中國(guó)與美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的差異

1、中國(guó)與美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的差異儲(chǔ)艷春上海交通大學(xué)李磊張立力上海核工程研究設(shè)計(jì)院摘 要 借助工業(yè)電站廠房中典型樓梯梁的設(shè)計(jì)計(jì)算，介紹了美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范 asd 9、lrfd 與我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范( gb 500172003 ) 的部分差異。這對(duì)于采用國(guó)標(biāo)規(guī)范設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)具有一定的 借鑒價(jià)值。關(guān)鍵詞 規(guī)范比較 美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范美國(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范主要有 asd 9、lrfd( aisc 360 集成了 asd 和 lrfd 兩種設(shè)計(jì)方法 1 ) 、 n690 等 3 種，除 n690 專(zhuān)門(mén)用于涉核鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之 外，asd 9 以及 lrfd 均為通用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。asd 9 ( al

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

3、 靠 度 的 概 念 。 本文 在對(duì) 比 asd 規(guī)范 與我 國(guó)規(guī) 范的 差異 時(shí)也 相應(yīng) 給出 lrfd 的計(jì)算結(jié)果，以更全面地評(píng)價(jià)中國(guó)和美 國(guó)兩種規(guī)范體系的差異。型中參與計(jì)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(tái)梁以及樓梯柱組成的樓梯主框架的內(nèi)力。計(jì)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(guó)標(biāo)型鋼，單位均為公制，所以采 用 asd 規(guī) 程 計(jì) 算 時(shí) ，同 時(shí) 列 出 換 算 成 的 英 制 單 位。設(shè)計(jì)案例概況以某引進(jìn)工業(yè)電站廠房中的一個(gè)樓梯為設(shè)計(jì)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(tái)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(tái) 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(cè)圖見(jiàn)圖 1。本 樓 梯 設(shè) 計(jì) 時(shí) 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(jiǎn) 支 計(jì) 算 ; 踏步、扶手欄桿、平臺(tái)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(shí)，是利用材料 的屈服強(qiáng)度乘以給定的安全系數(shù)( 得到容許應(yīng)力) 與 材料承受的工作荷載進(jìn)行比較，在與風(fēng)、地震等偶然 荷載組合

5、時(shí)，容許應(yīng)力可放大 1 / 3，即相當(dāng)于荷載組 合乘以 0 75 的系數(shù)。2 1 12 規(guī)劃與設(shè)計(jì)上海建設(shè)科技第 6 期2012 年我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范 5 以及 lrfd 規(guī)范在荷載組合時(shí)通常都要乘以大于 1 的分項(xiàng)系數(shù)，且在公式的抗 力一側(cè)，同樣需要考慮分項(xiàng)系數(shù)的折減。但此分項(xiàng)系數(shù)與 asd 中的安全系數(shù)并非同一概念，抗力的分項(xiàng) 系 數(shù) 考 慮 的 是 構(gòu) 件 或 連 接 設(shè) 計(jì) 強(qiáng) 度 的 離 散 性 ，而asd 中 的安全系數(shù) 則來(lái)源于對(duì)實(shí)際工程 和 試驗(yàn)數(shù) 據(jù)的總結(jié)。表 1 給出了本計(jì)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(jì) 算 使 用 的 活 載 是 等 效 為 均布荷載的樓面活荷載，根據(jù)國(guó)標(biāo)荷載規(guī)范可知其組合 值系數(shù)為 0 7，又根據(jù)新的國(guó)標(biāo)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī) 范 8 ( gb 500112010 ) 可知其計(jì)算地震作用時(shí)重力 代表值的組合值系數(shù)為 0 5，同時(shí)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(guó)規(guī)范的抗彎強(qiáng)度表達(dá)式僅考慮了受壓翼緣寬厚比以及受彎截面形式的影響。抗剪方面，asd 和 lrfd都給出了限定腹板高厚比下的承載力計(jì)算公式，而 國(guó)標(biāo)則采用了統(tǒng)一公式進(jìn)行計(jì)算。下面選取了最基本的樓梯梁抗彎抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算來(lái)比較 3 本規(guī)范的結(jié) 果。梁的抗彎驗(yàn)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(lái)的均布活載，又根據(jù)兩端簡(jiǎn)支假設(shè)，需要對(duì) 其進(jìn)行截面抗彎和抗剪驗(yàn)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(qiáng) 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(shè) 計(jì) 值 如 表 3 所示 。已知該型鋼對(duì)強(qiáng)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 。可得構(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(yīng)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(guān)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(shè)計(jì)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(qiáng)度比值較 lrfd 以及我國(guó)規(guī)范略高，而我國(guó)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(qiáng)度驗(yàn)算在 構(gòu) 件 承 載 力 的 計(jì) 算 方 面 ，美 中 規(guī) 范 差 異 較 大 。例 如 在 抗 彎 驗(yàn) 算 方 面 ，美 國(guó) 規(guī) 范 在 抗 彎 強(qiáng) 度 的 確 定 上 依 賴(lài) 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(zhǎng)度等因素 9 ，我2 2表 3 某斜梁組合后的彎矩設(shè)計(jì)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(duì)于某斜梁的抗彎承載力設(shè)計(jì)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(yīng)力，fy = 235 mpa34 08 ksi; f 表示我國(guó)規(guī)范鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，f = 215 mpa; w 表示彈性?xún)艚孛婺Ａ?/p>

12、; wpn表示塑性?xún)艚孛婺Ａ俊? 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(biāo)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(guān)系: 1 kips = 6 895 mpa。 13 上海建設(shè)科技規(guī)劃與設(shè)計(jì)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(guó) 規(guī) 范 計(jì) 算 出 的 比 值 。 這也表明，我國(guó)規(guī)范相對(duì)美標(biāo)規(guī)范強(qiáng)化了地震荷載 對(duì)構(gòu)件截面設(shè)

13、計(jì)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(qiáng)度比值到的各規(guī)范剪力設(shè)計(jì)值如表 7 所示。計(jì)算得到的截面 抗 剪 承 載 力 設(shè) 計(jì) 值 如 表 8 所 示 。根 據(jù) 表 7、表 8， 得出設(shè)計(jì)荷 載與承載力的比 值如表 9 所示。由表 9 可知，采用 asd 計(jì)算得到的荷載強(qiáng)度比值略低于后2 本規(guī) 范。我國(guó) 規(guī)范在不 考慮地 震作用 下得到 的荷 載強(qiáng)度比值與 lrfd 基本一致，而考慮了地震作用 的 荷 載 強(qiáng) 度 比 值 相 對(duì) 于 asd 規(guī) 程 和 lrfd 規(guī) 程 都略大。這同樣證明了我國(guó)規(guī)范在構(gòu)件設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)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(shè)計(jì)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(duì)于某斜梁的抗剪承載力設(shè)計(jì)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(qiáng)度; aw 表示受剪計(jì)算面積; fv 為國(guó)標(biāo)鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值; tw 為腹板厚度; i 為鋼梁毛截面慣性矩; s 為計(jì)算剪應(yīng)力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩。此處 h292 380418=( asd 9，英制 ) ( lrfd，英制 ) 。式中: h 對(duì)軋制型鋼，為腹板在上下兩翼緣相接處兩內(nèi)弧起點(diǎn)間的距離; 對(duì)焊tw10樤fy樤fyw接組合梁，為兩翼緣間的凈距。進(jìn)工業(yè)電站項(xiàng)目開(kāi)展國(guó)產(chǎn)化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

17、是可行的。參考文獻(xiàn):表 9根據(jù)各規(guī)范得到的該斜梁剪力作用下的荷載強(qiáng)度比值荷載組合劉剛 美國(guó)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(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范 s 美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)( 上冊(cè)) m 同濟(jì)大學(xué)鋼與輕型結(jié) 構(gòu)研究室，譯 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社，2006gb 500092001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 s gb 500112010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 s 劉玉姝 美國(guó) 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(yǔ)本文對(duì)比了美中鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范在鋼梁抗彎、