中国和美国现行建筑结构设计规范的差异比较 ComParingtheCurrentBuildingStruetureDesignCodeofChinaandUnitedStates .宋卫平SongWeiPing [摘要]本文通过对中国和美国的结构设计规范的比较,包 括混凝土结构设计规范和抗震设计规范,分析两国的规范 差异,从而让我们熟悉两国规范的实用性。主要内容包括 混凝土结构设计规范的设计原则和荷载取值的比较,中美 抗震规范的设防目标、场地分类和地震反应谱曲线的对比 分析。 [关键词]结构设计规范比较实用性 [AbstractlThroughaeomParatlvestu街ofChineseandAm- eneanstruetu此deslgnsPeelfieatlo几Includingthedeslgnof eodefordeslgnofeone此testructu此5andeodeforselsmiede- slgnofbulldings,analyzesthedlffe此neesoftwostandards,50 thatwea此角nllllarwlththePractle北llltyofthetwosPeelfiea- tlons.CoFll〕ansonofthem沮neontentslneludedeslgnPnnel- Pleandloadeodefordeslgnofeone此testructu此,eoFll〕aratlve analyslsofslteelasslfieatlonalldtheselsmiefortlfieatlongoal, theselsmiesPeetrumcurve. [Ke卿ordslstrueto此deslgnsPeelfieatlo几eoFll〕anson,Practl- callty 一、月吐吕 近年来我国在国际上承担的工程项目越来越 多,很多国家都要求用美国的规范设计,因此学习 美国的规范对我国的设计人员越来越重要。在美国 没有统一的结构设计规范,比较流行的是国家指导 性规范ASCE7系列和一些地方性规范,比如UBC系 列(使用于西部地区)、NBC系列(使用于东北部地 区)和SBC系列(使用于中南部地区)。除了这些 系统的规范集还有一些专门的结构规范,比如混凝 土结构规范AC工。此外对抗震设计,美国还有一部 技术指南性文件NEH即(NationalEarthquake HazardSRedoetionProgram)。ASCE7采纳了NEHRP 第一版的很多建议,NBc和sBc主要采用了AscE7 中的建议性条文。2。。。年,uBc,NBc与sBc三本 规范的编制机构成立了国际规范协会Icc (InternationalCodeCooneil),出版了以ASCE为 基础的IBC2000,以取代UBC,SBC和NBC等规范, 使美国的新建建筑规范达到统一。从以上规范的历 史渊源来看,AscE,NEH即,NBc和sBc以及IBc彼 此接近,而NBC,SBC和IBC就是建立在ASCE7基 础上,其很多条文都指向了AscE7。uBc相对独立。 在涉外工程中,ASCE,IBC和UBC用得比较多,通 过实例分析这三本美国规范「1一3]与中国抗震规范 「4]在制定目标和技术细节方面的异同,可为涉外工 程设计参考。 二、混凝土结构设计规范 1.设计原则 中国混凝土结构设计规范[CodeforDesignof ConereteStroetore](GB50010一2010)和美国房 屋建筑混凝土结构规范(Acl318一05)及条文说明 (Acl318R一05)[BoildingcodeReqoirementsfor StrueturalConerete(ACI318一05)andCo姗entary (Acl318R一05)]之间存在比较大的差异。我国规 范采用以概率理论为基础的极限状态设计法,以可 靠指标度量结构构件 的可靠度,采用分项系数的设 计表达式进行设计。而美国规范是以可靠度理论为 基础,采用的设计表达式也没有分项系数。从整体 上说美国的结构混凝土设计所用的可靠度表达方式 与我国规范有一定的相似之处,但在设计用荷载和 设计用材料强度的取值水准上以及可靠度的表达方 式上与我国规范有不可忽视的区别。 2.荷载 Acl规范中的恒荷载是指那些在结构使用期限 内,其值不变和位置固定的荷载,相当于我国规范 中的永久荷载。通常恒荷载的主要部分是结构自身 的重量。恒荷载可根据结构的设计形状、尺寸和材 料密度进行精确计算。对于楼盖填充物、楼板面层 和顶棚抹灰等一般计入恒荷载,还要考虑管道和灯 具的悬吊荷载。 三、抗震设计规范 1.设防目标 uBc1997抗震设防目标是“避免结构倒塌和人 身伤亡”,采用单一的设防水准,即以50年超越概 率10%的地震作用,地震设计重现期为475年,作 为基准设防地震作用。IBC2000的抗震目标是“每 个结构和结构部分,包括永远附在结构上的非结构 组件、结构支撑物和附属结构都要设计并建为可抵 抗ASCE7所指地震移动产生的效应”,而ASCE7的抗 震目标是“为设计、建造抗震建筑提供参考标准”。 其地震设计重现期是50年内超越概率2%的地震作 用,重现期为2500年,作为基准设防地震作用。 但在具体计算时,相应加速度需乘2/3的系数。我 国《建筑抗震设计规范》(GBS。。11一201。)是“三 水准设防目标”,即小震不坏,中震可修,大震不倒, 分别对应于以50年超越概率63%,10cy0和2%一3%的 地震作用。以下是三本规范设防水准及目标对比。 2.场地分类 场地是决定地震作用的一个关键因素。按照场 地土的剪切波速,GBS。。11一201。将场地土分为I一 W四类,uBc将场地分为sA一sF五类,相应于IBc 的A一F五类。表2中是其对应关系。工Bc,AscE7 和uBc均指“如果场地的土壤特性具体信息不充分, 不能确定场地的级别,则划分其为D类场地”。 3.地震反应谱曲线的确定 GBS。。11一201。根据全国各地地震烈度的不 同,把全国分为6,7,8,9度四个设防烈度区,并 把地震分为多遇地震和罕遇地震两个水平,给出相 应的水平地震影响系数最大值。max。并按近远震, 分为三个地震设计组,和场地类别结合,给出特征 周期Tg。根据。max和Tg给出反应谱曲线。和 GBS。。11一201。的思路相同,uBc将全美国各地按 照其烈度不同,分为5个区,按烈度从小到大依次 为。度区、1度区、ZA度区、ZB度区、3度区和 4度区。对应不同的震区,有不同的震区影响系数z。 对应不同的Z值和地基土性质,给出了不同的地震 力系数Cv和Ca。按UBC,北京属3度区。 四、结 语 (1)Acl318一05与GB50010一2010都采用概 率极限状态设计方法进行混凝土结构设计,在承载 能力极限状态设计中,两本规范对同一种受力状态 截面的基本假定是一致的,但是,Ac工318一。5针对 不同受力状态的截面用不同的名义承载力折减系数 (抗分项系数)进行承载力计算,而GBS。。1于201。 对一种材料(混凝土或钢筋)采用单一的材料分项 系数进行不同受力状态的承载力计算。这是造成两 本规范配筋量差异的重要原因。(2)在两国规范中, 除住宅、教室楼面活荷载较接近外,其余建筑的楼 面活荷载取值,美国都比我国偏大。(3)中美两国 在钢材和混凝土的品种、强度取值、构造措施、单 位制式以及荷载的取值等方面存在着较大的差异, 因而在进行两国规范比较时,不可简单类比,需要 进行全面关系转换,才可得到真实结果。(4)uBc也 充分考虑了场地地基土性质的不同,其对近震的影 响,作了增大的保守处理。(5)因为荷载取值的不 同(比如荷载分项系数取值不同),计算方法的差 别,IBc,uBc以及GB50011一2010计算结果不具 有量的可比性,当取同一重力荷载代表值后,按美 国两本规范工Bc和uBc计算的基底剪力都比 GBS。。11一201。的大。(6)美国抗震设计规范在地 震作用弹性分析下的安全度水平较高,包括更可靠 细致的定量化地震动参数、对场地影响的更详细考 虑、更大的弹性反应谱取值、使用超过“中震”的 设计地震等;而在计算设计地震作用时,采用了更大 的反应修正系数,相对中国规范进行了更大的折减; 在抗震措施上,尽管美国规范要求更高的延性水平, 但除少数项目外,多数措施实际与中国规范相当。 (7)两国的规范都有自己的优点和缺点,但在各自 国家环境下都处于结构专业的领先水平,由于本人 知识和理论水平及研究时间有限,希望在今后的发 展过程中我国的专家能结合两国规范的优点研发出 更利于当今社会建筑结构设计的指南。 参考文献 「1]美国混凝土学会(ACI)318委员会著,张川,白 绍良,钱觉时译.美国房屋建筑混凝土结构规范(AcI 318一05)及条文说明(Acl318R一05)[M].重庆大学出 版社出版,2007· 「2]GB5001于201。,中国混凝土结构设计规范「S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010. [3]阳50011一2010,建筑抗震设计规范[s].北京:中 国建筑工业出版社,2010. (作者单位:中国能建湖南省火电建设公司,漳州 363216) 202