中美钢结构抗震设计规范比较讲座

中美钢结构抗震设计规范比较讲座武汉大学侯建国2010.8.12美国钢结构协会AISC1923年制定了第一本以容许应力设计法(AllowableStressDesign，简称ASD)为设计准则的钢结构设计规范。容许应力设计法作为钢结构设计的基础延用了相当长的时间，后历经多次修改，直至1961年，其基本格式及内容都已基本定型。1.1美国钢结构设计规范的发展概况1美国钢结构设计规范及抗震设计标准体系的发展概况1989年出版了最后一版ASD设计规范AISC(1989)；2001年对ASD又进行了局部修订(AISC335-89s1)。由Galambos、Ellingwood、MacGregor.t和Cornell等人发展的、以概率理论为基础的荷载准则，促使美国国家标准化协会(AmericanNationalStandardsInstitute，ANSI）制订了一本以概率理论为基础的国家标准ANSIA58.1-1982“MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures”。它后来又以美国土木工程学会的标准7(ASCE7)出版发行，其最新版本为ASCE/SEI7-05“MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures”。1986年，AISC的规范委员会(COS)根据ANSIA58.1-1982的规定，首次推出了以概率理论为基础的荷载抗力系数钢结构设计规范(LoadandResistanceFactorDesign，简称荷载抗力系数设计法LRFD)。ASCE/SEI7-05是按概率极限状态设计原则和结构可靠度理论编制的，作为美国各种结构设计规范统一的概率设计准则和荷载取值依据（包括地震作用的取值标准）等，类似于我国的荷载规范，并包括了类似于我国抗震规范中的抗震设防标准、地震动参数及地震作用的取值标准等内容。AISC的规范委员会在1986年继ASD设计规范修订版后，推出了LRFD设计规范，作为与ASD并行的设计规范，供设计人员选用。LRFD规范在1991年和1993年历经两次修订，其最新版本为1999年12月27日发布的第三版AISC(2000b）。由于美国国内部分工程师对LRFD还不够熟悉，而另一些资深工程师对LRFD尚有不同看法，使ASD设计法在美国仍较为流行，因而LRFD在较长时间内可能还难以完全取代ASD。AISC充分考虑了工程界的现状和实际需求，于2005年4月，由美国钢结构协会正式发布和出版了目前最新版的ANSI/AISC360-05《SpecificationforStructuralSteelBuildings》，该规范融合了ASD和LRFD两种设计方法的理念，可以说是一本同时包括两种设计方法的“统一”和“单一”的设计规范，设计人员可选择两种方法之一(ASD或LRFD）进行设计。应予说明的是，ANSI/AISC360-05仅涵盖了钢结构的静力设计，钢结构的抗震设计还应遵循钢结构抗震设计规范ANSI/AISC341-05《SeismicProvisionsforStructuralSteelBuildings》的规定。ANSI/AISC341-05的抗震设计原则和抗震设防标准主要依据ASCE/SEI7-05确定，为钢结构或钢-混凝土组合结构的抗震设计提出了最低的抗震设防标准。美国工程结构抗震设计的标准体系大体上分为国家标准、协会标准及地方标准（洲或地区的标准）。美国工程结构抗震设计标准体系的发展历程大体上经历了初创、发展、统一等几个发展阶段。1.2美国工程结构抗震设计的标准体系介绍1925年加州发生的SantaBarbara地震促成了美国第一个带有建筑结构抗震设计内容的规范UBC“UniformBuildingCode”（《统一建筑规范》）于1927年出版，UBC主要用于美国西部各州。这一阶段的地方性工程结构抗震设计规范除了上述的UBC之外，又相继出现了NBC“NationalBuildingCode”（《国家建筑规范》）和SBC“StandardBuildingCode”（《标准建筑规范》）NBC主要用于美国东北部各州；SBC主要用于美国中南部各州。20世纪末，美国人看到了将抗震规范统一起来的必要。1995年，UBC、NBC与SBC三本规范编制机构成立了国际规范协会ICC（InternationalCodeCouncil），开始推动建筑结构设计规范的统一。1997年，SEAOC推出了最新版的UBC。2000年，以1997NEHRPProvision为基础的IBC2000规范正式发布实施，取代了UBC、SBC和NBC等规范，从而使美国的抗震设计规范达到了统一。IBC每3年修订一次，目前最新版本是IBC2009。可以把IBC视为一个规范门户，由它通向各个专门规范。在抗震设计方面，IBC大多引用了属于国家标准层面的ASCE/SEI7-05《MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures》（《建筑物和其他结构最小设计荷载》）中的建议性条文。ASCE/SEI7是一个针对各种结构形式的荷载规范，除规定了直接作用（如永久荷载和可变荷载）的取值规定外，还规定了间接作用（如地震作用）的取值规定，包括抗震设防目标、场地特性、设计地震作用、地震响应计算方法、结构体系与概念设计等抗震设计方面的内容，至于结构构件抗震承载力验算和抗震构造规定等具体的抗震设计内容，ASCE7则援引到其他专门的规范，如混凝土结构抗震设计还要求符合ACI318规范的规定；钢结构抗震设计还要求符合ANSI/AISC341-05“SeismicProvisionsforStructuralSteelBuildings”（《建筑钢结构抗震设计规范》）的规定。ASCE/SEI7-05是按概率极限状态设计原则和结构可靠度理论编制的，统一了美国各种结构设计规范的基本设计原则和荷载取值标准（包括地震作用的取值标准）及荷载效应的组合原则和计算公式、荷载分项系数及组合系数的取值规定等，类似于我国的荷载规范，并包括了类似于我国抗震规范中的抗震设防标准、地震动参数及地震作用的取值标准等内容。本次讲座基于从中美钢结构抗震设计规定的差异性的比较展开，其间列出美国ASCE/SEI7-05等规范中的一些重要抗震设计参数、公式及适用范围的规定，供设计人员在应用这些规范时参考。比较中所参考的主要规范和标准包括：1、ASCE/SEI7-05“MinimumDesignLoadsforBuildingsandOtherStructures”；2、ANSI/AISC341-05“SeismicProvisionsforStructuralSteelBuildings”；3、ANSI/AISC360-05“SpecificationforStructuralSteelBuildings”；4、GB50011-2001《建筑抗震设计规范》（2008年版）；5、GB50017-2003《钢结构设计规范》。2中美钢结构抗震设计方法的比较2.1抗震设防目标的比较2.1.1GB50011-2001的抗震设防目标三水准设防目标和二阶段设计步骤：三水准设防目标：（1）当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理即可继续使用———“小震不坏”；（2）当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用——“中震可修”；（3）当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏——“大震不倒”。三水准的地震作用水平，按三个不同超越概率（或重现期）来区分：（1）多遇地震（小震）：50年的超越概率为63.2%，重现期为50年；（2）设防烈度地震（基本烈度地震，中震）：50年的超越概率为10%，重现期为475年；（3）罕遇地震（大震）：50年的超越概率为2%~3%，重现期为2475~1641年。根据统计分析，小震烈度约比基本烈度低1.55度，大震烈度约比基本烈度高1度左右。通过两阶段设计，即承载力验算阶段和弹塑性变形验算阶段来实现上述三个水准的设防目标。2.1.2ASCE/SEI7-05的抗震设防目标（1）设防目标：通过最小化地震风险，来为具有考虑保护公众健康、安全、财产功能与使用要求的建筑物提供最低设计标准。针对设计地震等级，改善储存大量危险材料的重要设施与结构的性能，使其在震中和震后保持其功能。（2）实现方法：美国规范通过对结构考虑两种强度等级的地震作用，“设计地震”和“最大考虑地震”，来实现结构的抗震目标。1）“最大考虑地震”对应于地震作用区划图上50年超越概率为2％的罕遇地震。从超越概率的角度来看，基本上对应于我国规范的“大震”水准；2）“设计地震”加速度为“最大考虑地震”的2/3。从超越概率的角度来看，“设计地震”强度水准大致与我国规范的“中震”水准相当。ASCE/SEI7-05的抗震设防目标大致可以归纳为相当于二水准的设防目标，即对于50年超越概率为10%的设计地震，应使建筑在震中与震后保持预期功能，并且结构的损伤是可修的；对于50年超越概率为2%的最大考虑地震，应使结构倒塌的可能性较低。2.2抗震设防依据的比较2.2.1GB50011-2001抗震设防依据GB50011-2001抗震设防的主要依据为GB18306-2001《中国地震动参数区划图》中的地震基本烈度（或与设计基本地震加速度值对应的烈度值）。所谓“设计基本地震加速度值”是指50年设计基准期超越概率10%的地震加速度设计取值；已编制抗震设防区划的城市，可按批准的抗震设防烈度或设计地震动参数进行抗震设防。GB50011-2001将抗震设防烈度值、设计基本地震加速度值与中国地震动参数区划图的地震动峰值加速度值，利用表2-1的对应关系予以联系和协调。表2-1中的设计基本地震加速度的取值与《中国地震动参数区划图》所规定的“地震动峰值加速度”相当，只是在0.10g与0.20g之间及0.20g与0.40g之间分别增加了0.15g、0.30g的区域，这两个区分别与7度及8度地区相当。工程界大多接受地面运动最大加速度的大小对结构反应起主要影响的观点，抗震规范中通常把烈度指标用地震系数k=a/g（a为地面运动峰值加速度，g为重力加速度）表达。因此，表2-1中设计基本地震加速度中g前的系数亦称为对应于抗震设防烈度的地震系数。2.2.2ASCE/SEI7-05抗震设防依据ASCE/SEI7-05直接利用美国地质调查局（UntiedStatedGeologicalSurvey,USGS）给出地震地面运动最大加速度等值线图（也称为地震区划图）作为抗震设防依据。美国地震区划图给出了短周期（T=0.2s）和1s周期阻尼比为0.05的地震地面运动最大加速度等值线图（参见图2-1）。图2-1ASCE/SEI7-05地震区划图示例（部分）设计时，可根据建筑物所在地，在地震区划图上查的相应的地震反应谱加速度值。GB50011-2001抗震设防烈度（设计基本地震加速度值）与ASCE/SEI7-05短周期反应谱加速度SS及1s周期反应谱加速度S1等地震动参数之间的对应关系见表2-2~表2-3，供参考。注：由于GB50011-2001的II类场地同时与ASCE/SEI7-05的C类或D类场地相对应，故表2-2中IIC表示GB50011-2001的II类场地中相当于ASCE/SEI7-05C类场地的部分，表2-3中IID表示GB50011-2001的II类场地中相当于ASCE/SEI7-05D类场地的部分。2.3抗震设防标准的比较2.3.1GB50011-2001的抗震设防标准GB50011-2001规定，所有建筑的抗震设防类别和抗震设防标准应符合现行国家标准GB50223-2008《建筑工程抗震设防类别标准》的要求。GB50223-2008规定，建筑工程应分为以下四个抗震设防类别：（1）特殊设防类（甲类）：指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和