中美兩國鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計對比分析

段曉曉

(西安培華學(xué)院,陜西 西安710065)

1 美國鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展

1923年,美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會制定了第一個鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,該規(guī)范是以容許應(yīng)力為基本原則的設(shè)計法,經(jīng)過多次修改,在1961年,其格式與內(nèi)容基本上形成了固定模式。1986年,AISC規(guī)范委員會提出了以概率理論為基礎(chǔ)編寫的荷載和抗力分項系數(shù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,簡稱LRFD。以概率理論為基礎(chǔ)編寫的ASCE/SEI 7—05,作為美國各種設(shè)計理論依據(jù),后該理論被不斷修改與改進。

美國工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計大體上分為三種,國家標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)以及地方標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)展過程大致經(jīng)過初創(chuàng)、發(fā)展、統(tǒng)一幾個階段。1925年,出現(xiàn)了第一個建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范UBC,緊接著又出現(xiàn)了NBC,SBC。

美國的抗震目標(biāo)是把地震傷害降到最小化,即那些專門為人民提供生命安全、財產(chǎn)安全保障的設(shè)施,要按照他們的作用進行改造,加強它們的防震性能,使它們在震后也能正常的運行工作。該抗震目標(biāo)把抗震強度分為兩個等級,即“設(shè)計地震”和“最大考慮地震”?！白畲罂紤]地震”是指五十年的超越概率為百分之二的地震;“設(shè)計地震”的加速度是“最大強度地震”的三分之二。

2 中國抗震設(shè)計規(guī)范

中國抗震規(guī)范提出的抗震目標(biāo)為三水準(zhǔn),即“小震不壞,中震可修,大震不倒”。第一水準(zhǔn)是指,當(dāng)某地區(qū)所受到的地震強度傷害低于該地區(qū)所預(yù)防的強度時,遇到這種地震,震后可以不用修復(fù),繼續(xù)正常使用;第二水準(zhǔn)是指,當(dāng)某地區(qū)所受到的地震強度傷害等于該地區(qū)所預(yù)防的地震強度時,建筑物可能會受到小的或局部損傷,只需進行簡單的修理甚至不用修理,就可以繼續(xù)使用;第三水準(zhǔn)是指,當(dāng)某地區(qū)遇到的地震強度遠(yuǎn)大于他所預(yù)防的強度時,不會導(dǎo)致房屋坍塌或危及到人的生命財產(chǎn)安全。其中,小震五十年的超越概率為63.2%;中震是指五十年的超越概率為10%,相當(dāng)于美國的“設(shè)計地震”等級;大震是指五十年的超越概率為2%到3%,相當(dāng)于美國的“最大考慮地震”等級。

3 中美兩國抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的比較

3.1 中國的建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)

我國根據(jù)建筑破壞造成的人員傷亡、經(jīng)濟損失、社會影響等因素將建筑物設(shè)防類別劃分為特殊設(shè)防類(甲類)、重點設(shè)防類(乙類)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)和適度設(shè)防類(丁類)四類。

甲類:指一些有特殊重要設(shè)施,關(guān)系到國家安全的重大工程和及可能發(fā)生次生災(zāi)害,應(yīng)加以特殊保護的建筑。

乙類:指在地震中仍然要繼續(xù)使用或者損壞后會帶來嚴(yán)重的人員傷害,應(yīng)該提高預(yù)防標(biāo)準(zhǔn)的建筑。

丙類:是指除了甲類、乙類和丁類的建筑。

丁類:是指使用的人員較少的,不致產(chǎn)生次生災(zāi)害,可降低預(yù)防標(biāo)準(zhǔn)的建筑。

3.2 美國的建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)

A類:符合最基本的抗震設(shè)計要求。

B類和C類,符合一般性的抗震設(shè)計要求,只需要按照靜力方法計算地震的作用就行。

D類、E類和F類:即嚴(yán)格按照抗震設(shè)計要求,用動力學(xué)來計算地震的作用。

4 中美兩國鋼結(jié)構(gòu)抗震的原則和方法的對比

(1)中國的抗震設(shè)計兩階段方法:第一階段設(shè)計是抗震建筑需考慮的最基本且必須遵循的設(shè)計內(nèi)容。需要確定結(jié)構(gòu)方案及布置,取第一水準(zhǔn)的地震動參數(shù),計算結(jié)構(gòu)的彈性位移和構(gòu)件內(nèi)力,用極限狀態(tài)設(shè)計法對截面配筋,并進行截面承載力抗震及變形驗算,最后考慮延性和耗能要求采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施。第二階段設(shè)計是對抗震有特殊要求或?qū)Φ卣鹈舾?、大震下易發(fā)生損害的薄弱部位的建筑進行的彈塑性變形驗算。

(2)美國的抗震設(shè)計的方法:單一階段設(shè)計法。通過不同的調(diào)整系數(shù)來考慮不同結(jié)構(gòu)的延性性能,比如對處于彈塑性工作狀態(tài)的建筑可以采用線性靜力計算法,對于處在D類、E類、F類的工作狀態(tài)的建筑,不采用線性靜力計算法。

(3)兩國抗震設(shè)計結(jié)構(gòu)分析原則和方法之所以有如此大的區(qū)別,是因為兩國對抗震設(shè)防的劃分標(biāo)準(zhǔn)不相同。

5 中美鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范安全度設(shè)置水平的對比

在軟場地條件下,中國的抗震設(shè)計規(guī)范安全度設(shè)置水平與美國的基本相同;在硬場地條件下,按中國抗震規(guī)范設(shè)計出的柱截面抗震應(yīng)力比美國的大。

對于豎向地震作用,現(xiàn)階段中國規(guī)范僅僅只在少數(shù)情況下考慮它的影響,而美國對絕大多數(shù)建筑都需考慮豎向地震作用。

所以,綜合以上分析可以看出,兩國的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范安全度各有特色,但兩國總的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范安全度設(shè)置水平相當(dāng)。

6 中美鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中主要構(gòu)造措施的對比

中國的比較重要的和常見的構(gòu)造措施有特殊抗彎框架、中等抗彎框架、普通抗彎框架、特殊中心支撐框架、偏心支撐框架。然而,美國對框架中梁、柱構(gòu)件沒有特殊的要求。美國對構(gòu)件類型的劃分比較詳細(xì),而中國會根據(jù)不同抗震設(shè)防烈度給出不同的限值。中國和美國關(guān)于梁柱連接焊縫類型的規(guī)定基本相同,對材料的沖擊韌性的規(guī)定有一定的差異。

中國規(guī)定特殊抗彎框架節(jié)點與補強板柱翼緣連接應(yīng)采用全熔透焊縫或貼角焊縫來發(fā)揮補強板的抗剪強度,對特殊抗彎框架、中等抗彎框架,梁柱承受非彈性應(yīng)變的區(qū)域作為保護區(qū)設(shè)計,上下柱接頭應(yīng)采用全熔透焊縫,梁在V形支撐和人字形支撐相交處,應(yīng)采用側(cè)向支撐。

美國柱的拼接焊縫承受應(yīng)變力,應(yīng)滿足如下要求:部分熔透坡口焊縫的焊接點,拼接接口處的柱翼緣和腹板的厚度和寬度變化時,可不用斜坡過渡。對于V字支撐和人字形支撐特殊支撐中心框架,支撐處上下翼都采用側(cè)向支撐,對中心支撐框架有特殊的保護區(qū),應(yīng)有四分之一長度范圍及支撐和柱及梁之間的連接部分。

中國對鋼結(jié)構(gòu)偏心框架中支撐構(gòu)件的長細(xì)有明確的限制,而美國沒有。

7 總結(jié)

通過以上對兩國鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的對比分析可以看出,兩國的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有很大的不同,設(shè)計原則不盡相同,構(gòu)造的重點也不一樣,各有特色。

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