中美結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中荷載取值對比分析范文

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摘要:鋼材由于其優(yōu)良的強(qiáng)度和延展性，在建筑結(jié)構(gòu)上有廣泛的應(yīng)用。我國隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，鋼結(jié)構(gòu)見越來越常見。本文通過對中美鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的荷載取值與荷載組合計(jì)算的對比研究，得出兩國規(guī)范對于恒荷載基本一致，活荷載方面則美國規(guī)范相對要大一些，其中地震荷載我國是通過多遇地震與罕遇地震的強(qiáng)度比進(jìn)行折減，美國則是針對不同延性設(shè)計(jì)級別進(jìn)行折減的結(jié)論。

關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);荷載取值;對比研究

1前言

鋼材具有強(qiáng)度高、自重輕、變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這使的鋼結(jié)構(gòu)建筑可以完成一些其他材料達(dá)不到的構(gòu)造要求。也因其延性破壞的特性與良好的變形能力，能夠在地震作用下充分變形才破壞，具有優(yōu)良的抗震性能。美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范作為國際權(quán)威，我國規(guī)范的編寫也對其進(jìn)行參考借鑒，同時(shí)我國研究人員也對兩國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面其進(jìn)行過各方面的對比研究，其中兩國各自對結(jié)構(gòu)荷載的計(jì)算方式與大小，以及所采用的荷載組合值，模型所需參數(shù)均有不同。

2荷載取值

成功的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首要的前提是正確的荷載估算，而荷載組合的前提又是荷載取值的方法，如果荷載取值本身都有一定差異的前提下，進(jìn)行荷載組合的對比就毫無意義。

2．1恒荷載

恒荷載方面CE7在恒荷載條文說明中列出了常用材料的荷載與密度，其中常用的鋼筋混凝土密度是23.5KN/m3，鋼為78.1KN/m3。可以看出恒荷載方面由于材料本身性質(zhì)鎖定，所以基本一致，而混凝土的密度由于配比等會有一定區(qū)別，所以有偏差，而像鋼材等材料則完全一致。

2．2活荷載

活荷載取值方面，其中常見的辦公室或荷載取值2.4kN/m2，陽臺荷載為旁邊使用類別活荷載的1.5倍且不大于4.79kN/m2，整體看來取值與我國荷載規(guī)范基本相當(dāng)。對于荷載折減方面，兩國規(guī)范也有類似的要求，但形式卻有些許差別，我國是根據(jù)不同的建筑類別，墻柱可取0.9的折減，或根據(jù)層數(shù)而取1至0.55的折減系數(shù)，梁則是根據(jù)不同建筑類別，當(dāng)面積大于25平米或50平米后，可取0.9的折減系數(shù)。而在CE7中則并沒有根據(jù)建筑類別進(jìn)行劃分，而是一條公式和一個(gè)系數(shù)表，參照公式折減。關(guān)于梁板的折減兩國相差不大，只是美國會根據(jù)面積有范圍變化，我國則統(tǒng)一為0.9。關(guān)于墻柱的折減兩國規(guī)范參數(shù)不同，我國是根據(jù)層高而改變，美國則是根據(jù)面積而改變。

2．3地震荷載

地震荷載的取值涉及到的設(shè)計(jì)參數(shù)有場地類別、地震強(qiáng)度、房屋自振周期、地震反應(yīng)修正這幾項(xiàng)。其中自振周期通過模型計(jì)算而得，其余幾項(xiàng)需要在設(shè)計(jì)時(shí)輸入。

2．3.1震源類型、場地類別

我國規(guī)范條文說明中描述，相同的震級，相同的場地條件，但由于震源機(jī)制以及震中距的不同，仍會導(dǎo)致反應(yīng)譜的變化，故我國在烈度區(qū)劃分的基礎(chǔ)上設(shè)置了地震分組的方式來體現(xiàn)。CE7［1］中則是根據(jù)經(jīng)緯點(diǎn)給出地震作用反應(yīng)譜，用這種方式考慮了震源類型。具體場地類別的劃分，可參考《中美設(shè)計(jì)規(guī)范中場地分類和場地效應(yīng)的比較》。

2．3.2地震反應(yīng)譜

我國地震強(qiáng)度被規(guī)范按照設(shè)防烈度劃分成4個(gè)級別，每個(gè)城市再劃分各個(gè)分組，給出多遇地震的反應(yīng)譜加速度峰值，再根據(jù)場地類別、建筑阻尼比等參數(shù)得出特征周期的反應(yīng)譜值。美國則是將全國按照經(jīng)緯度給出建筑所在點(diǎn)的0.2秒周期時(shí)以及1秒周期時(shí)反應(yīng)譜值，從而得到完整的反應(yīng)譜。綜合來說兩國所給出的反應(yīng)譜形狀基本一致，對于地震峰值美國劃分范圍更加廣。若根據(jù)罕遇地震的重現(xiàn)期以及50年超越率來考慮的話，美國的標(biāo)準(zhǔn)略高一些。

2．3.3地震反應(yīng)修正

兩國地震反應(yīng)修正的取值采用了不同的方式，我國根據(jù)概率給出多遇地震的特征值，在承載能力計(jì)算當(dāng)中，要求結(jié)構(gòu)能夠抵御多遇地震荷載不受破壞。對于確保大震不倒，則采用各種構(gòu)造措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性能力，使結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下不會馬上破壞。美國則完全不同，直接給出的是罕遇地震反應(yīng)譜，CE7當(dāng)中再根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式類別，給出了不同的折減系數(shù)，例如特殊抗彎框架除系數(shù)8，普通抗彎框架除3.5等，但地震作用的設(shè)計(jì)值還需要再乘2/3。可以看出，美國規(guī)范［1］的折減是根據(jù)結(jié)構(gòu)類型來劃分的，且從兩個(gè)維度上來進(jìn)行，第一是抗側(cè)力構(gòu)件類型，第二是延性要求程度。

2．4風(fēng)荷載

我國規(guī)范風(fēng)荷載取值公式為:ωk=βzμsμzω0，其中βz為風(fēng)振系數(shù)，μs為風(fēng)荷載體形系數(shù)，μz為風(fēng)壓高度系數(shù)，ω0為基本風(fēng)壓，其中基本風(fēng)壓取50年一遇。美國規(guī)范結(jié)構(gòu)不超過18米的相應(yīng)公式為:qz=0．613KzKztKdV2，其中:qz為速度風(fēng)壓，單位為N/m2，Kz為速度壓力粗糙度系數(shù)N/m2，Kzt為地形系數(shù)，Kd為方向性系數(shù)，以考慮最強(qiáng)風(fēng)從所有方向傳來的可能性以及最大壓力參數(shù)從所有方向相同的可能性。0.613為伯努利公式的風(fēng)速風(fēng)壓計(jì)算公式系數(shù)。V為基本風(fēng)速。舉例說明，我國規(guī)范［2］如果所選結(jié)構(gòu)高度不大于30米，體形系數(shù)μs按規(guī)范取1.3，由地面粗糙程度屬于B類可得11.9m處風(fēng)壓高度系數(shù)μz為1.05，不考慮地形相關(guān)修正，基本風(fēng)壓按所處地帶取50年一遇為0．35kN/m2。故11.9m處風(fēng)壓:ωk=1．3×1．05×0．35=0．478kN/m2。美國與我國規(guī)范風(fēng)壓高度系數(shù)相同，地面粗糙程度取與我國B類相近時(shí)為C級，11.9m處相應(yīng)Kz=1．03，不考慮地形影響，此處Kzt=1。Kd對于一般結(jié)構(gòu)取0．85。CE7－10［1］將重要程度系數(shù)并入基本風(fēng)速中，將荷載組合當(dāng)中風(fēng)荷載的分項(xiàng)系數(shù)調(diào)為1.0，把II級重要度結(jié)構(gòu)(相當(dāng)于我國丙級)的基本風(fēng)速重現(xiàn)期調(diào)為700年。為做計(jì)算對比，取50年一遇風(fēng)速V50=23．66m/s，根據(jù)CE7－10給出的公式換算為700年一遇風(fēng)速:V700－V50［0．36+0．1ln(12×700)］=29．90m/s。故:qz=0．613×1．03×1×0．85×29．92=480N/m2=0．48kN/m2。設(shè)計(jì)風(fēng)壓:P=qz［(GCpf)－(GCpi)］。GCpf為外部壓力系數(shù)以描述建筑體型，對于平屋面?zhèn)让媸軌河L(fēng)面為正0.61，背風(fēng)面為0.43，GCpi為內(nèi)部壓力系數(shù)以描述建筑密封程度的影響，對于完全密封的建筑為0.18。故最終11.9米處最大設(shè)計(jì)風(fēng)壓:P=0．48×［(0．61+0．43)－(－0．18)］=0．586kN/m。

3結(jié)論

經(jīng)過上述分析，可以得出下面幾點(diǎn)結(jié)論:(1)荷載取值對比可以看出，兩國規(guī)范當(dāng)中恒荷載取值基本一致，活荷載取值美國規(guī)范［1］略大一些，地震荷載取值基本相當(dāng)，但美國規(guī)范的峰值范圍要更廣一些;(2)對于地震荷載由于參與因素較多，無法直接對比，但綜合而言罕遇地震作用的取值標(biāo)準(zhǔn)基本相當(dāng)，但是在折減方面的考慮角度不同我國是通過多遇地震與罕遇地震的強(qiáng)度比進(jìn)行折減，美國則是針對不同延性設(shè)計(jì)級別進(jìn)行折減;(3)CE7－10版荷載組合值系數(shù)并入基本風(fēng)速值當(dāng)中，從而將相當(dāng)于我國重要程度丙類的建筑基本風(fēng)速重現(xiàn)期調(diào)為700年，若采用50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓的組合系數(shù)則為1.6。

作者：秦昊駿 單位：武漢理工大學(xué)