ) ( lrfd，英制 ) 。式中: h 對軋制型鋼，為腹板在上下兩翼緣相接處兩內(nèi)弧起點間的距離; 對焊tw10樤fy樤fyw接組合梁，為兩翼緣間的凈距。進工業(yè)電站項目開展國產(chǎn)化鋼結(jié)構(gòu)設計

17、是可行的。參考文獻:表 9根據(jù)各規(guī)范得到的該斜梁剪力作用下的荷載強度比值荷載組合劉剛 美國建筑規(guī)范體系介紹( iii) j 建筑與發(fā)展，2010 ( 9 ) aisc s3351989 specification for structural steel bui- ldings s allowable stress design and plastic design 李志明 美國鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的最新發(fā)展 j 鋼結(jié)構(gòu)，2005 ( 6 ) aisc1999 load and resistance factor design specifica- tion for structural steel buildings s gb 500172003 鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范 s 美國鋼結(jié)構(gòu)設計手冊( 上冊) m 同濟大學鋼與輕型結(jié) 構(gòu)研究室，譯 上海: 同濟大學出版社，2006gb 500092001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 s gb 500112010 建筑抗震設計規(guī)范 s 劉玉姝 美國 lrfd 鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范介紹( i) j 建筑鋼結(jié) 1 規(guī)范恒 + 活 / %恒 + 活 + 地震 / %以上兩種荷載的比值asd 9lrfd gb10 110 910 912 212 513 21 21 141 21 2 3 結(jié)語本文對比了美中鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范在鋼梁抗彎、