田茂金，黃 勝

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

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美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范在高樁碼頭樁基設(shè)計中的應(yīng)用

田茂金，黃 勝

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

本文詳細(xì)介紹美國《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》在高樁碼頭鋼管樁設(shè)計中的應(yīng)用，對比分析《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》與《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》的差異，采用兩種鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范分別對鋼管樁進(jìn)行計算分析，得出一些有益結(jié)論，為涉外工程鋼管樁設(shè)計提供了有益參考。

美標(biāo)；ANSI/AISC 360；鋼管樁；中美對比

引 言

美國《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》是由美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會（American Institute of Steel Construction，AISC）頒布的一本美國國家規(guī)范，該規(guī)范作為國際上通用的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，常見于涉外工程的國際通用規(guī)范目錄中。隨著水運工程涉外項目日益增多，對國際通用設(shè)計規(guī)范的深入了解越發(fā)重要和迫切。如何了解美國規(guī)范，理解中美規(guī)范中存在的差異，繼而靈活應(yīng)用美國規(guī)范是涉外工程設(shè)計人員普遍關(guān)心和迫切需要解決的問題。

本文著重介紹了《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》在高樁碼頭鋼管樁設(shè)計中的應(yīng)用及其典型設(shè)計要點和參數(shù)，對比分析了《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》［1］與《水運工程鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》［2］的相關(guān)差異，并對兩種規(guī)范進(jìn)行了簡要分析，對涉外工程鋼管樁設(shè)計具有一定的借鑒意義。

1 《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》截面分類

《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中根據(jù)截面的不同類別，將截面分為3類，分別為：緊湊構(gòu)件、非緊湊構(gòu)件以及細(xì)長構(gòu)件。對于鋼管樁，《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中根據(jù)“鋼管樁直徑與壁厚的比值”與“結(jié)構(gòu)彈性模量與屈服強度的比值”的相對關(guān)系對鋼管樁截面類別進(jìn)行劃分。

2 名義承載力計算

2.1 軸壓作用下鋼管樁軸向名義承載力計算

《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中針對不同截面類型構(gòu)件的名義軸壓強度計算如下式所示：

式中：Pn為名義耐壓強度；Fcr表示臨界應(yīng)力；Ag表示截面面積。

對于不同類型的截面，《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中均給出了相應(yīng)于各截面類型的計算公式，對于桿件結(jié)構(gòu)可根據(jù)公式（2）以及公式（3）分別進(jìn)行計算（《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中公式E7-2以及E7-3）：

式中：E為鋼材的彈性模型，取值為200 000 MPa；Fe可根據(jù)《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中 E3-4或者E3-5計算得到（適用于雙重對稱結(jié)構(gòu)），E3-4、E4-5（適用于單一對稱結(jié)構(gòu)）以及 E4-6（適用于非對稱構(gòu)件），實際計算時可根據(jù)截面的具體形式選擇合適的公式進(jìn)行相關(guān)計算。

對于鋼管樁壓彎結(jié)構(gòu)Fe可由《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中式E3-4，如下式計算得到：

根據(jù)《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》E7-19對于軸向載荷作用下的圓截面，Q可根據(jù)下式計算得到：

2.2 彎矩作用下鋼管樁抗彎名義承載力計算

2）局部屈曲強度

故根據(jù)《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》，鋼管樁的彎曲名義承載力如下式所示：

2.3 剪力作用下鋼管樁抗剪名義承載力計算

對于空心圓截面，鋼管樁的名義剪切強度取決于剪切屈服以及剪切屈曲兩種狀態(tài)，由《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》G6-1計算得到，如下式所示：

不得大于0.6Fy。

2.4 扭矩作用下鋼管樁抗扭名義承載力計算

對于空心圓截面，鋼管樁的名義抗扭強度取決于扭曲屈服以及扭曲屈曲兩種狀態(tài)，由《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》H3-1計算得到，如下式所示：

式中：C為空心圓截面扭曲常量；Fcr不得大于0.6Fy，由下式確定：

式（9）中：L為構(gòu)件長度；D為外直徑；C空心圓截面扭曲常量，對于圓形空心圓截面，有：

3 組合內(nèi)力作用下截面承載能力計算

《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中主要存在兩種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，一種是容許應(yīng)力法（Allowable Stress Design，ASD），該方法給出一個安全系數(shù)，并將此作為度量材料達(dá)到屈服強度破壞或者是桿件進(jìn)入屈曲狀態(tài)而失效的抵抗能力；另一種設(shè)計方法是荷載和抗力分項系數(shù)法（Load and Resistance Factor Design，LRFD），該方法引入了結(jié)構(gòu)可靠度概念，與我國目前采用的可靠度方法思路基本一致，雖該方法比較復(fù)雜，但該方法具有較可靠的理論分析基礎(chǔ)以及試驗結(jié)果，因此該方法得到越來越多設(shè)計人員的認(rèn)可。新版的《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中極大部分承載能力計算均采用LRFD方法，因此新規(guī)范實際上是基于LRFD方法的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，故本文在計算中均采用LRFD方法。

采用LRFD法時，抗力系數(shù)為φt=0.90（LRFD），結(jié)構(gòu)的設(shè)計表達(dá)式為：

式中：Ra為根據(jù)LRFD荷載組合而計算得到的內(nèi)力設(shè)計值；Rn為名義承載力（也稱為承載能力標(biāo)準(zhǔn)值）；φt為抗力系數(shù)（也稱為抗力折減系數(shù)）；φtRn即為設(shè)計強度。

采用ASD法時，安全系數(shù)為ΩT=1.67（ASD），結(jié)構(gòu)的設(shè)計表達(dá)式為：

式中：Ra為根據(jù)ASD荷載組合而計算得到的內(nèi)力設(shè)計值；Rn為名義承載力（也稱為承載能力標(biāo)準(zhǔn)值）；ΩT為安全系數(shù)；Rn/ΩT為容許強度。

上述兩種設(shè)計方法，公式右邊均為抗力項，左邊均為荷載作用效應(yīng)，由于名義承載力（也稱為承載能力標(biāo)準(zhǔn)值）是唯一的，不會因為采用何種設(shè)計方法而得到不同結(jié)果，因此，兩種設(shè)計方法最大的不同在于不同設(shè)計方法的荷載組合以及安全系數(shù)（ASD方法）或抗力系數(shù)（LRFD方法）的不同。

當(dāng)結(jié)構(gòu)所需抗扭強度小于0.2Tc時，《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》H3.2規(guī)定，空心圓截面所能承受的組合軸力、彎曲、剪切以及扭轉(zhuǎn)作用，需要根據(jù)《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》H1確定且需忽略扭轉(zhuǎn)的作用。

對于受壓彎的多重以及單一對稱構(gòu)件，截面所能承受的組合壓彎承載力由規(guī)范H1確定，如下式所示（采用LRFD方法）：

式中：Pr為所需軸向耐壓強度；Pc=φPn為設(shè)計拉伸或者壓縮強度；Mr為所需彎曲強度； Mc= φbMn為設(shè)計彎曲強度；x為強軸；y為弱軸。

當(dāng)結(jié)構(gòu)所需抗扭強度大于 0.2Tc時，空心圓截面所能承受的組合軸力、彎曲、剪切以及扭轉(zhuǎn)作用的構(gòu)件由規(guī)范H3-6確定，如下式所示（對于LRFD方法）：

式中：Pr為所需軸向耐壓強度；Pc=φPn為設(shè)計拉伸或者壓縮強度；Mr為所需彎曲強度；Mc= φbMn為設(shè)計彎曲強度；Vr為所需抗剪強度；Vc= φvVn為設(shè)計抗剪強度；Tr為所需抗扭強度；Tc= φrTn為設(shè)計抗扭強度。

4 《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》鋼管樁應(yīng)力

由于中國工程師對《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》較為熟悉，本節(jié)僅對《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中鋼管樁應(yīng)力計算公式進(jìn)行簡要介紹，其余不再贅述。為便于中國規(guī)范與美國規(guī)范的對比分析，本文對公式（13）、（15）以及（17）兩邊同時除以鋼材的抗壓強度設(shè)計值f，將公式改寫為如式（14）、（16）以及（18）所示。當(dāng)計算值不大于1時則認(rèn)為截面滿足要求，當(dāng)計算值大于1時認(rèn)為截面發(fā)生破壞。經(jīng)改寫后，中美兩國規(guī)范在結(jié)果的判斷形式上基本保持一致。

4.1 強度計算

拉彎和壓彎構(gòu)件的強度計算應(yīng)滿足下式：

式中：N為軸向拉力或軸向壓力設(shè)計值；An為凈截面面積；Mx為繞強軸作用的最大彎矩設(shè)計值；γx、γy為與截面模量相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù)；Wnx、Wny為對z軸和y軸的凈截面模量；My為繞弱軸作用的最大彎矩設(shè)計值；f為鋼材的抗拉或抗壓強度設(shè)計值。

4.2 壓彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定性驗算

彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性：

彎矩作用平面外的穩(wěn)定性：

式中：N為所計算構(gòu)件段范圍內(nèi)的軸向壓力設(shè)計值；φx為彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；A為構(gòu)件的毛截面面積；βmx為彎矩作用平面內(nèi)的等效彎矩系數(shù)；Mx所計算構(gòu)件段范圍內(nèi)的最大彎矩設(shè)計值；γx與截面模量相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù)；W1x在彎矩作用平面內(nèi)對較大受壓纖維的毛截面模量；f鋼材的抗壓強度設(shè)計值；φy彎矩作用平面外的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；η截面影響系數(shù)；βtx彎矩作用平面外的等效彎矩系數(shù)；φb均勻彎曲的受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)。

5 中美規(guī)范鋼管樁截面內(nèi)力對比分析

算例計算參數(shù)：鋼管樁外徑1 000 mm；鋼管樁壁厚16 mm（考慮2 mm的腐蝕厚度，實際有效壁厚取值為14 mm）；鋼管樁內(nèi)徑968 mm；鋼管樁計算長度均取值為20 m；材料牌號ASTM A252牌號3，鋼材的屈服強度為310 MPa，對應(yīng)中國標(biāo)準(zhǔn)的鋼材屈服強度為280 MPa，其他參數(shù)如表1所示。

表1　ASTM A252鋼材拉伸性能要求［2］

《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》鋼管樁設(shè)計，主要設(shè)計思路為：根據(jù)截面屬性，選擇合適的公式計算各截面的名義承載能力（主要包括名義抗壓、抗拉、彎曲、剪切以及扭轉(zhuǎn)名義承載力）；根據(jù)不同的設(shè)計方法（LRFD或ASD法）對各工況進(jìn)行荷載組合，得到所需的設(shè)計荷載；計算結(jié)構(gòu)在組合軸力、彎曲、剪切以及扭轉(zhuǎn)作用下的承載能力，當(dāng)計算結(jié)果不大于1時，截面滿足要求，當(dāng)計算結(jié)果大于1時，截面承載能力不足，需修改截面進(jìn)行重新計算。

從表面上看，中美鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范在設(shè)計上具有很大不同，且兩國規(guī)范在計算公式、參數(shù)的選取以及參數(shù)描述上均有較大差異，但美國規(guī)范與中國規(guī)范的設(shè)計思路也有相似之處。中國規(guī)范中計算的是截面的最大應(yīng)力，在組合內(nèi)力的作用下，當(dāng)各個內(nèi)力貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力累加并超過鋼材的強度設(shè)計值時認(rèn)為截面不滿足設(shè)計要求，美國規(guī)范則將各內(nèi)力的所需強度與設(shè)計強度相比并進(jìn)行累加，當(dāng)結(jié)果超過1時則認(rèn)為截面不滿足設(shè)計要求需重新計算。

《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中強度驗算和穩(wěn)定驗算是分開考慮的，且對于不同的彎矩作用平面以及不同的桿件截面類型均有不同的計算公式，而《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》在驗算截面受壓與彎曲的組合作用時同時考慮了穩(wěn)定，未進(jìn)行單獨計算。

對于常規(guī)的高樁碼頭結(jié)構(gòu)，樁基主要承受彎矩以及軸力的作用，剪力以及扭矩并不是主導(dǎo)荷載，為便于計算和對比分析，不考慮剪力以及扭矩的作用。選用美國常用的鋼材牌號ASTM A252等級3鋼材，采用中美兩國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對軸力以及彎矩作用下鋼管樁分別進(jìn)行計算，分析鋼管樁在軸力以及彎矩作用下兩規(guī)范的差異，計算結(jié)果如表2所示。

表2　中美規(guī)范計算結(jié)果對比

從表2中可以看出，僅在軸力作用下，兩國規(guī)范在計算結(jié)果上相差不大，《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算結(jié)果略微偏大；僅在彎矩作用下，《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算結(jié)果較《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》明顯偏大一些；當(dāng)軸力不變時，隨著彎矩逐漸增大，計算結(jié)果差別越來越大，總的趨勢為《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算結(jié)果較《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》偏大一些。這主要是由于《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》在計算截面的抗彎名義承載力時采用塑性彈性模量，充分利用材料的強度，該值較彈性截面模量偏大，而《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》雖然也考慮了一部分塑性，但對于空心圓截面而言，截面塑性發(fā)展系數(shù)取為1.15，一般來說該值較采用塑性截面模量仍偏??；總的來說，兩規(guī)范對比計算中，《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算得到的結(jié)果均較《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》偏大。

在同樣的設(shè)計荷載作用下，雖然表2中采用《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算得到的結(jié)果較《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》偏大，但由于美國標(biāo)準(zhǔn)以及中國標(biāo)準(zhǔn)在荷載組合以及各荷載分項系數(shù)取值均有所差異，同樣的外力，分別采用兩國標(biāo)準(zhǔn)得到的設(shè)計荷載也會有所不同，因此并不能簡單地認(rèn)為中國標(biāo)準(zhǔn)偏于保守，美國標(biāo)準(zhǔn)偏于危險，實際應(yīng)用中還應(yīng)綜合其他相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計以得到更加準(zhǔn)確的計算結(jié)果。

6 結(jié) 論

1）《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中強度驗算和穩(wěn)定驗算分開考慮的，《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》在驗算截面受壓與彎曲的組合作用時同時考慮了穩(wěn)定，未進(jìn)行單獨計算。

2）僅在軸力作用下，兩國規(guī)范計算結(jié)果相差不大；彎矩作用下，《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》較《ANSI/AISC 360鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》計算結(jié)果偏大。

3）由于美國標(biāo)準(zhǔn)以及中國標(biāo)準(zhǔn)在荷載組合等方面上的差異，并不能簡單地認(rèn)為中國標(biāo)準(zhǔn)偏于保守，美國標(biāo)準(zhǔn)偏于危險，設(shè)計人員在設(shè)計中應(yīng)格外注意。

［1]ANSI/AISC 360-05. Specification for Structural Steel Buildings ［S］. AISC， 2005.

［2]JTS152-2012 水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］. 2012.

［3]ASTM A252-10. Standard Specification for Welded and Seamless Steel Pipe Piles［S］. ASTM， 2010.

Application of ANSI/AISC Specification for Structural Steel Building in Pile Foundation Design of Piled Wharf

Tian Maojin， Huang Sheng
（CCCC Second Harbor Consultants Co.， Ltd.， Wuhan Hubei 430071， China）

A detailed introduction has been given to the application of ANSI/AISC 360 Specification for Structural Steel Building in the design of steel pipe pile supporting piled wharf. Code for Design of Steel Structures in Port and Waterway Engineering is compared with ANSI/AISC 360 Specification for structural steel building， then steel pipe pile is calculated and analyzed by using the above two specifications respectively. Some helpful conclusions are obtained， which may serve as

for the design of steel pipe pile in oversea projects.

America standard；ANSI/AISC 360； steel pipe pile； comparison of Chinese and American standards

TU473.1+2

A

1004-9592（2016）03-0052-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160314

2015-12-15

田茂金（1988-），男，助理工程師，主要從事港口航道與海岸工程設(shè)計工作。