金天德， 丁 斌

(杭州市城建設(shè)計研究院有限公司， 杭州 310020)

0 引言

中美兩國規(guī)范在設(shè)計理念及相關(guān)規(guī)定上有較多差異，學(xué)者們從多個方面對兩國規(guī)范進(jìn)行了對比。羅開海等[1]、朱文靜等[2]、顧強等[3]針對中美規(guī)范地震動參數(shù)的轉(zhuǎn)換、地震作用計算方法及鋼結(jié)構(gòu)的水平地震作用方面進(jìn)行了對比研究。黃韜穎[4]、張軍鋒等[5]對中美風(fēng)荷載規(guī)范及風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了對比分析。陳紹蕃[6]、梁德勇[7]對中美鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范及鋼構(gòu)件設(shè)計方法進(jìn)行了比較。但目前針對中美規(guī)范在鋼結(jié)構(gòu)高層實際項目中比較全面的對比分析較少。

本文分別運用中、美兩國規(guī)范對蒙古國Eco Tower鋼結(jié)構(gòu)高層項目進(jìn)行設(shè)計，剖析兩者在荷載取值、分析方法和構(gòu)件設(shè)計等方面的差異。

1 工程概況

Eco Tower鋼結(jié)構(gòu)項目位于蒙古國首都烏蘭巴托，地下2層、地上52層(1～7層為裙房)。塔樓結(jié)構(gòu)平面呈四邊形，短邊25.5m，長邊34.487～39.923m，斜邊24.167m(圖1～3)。底層層高4.2m，其余裙房層高3.6m，標(biāo)準(zhǔn)層主要層高3.45m，個別辦公層高4.0m，主體結(jié)構(gòu)高度為187.9m，地上主樓總建筑面積約為70 000m2。其中裙房部分主要功能為商業(yè)，塔樓主要功能為辦公、酒店。

圖1 三維模型效果圖

2 結(jié)構(gòu)體系

主樓采用鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)體系。外框采用鋼框架，內(nèi)筒在建筑有墻體位置X，Y兩個方向各設(shè)置越層中心支撐4片(圖2、圖3)。內(nèi)外筒間距8.5～8.6m，外框柱距5.5～8.5m。外框柱采用圓鋼管混凝土，截面為φ1 000×45～φ500×16(C60～C40)，內(nèi)筒柱采用矩形鋼管混凝土柱，截面為□1 200×1 200×80×80～□500×500×20×20(C60～C40)。箱形支撐，截面為□500×400×45×45～□300×300×16×16，主、次梁采用H形鋼梁，其中主梁截面為H800×400×20×40～H500×200×10×16，樓板板厚為120mm。

圖2 結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 支撐立面圖

3 模型材料和荷載對比

采用兩個構(gòu)件截面、恒荷載、約束條件及基本假定等均相同的模型進(jìn)行對比分析。但兩個模型的材料彈性模量、材料強度、質(zhì)量源、活荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、設(shè)計參數(shù)分別按美國、中國規(guī)范選取，構(gòu)件設(shè)計及控制指標(biāo)也分別按各自規(guī)范進(jìn)行。

3.1 混凝土(用于鋼管混凝土柱內(nèi)及樓面)

美國規(guī)范ACI 318-11[8]采用圓柱體抗壓強度平均值f′c進(jìn)行設(shè)計。

中國規(guī)范GB 50010—2010[9]以邊長150mm立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k為基礎(chǔ)，再通過公式0.88αc1αc2fcu,k/1.4(式中：αc1為棱柱強度與立方強度比值；αc2為脆性折減系數(shù)；1.4為抗力分項系數(shù))得到軸心抗壓強度設(shè)計值fc。

中美規(guī)范對應(yīng)的彈性模量Ec分別按式(1)及式(2)進(jìn)行計算。

(1)

(2)

式中f′c為規(guī)范規(guī)定的混凝土抗壓強度。

以同等條件下強度相等原則，進(jìn)行不同規(guī)范混凝土的轉(zhuǎn)換[10]。本項目采用的主要的混凝土強度設(shè)計取值及彈性模量如表1所示。

兩個模型對應(yīng)采用的混凝土材料特性 表1

同等強度條件下，相對美國規(guī)范模型，混凝土彈性模量中國規(guī)范模型取值略大10%～20%。柱內(nèi)混凝土從底到頂中國規(guī)范模型采用C60～C40，美國規(guī)范模型采用7 000～5 000psi。中美兩國規(guī)范模型中樓板混凝土分別采用C30，4 000psi。

3.2 鋼材

美國規(guī)范ANSI/AISC 360-10[11]中，50級鋼材屈服強度345MPa，55級鋼材屈服強度380MPa，中國規(guī)范GB 50017—2017[12]對應(yīng)鋼材等級Q355(屈服強度345MPa)，Q390(屈服強度390MPa)。

鋼材彈性模量取值，美國規(guī)范Es=2×105MPa，中國規(guī)范Es=2.06×105MPa，中國規(guī)范取值略大3%。

中國規(guī)范模型除底部幾層內(nèi)筒柱采用Q390以外的所有柱、支撐及梁均用Q355，對應(yīng)美國規(guī)范模型采用55級及50級鋼材。

中國規(guī)范強度設(shè)計值為屈服強度除抗力分項系數(shù)即f=fy/1.125。美國規(guī)范強度設(shè)計值直接取屈服強度fy，而抗力系數(shù)則在承載力計算時根據(jù)受力狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分。承載力設(shè)計值為φRn(其中Rn為承載力標(biāo)準(zhǔn)值，φ為抗力系數(shù))，φ根據(jù)受力狀態(tài)不同情況取值不同(鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般取0.9，但組合構(gòu)件受壓時取0.75)。對于強度設(shè)計值控制要求，兩國規(guī)范基本相當(dāng)。

4 本項目中美規(guī)范的主要參數(shù)對比

4.1 結(jié)構(gòu)整體參數(shù)

中美兩國規(guī)范模型采用的結(jié)構(gòu)整體參數(shù)見表2、表3。

美國規(guī)范模型采用整體參數(shù) 表2

中國規(guī)范模型采用整體參數(shù) 表3

美國規(guī)范[13]基于建筑抵御自然災(zāi)害的風(fēng)險對建筑進(jìn)行分級(Ⅰ～Ⅳ級)。根據(jù)不同分類，針對風(fēng)、雪、冰、地震荷載給出不同重要性系數(shù)。

中國規(guī)范GB 50009—2012[14]，GB 50011—2010[15]等基于建筑破壞可能產(chǎn)生后果的嚴(yán)重性對建筑分類(安全等級分為一～三級，抗震設(shè)防分類分為甲～丁類)?；詈奢d、風(fēng)荷載、雪荷載工況根據(jù)安全等級乘以對應(yīng)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。地震工況則是根據(jù)設(shè)防分類調(diào)整抗震措施或抗震構(gòu)造措施。

4.2 活荷載

中美兩國規(guī)范差別不大，整體美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10略大，本項目設(shè)計涉及的活荷載如表4所示。

4.3 風(fēng)荷載

中美規(guī)范在重現(xiàn)期、粗糙度、體型系數(shù)、高度系數(shù)及風(fēng)壓計算均存在不同程度差異。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

4.3.1 重現(xiàn)期

中國規(guī)范GB 50009—2012重現(xiàn)期50年(風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)為100年)。

中美規(guī)范主要的活荷載對比/(kN/m2) 表4

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10重現(xiàn)期為300～1 700年不等，但對應(yīng)分項系數(shù)為1。本項目風(fēng)險級別分類為二級，對應(yīng)重現(xiàn)期取700年。

4.3.2 風(fēng)壓公式

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10設(shè)計風(fēng)壓p(超高層周期較長，為柔性結(jié)構(gòu))：

p=qGfCp-qi(GCpi)

(3)

基本風(fēng)壓qz：

qz=0.613KzKztKdV2

(4)

式中：q為高度z處基本風(fēng)壓；Gf為陣風(fēng)系數(shù)；Cp為體型系數(shù)；qi為內(nèi)部壓力；GCpi為內(nèi)壓系數(shù)；Kz為高度系數(shù)；Kzt為地形系數(shù)；Kd為風(fēng)向系數(shù)；V為基本風(fēng)速。

中國規(guī)范GB 50009—2012風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk：

wk=βzμsμzw0

(5)

基本風(fēng)壓w0：

(6)

式中：βz為陣風(fēng)系數(shù)；μs為體型系數(shù)；μz為高度系數(shù)；v0為基本風(fēng)速。

4.3.3 基本風(fēng)速

中美兩國規(guī)范基本風(fēng)速的離地高度均取10m；記錄時距，中國規(guī)范GB 50009—2012自記10min平均年最大風(fēng)速，美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10為3s。

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10表C6-2，換算時距3s的平均最大風(fēng)速V3=1.427×31=44.24m/s，根據(jù)公式(C26.5-2)，50年一遇風(fēng)速換算為700年一遇風(fēng)速為V700/V3=[0.36+0.1ln(12T)]=1.264(式中T為換算后重現(xiàn)期，此處取700)，故V700=55.9m/s(700年一遇)。

4.3.4 高度系數(shù)

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10：

(7)

式中：zg為梯度風(fēng)高度；α為風(fēng)速剖面指數(shù)。當(dāng)?shù)孛娲植诙葹镃時，zg取274.32m，α取9.5。

中國規(guī)范GB 50009—2012：

μz=μ10(z/10)α

(8)

式中μ10為高度變化系數(shù)，當(dāng)?shù)孛娲植诙葹锽時，μ10取1.0，α取0.3(美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10中地面粗糙度C與中國規(guī)范GB 50009—2012地面粗糙度B相當(dāng))。

4.3.5 體型系數(shù)

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10：體型系數(shù)Cp正風(fēng)向0.8，背風(fēng)向-0.2，內(nèi)壓系數(shù)GCpi=±0.18。

中國規(guī)范GB 50009—2012：體型系數(shù)為1.4(正風(fēng)向0.8，背風(fēng)向-0.6)。

4.3.6 風(fēng)振及陣風(fēng)系數(shù)

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10采用陣風(fēng)系數(shù)，本項目周期較長，根據(jù)美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10柔性結(jié)構(gòu)陣風(fēng)系數(shù)Gf計算公式(式(9))推算出X,Y兩個方向的風(fēng)系數(shù)1.102，1.091。

(9)

中國規(guī)范GB 50009—2012采用風(fēng)振系數(shù)：

(10)

式中：I10為10m高度名義湍流強度；g為峰值因子,取2.5；R為脈動風(fēng)荷載的共振分量因子；Bz為脈動風(fēng)荷載的背景分量因子。

4.3.7 風(fēng)載主要參數(shù)

中美兩國規(guī)范模型采用的風(fēng)荷載參數(shù)見表5、表6。

4.4 地震荷載

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10采用的全國地震動參數(shù)MCE是基于重現(xiàn)期為2 475年(即50年超越概率為2%)，而設(shè)計的加速度僅取MCE的2/3(相當(dāng)于我國的中震)。采用單一階段設(shè)計步驟實現(xiàn)其設(shè)防目標(biāo)，同時通過引入不同結(jié)構(gòu)體系的反應(yīng)調(diào)整系數(shù)R體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的延性，再根據(jù)不同體系的Ω0(超強系數(shù))、Cd(位移放大系數(shù))進(jìn)行截面抗震承載力驗算和抗震變形驗算。

美國規(guī)范模型采用風(fēng)載參數(shù) 表5

中國規(guī)范模型采用風(fēng)載參數(shù) 表6

中國規(guī)范GB 50011—2010采用兩階段步驟來實現(xiàn)小震不壞，中震可修，大震不倒的“三水準(zhǔn)”的目標(biāo)。

4.4.1 反應(yīng)譜

本工程中美規(guī)范反應(yīng)譜如圖4所示。

圖4 本工程中美兩國規(guī)范反應(yīng)譜曲線

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10反應(yīng)譜大致相當(dāng)于中國規(guī)范GB 50011—2010中震水平，當(dāng)考慮R系數(shù)后，遠(yuǎn)小于中國規(guī)范GB 50011—2010。

4.4.2 質(zhì)量源

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10，質(zhì)量源為全部自重標(biāo)準(zhǔn)值和倉儲部分的活荷載、長期設(shè)備荷載及部分雪荷載(普通活荷載不考慮)。

中國規(guī)范GB 50011—2010，質(zhì)量源為全部自重標(biāo)準(zhǔn)值和活荷載組合值(普通活荷載組合值為0.5)。

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10質(zhì)量源略小于中國規(guī)范GB 50011—2010。

4.4.3 地震參數(shù)

根據(jù)業(yè)主提供安評報告，50年超越概率10%的地面加速度為191cm/s2(設(shè)計考慮為200cm/s2)，換算成中國規(guī)范為8度0.2g。安評報告未給50年超越概率2%的地面加速度值，參考中國規(guī)范GB 50011—2010中8度罕遇地震作用下50年超越概率2%與50年超越概率10%峰值加速度比值γCN=2.25，根據(jù)美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10，得出MCE短周期譜反應(yīng)加速度值Ss：

Ss=2.5Apga=2.5×2.25×0.2=1.125

式中Apga為超越概率2%的地面加速度值。

文獻(xiàn)[1]給出了特征周期Tg與S1，Ss的對應(yīng)公式：

Tg=(FvS1)/(FaSs)[1]

式中Fv，F(xiàn)a為場地調(diào)整系數(shù)。

根據(jù)特征周期Tg=0.35s，計算得MCE1s周期譜反應(yīng)加速度值S1=0.255，模型計算地震主要參數(shù)如表7、表8所示。

美國規(guī)范模型采用地震參數(shù) 表7

中國規(guī)范模型采用地震參數(shù) 表8

5 整體內(nèi)力分析

5.1 整體計算

本工程主要周期計算結(jié)果如表9所示，中美規(guī)范模型主要周期結(jié)果差別僅1.6%。

中美規(guī)范模型主要周期結(jié)果/s 表9

本項目為鋼結(jié)構(gòu)且僅考慮彈性分析，偏差由美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10與中國規(guī)范GB 50011—2010兩個規(guī)范要求的質(zhì)量源及彈性模量不同引起。

中國規(guī)范JGJ 99—2015[16]中考慮樓板剛度規(guī)定梁放大系數(shù)考慮1.5(邊梁1.2)，本次對比分析時美國規(guī)范模型也相同處理。

5.2 地震及風(fēng)荷載作用基底剪力對比

按美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10考慮R系數(shù)以后及中國規(guī)范GB 50011—2010計算得到的地震作用下嵌固端剪力如表10所示。

地震作用下嵌固端剪力/kN 表10

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10計算得到的地震作用下嵌固端剪力不考慮R時X向和Y向分別約為中國規(guī)范GB 50011—2010的2.36倍和2.50倍，接近中國規(guī)范GB 50011—2010“中震”。在考慮系數(shù)R=7后X向和Y向計算結(jié)果約為中國規(guī)范GB 50011—2010的34%，36%，遠(yuǎn)小于中國規(guī)范GB 50011—2010小震水平，即使構(gòu)件計算時考慮Ω0或ρ放大后，仍遠(yuǎn)小于中國規(guī)范GB 50011—2010計算內(nèi)力。

風(fēng)荷載作用下兩國規(guī)范計算得到的嵌固端剪力如表11所示。

風(fēng)荷載作用下嵌固端剪力/kN 表11

中國規(guī)范GB 50009—2012考慮分項系數(shù)1.5后，兩國規(guī)范計算得到的嵌固端剪力比值非常接近，中國規(guī)范GB 50009—2012底層剪力略大，X,Y兩個方向分別大4%和2%。

5.3 層間位移角對比

根據(jù)美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10，地震作用下層間位移角計算需放大Cd=5.5，放大后的地震力約為中國規(guī)范GB 50011—2010中震水平，對應(yīng)層間位移角限值為1/50。

中國規(guī)范CECS 159—2004規(guī)定風(fēng)和小震作用下層間位移角均為1/300，而大震作用下限值為1/50。

風(fēng)荷載和多遇地震作用下結(jié)構(gòu)位移見表12。

風(fēng)荷載和地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角 表12

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10計算層間位移角時，考慮系數(shù)Cd放大后的地震力基本與中國規(guī)范GB 50011—2010中震相當(dāng)，但位移角限值與中國規(guī)范GB 50011—2010大震要求一樣。美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10對變形的控制要求，相對中國規(guī)范CECS 159—2004更寬松。層間位移角對比如圖5、圖6所示。

圖5 地震作用下最大層間位移角曲線

圖6 風(fēng)荷載作用下最大層間位移角曲線

5.4 層間側(cè)向剛度比對比

中美兩國規(guī)范對層間側(cè)向剛度比(豎向規(guī)則性)要求基本一致，美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10要求樓層抗側(cè)移剛度小于上層的70%或小于上面三層平均抗側(cè)移剛度的80%；中國規(guī)范JGJ 99—2015框架結(jié)構(gòu)要求同美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10，但對于鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)，采用考慮層高修正的側(cè)向剛度比時，要求不小于上一層的90%。

本項目抗側(cè)剛度的算法，美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10層間側(cè)向剛度比為層間位移角比：

中國規(guī)范為考慮層高修正側(cè)向剛度比：

式中：i為第i樓層；θi,θi+1為第i，i+1層層間位移角；Δi，Δi+1為第i，i+1層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值作用下的層間位移；hi，hi+1為第i，i+1層層高；Vi，Vi+1為第i，i+1層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值。

層間側(cè)向剛度比公式中美兩國規(guī)范不同，計算結(jié)果對比見圖7，兩者略有差異。本項目豎向剛度比較均勻，差異比較小，均能滿足各自規(guī)范要求。

圖7 層間側(cè)向剛度比曲線

5.5 二階效應(yīng)系數(shù)對比

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10公式：

(11)

式中：θ為二階效應(yīng)系數(shù)；θmax為二階效應(yīng)系數(shù)允許最大值；Px為在x層以上總的豎向力；Vx為x和x-1層之間的地震層剪力(樓層總水平力)；Δ為在Vx作用下的樓層層間位移；hsx為x層層高；β為x層和x-1層之間剪切要求和剪切能力的比值，取1。

中國規(guī)范GB 50011—2010公式：

(12)

式中：∑N為考慮樓層以上所有豎向荷載之和；∑H為考慮樓層總的水平力；Δu為考慮樓層層間位移；hi為第i層層高。

兩國規(guī)范公式式(11)和式(12)基本一致，豎向力的取值略有不同，美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10要求各荷載系數(shù)不超過1，中國規(guī)范GB 50011—2010取設(shè)計值。計算采用屈曲分析，荷載取值按各自規(guī)范，結(jié)果見表13。

屈曲因子 表13

兩國規(guī)范計算結(jié)果的差別主要由荷載系數(shù)引起，中國規(guī)范GB 50011—2010二階效應(yīng)系數(shù)略偏大。

6 構(gòu)件分析對比

6.1 中美規(guī)范荷載組合及構(gòu)件計算公式

6.1.1 美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10荷載組合

美國構(gòu)件設(shè)計分為分項系數(shù)法(LRFD)與容許應(yīng)力法(ASD)兩種，其中分項系數(shù)法與我國規(guī)范GB 50009—2012相似，因此主要細(xì)述分項系數(shù)法的荷載組合。

美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10主要規(guī)定了以下組合：1)1.4D；2)1.2D+1.6L；3)1.2D+(L或W)；4)1.2D+1.0W+L；5)(1.2+0.2SDS)D+1.0E+L；6)0.9D+1.0W；7)(0.9-0.2SDS)D+1.0E。其中D為恒荷載；L為活荷載；W為風(fēng)荷載；E為地震作用。

6.1.2 中國規(guī)范GB 50009—2012和GB 50011—2010荷載組合

(13)

S=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+φwγwSwk

(14)

式中：i，j為荷載種類數(shù)；γG(γGi)，γQ1(γQj)，γEh(γEv)，γw分別對應(yīng)恒荷載、活荷載、水平(豎向)地震、風(fēng)荷載的分項系數(shù)；SGE(Gik)為恒荷載；Qi1k(Qjk)為活荷載；SEhk，SEvk為豎向和水平向地震；γLj為設(shè)計使用年限調(diào)整系數(shù)；φcj(φw)為組合系數(shù)。

6.1.3 中美規(guī)范構(gòu)件計算公式的區(qū)別

本項目構(gòu)件主要為梁(純彎)、支撐(軸壓)、柱(壓彎)，對應(yīng)承載力計算公式如下：

美國規(guī)范AISC 360-10：

Mx≤φbMP=φbFyZx

(15)

N≤0.9Pn=0.9FcrAg

(16)

(17)

(18)

式中：φb為抗力系數(shù)；Fy為鋼材屈服強度；Zx為X軸塑性截面模量；Fcr為臨界應(yīng)力；Ag為毛截面面積；Pr為二階軸力承載力；Pc為有效軸力承載力；N為采用LRFD的軸壓承載力要求(軸力設(shè)計值)；Mx，Mrx，Mry為采用LRFD的抗彎承載力要求(彎距設(shè)計值)；Mcx，Mcy為有效抗彎承載力。

中國規(guī)范GB 50017—2017，CECS 159—2004：

(19)

(20)

(21)

(22)

式中：Mx，My分別為X,Y向彎距設(shè)計值；γx，γy分別為X,Y向塑性發(fā)展系數(shù)；Wnx，Wny分別為X,Y向凈截面模量；N為軸心壓力設(shè)計值；A為毛截面面積；φ為穩(wěn)定系數(shù)；αc為混凝土工作承擔(dān)系數(shù)；Nu為毛截面軸壓承載力；Nun為凈截面軸壓承載力；Munx，Muny分別為X,Y向凈截面抗彎承載力；γ為安全及抗震調(diào)整系數(shù)。

6.2 中美規(guī)范構(gòu)件內(nèi)力對比

本工程主要構(gòu)件有矩形鋼管混凝土組合柱、箱形支撐和H形鋼梁。

選取地上首層核心筒東南側(cè)角柱，與其相連Y向支撐，地上10層南側(cè)7.5m跨外框梁(上述三類各選取一根代表構(gòu)件)，分別按美國規(guī)范ASCE/SEI 7-10與中國規(guī)范GB 50009—2012，GB 50011—2010計算出的單工況內(nèi)力與組合內(nèi)力設(shè)計值詳見表14～16。(本節(jié)中的美國規(guī)范均指ASCE/SEI 7-10，中國規(guī)范均指GB 50009—2012，GB 50011—2010)。

H形鋼梁單工況內(nèi)力 表14

箱形支撐單工況內(nèi)力 表15

矩形鋼管混凝土柱單工況軸力 表16

美國規(guī)范彎矩控制組合：

M=1.2×105.4+44.3+172.9=340.7kN·m

中國規(guī)范彎矩控制組合：

M=1.3×105.1+1.05×30.2+1.5×128.3

=360.8kN·m

中國規(guī)范組合大5.9%。

美國規(guī)范軸力控制組合：

N=1.2×1 829+378+4 979=7 551.8kN

中國規(guī)范軸力控制組合：

N=1.3×1 816+1.5×0.7×334+1.5×

3 375.9=7 775.4kN

中國規(guī)范組合大3.0%。

美國規(guī)范軸力控制組合：

N=1.2×36 336+7 830+30 658=82 091kN

中國規(guī)范控制組合：

N=1.3×37 670+1.5×0.7×7 207+1.5×

23 402=91 641kN

中國規(guī)范組合大11.6%。

經(jīng)計算對比發(fā)現(xiàn)，美國規(guī)范規(guī)定的活荷載略大于中國規(guī)范。風(fēng)荷載考慮分項系數(shù)后中國規(guī)范與美國規(guī)范相當(dāng)，略大于美國規(guī)范。美國規(guī)范計算的地震力考慮反應(yīng)譜修正系數(shù)R、冗余系數(shù)ρ或超強系數(shù)Ω0調(diào)整后，比中國規(guī)范計算的地震力更小。構(gòu)件控制組合內(nèi)力主要是風(fēng)荷載工況為主，組合內(nèi)力中國規(guī)范略大于美國規(guī)范。

6.3 主要構(gòu)件應(yīng)力對比

對6.2節(jié)選取鋼梁、箱形支撐和矩形鋼管混凝土柱，根據(jù)荷載控制組合分別采用美國規(guī)范ANSI/AISC 360-10與中國規(guī)范GB 50017—2017，CECS 159—2004計算出最大應(yīng)力比，詳見表17。

代表構(gòu)件應(yīng)力比 表17

6.4 構(gòu)件對比情況

本次用于比較的兩國規(guī)范模型截面大小一樣，最終應(yīng)力比兩個模型計算結(jié)果比較接近，控制組合內(nèi)力以風(fēng)荷載工況內(nèi)力為主(少部分有地震荷載工況)，相對中國規(guī)范模型梁的組合內(nèi)力偏大5%～14%，應(yīng)力比偏大8%～19%。支撐組合內(nèi)力中國規(guī)范偏大2%～9%，應(yīng)力比中國規(guī)范偏大3%～9%。柱組合內(nèi)力中國規(guī)范偏大4%～15%，應(yīng)力比中國規(guī)范偏大2%～22%。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，內(nèi)力的差別與應(yīng)力差別并不完全一致。鋼梁應(yīng)力差別比內(nèi)力差別更大，因同等條件下，美國規(guī)范梁的承載力比中國規(guī)范略高。支撐承載力兩國規(guī)范非常接近，故內(nèi)力差別與應(yīng)力差別基本一致。組合柱美國規(guī)范抗力系數(shù)根據(jù)受力狀態(tài)取值，受壓取0.75、受彎取0.9；而中國規(guī)范抗力分項系數(shù)則是根據(jù)材料取值，混凝土1.4、鋼結(jié)構(gòu)1.125，故兩國規(guī)范承載力計算也有不同。

7 結(jié)論

本文針對同一工程案例，按照中國及美國規(guī)范分別進(jìn)行計算分析，同時對計算結(jié)果進(jìn)行了對比，主要結(jié)論如下：

(1)本項目中，中美規(guī)范的整體指標(biāo)和構(gòu)件應(yīng)力水平的計算結(jié)果均基本相當(dāng)。

(2)結(jié)構(gòu)的整體計算指標(biāo)，包括層間位移角、二階效應(yīng)系數(shù)、剛度比等，中國規(guī)范的規(guī)定都比美國規(guī)范更嚴(yán)。

(3)就地震荷載而言，美國規(guī)范更注重延性設(shè)計，不同體系地震力相差很大；而中國規(guī)范地震力計算與體系基本無關(guān)。本項目按美國規(guī)范計算的地震內(nèi)力遠(yuǎn)小于中國規(guī)范的計算結(jié)果。對于活荷載、風(fēng)荷載，兩國規(guī)范相差較小，活荷載美國規(guī)范的略大，風(fēng)荷載則是中國規(guī)范的大2%～4%。對于構(gòu)件的組合工況內(nèi)力，中國規(guī)范相對美國規(guī)范大5%～15%。

(4)本項目中，美國規(guī)范純彎構(gòu)件(梁)承載力比中國規(guī)范略大；軸壓構(gòu)件(支撐)兩國規(guī)范承載力基本一致；壓彎組合構(gòu)件(柱)承載力，兩國規(guī)范因抗力系數(shù)有一定差異。本項目中國規(guī)范的構(gòu)件應(yīng)力比美國規(guī)范偏大2%～22%。因此，如按照美國規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，用鋼量約減少8%，經(jīng)濟性更好。

(5)近幾年，隨著我國經(jīng)濟水平和技術(shù)的不斷發(fā)展，規(guī)范安全度的要求也逐年提高。本項目如采用中國規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，其安全度略大于美國規(guī)范。