美国钢结构规范在高桩码头桩基设计中的应用

田茂金，黄 胜

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）



美国钢结构规范在高桩码头桩基设计中的应用

田茂金，黄 胜

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

本文详细介绍美国《ANSI/AISC 360钢结构规范》在高桩码头钢管桩设计中的应用，对比分析《水运工程钢结构设计规范》与《ANSI/AISC 360钢结构规范》的差异，采用两种钢结构规范分别对钢管桩进行计算分析，得出一些有益结论，为涉外工程钢管桩设计提供了有益参考。

美标；ANSI/AISC 360；钢管桩；中美对比

引 言

美国《ANSI/AISC 360钢结构规范》是由美国钢结构协会（American Institute of Steel Construction，AISC）颁布的一本美国国家规范，该规范作为国际上通用的钢结构设计规范，常见于涉外工程的国际通用规范目录中。随着水运工程涉外项目日益增多，对国际通用设计规范的深入了解越发重要和迫切。如何了解美国规范，理解中美规范中存在的差异，继而灵活应用美国规范是涉外工程设计人员普遍关心和迫切需要解决的问题。

本文着重介绍了《ANSI/AISC 360钢结构规范》在高桩码头钢管桩设计中的应用及其典型设计要点和参数，对比分析了《ANSI/AISC 360钢结构规范》［1］与《水运工程钢结构规范》［2］的相关差异，并对两种规范进行了简要分析，对涉外工程钢管桩设计具有一定的借鉴意义。

1 《ANSI/AISC 360钢结构规范》截面分类

《ANSI/AISC 360钢结构规范》中根据截面的不同类别，将截面分为3类，分别为：紧凑构件、非紧凑构件以及细长构件。对于钢管桩，《ANSI/AISC 360钢结构规范》中根据“钢管桩直径与壁厚的比值”与“结构弹性模量与屈服强度的比值”的相对关系对钢管桩截面类别进行划分。

2 名义承载力计算

2.1 轴压作用下钢管桩轴向名义承载力计算

《ANSI/AISC 360钢结构规范》中针对不同截面类型构件的名义轴压强度计算如下式所示：

式中：Pn为名义耐压强度；Fcr表示临界应力；Ag表示截面面积。

对于不同类型的截面，《ANSI/AISC 360钢结构规范》中均给出了相应于各截面类型的计算公式，对于杆件结构可根据公式（2）以及公式（3）分别进行计算（《ANSI/AISC 360钢结构规范》中公式E7-2以及E7-3）：

式中：E为钢材的弹性模型，取值为200 000 MPa；Fe可根据《ANSI/AISC 360钢结构规范》中 E3-4或者E3-5计算得到（适用于双重对称结构），E3-4、E4-5（适用于单一对称结构）以及 E4-6（适用于非对称构件），实际计算时可根据截面的具体形式选择合适的公式进行相关计算。

对于钢管桩压弯结构Fe可由《ANSI/AISC 360钢结构规范》中式E3-4，如下式计算得到：

根据《ANSI/AISC 360钢结构规范》E7-19对于轴向载荷作用下的圆截面，Q可根据下式计算得到：

2.2 弯矩作用下钢管桩抗弯名义承载力计算

2）局部屈曲强度

故根据《ANSI/AISC 360钢结构规范》，钢管桩的弯曲名义承载力如下式所示：

2.3 剪力作用下钢管桩抗剪名义承载力计算

对于空心圆截面，钢管桩的名义剪切强度取决于剪切屈服以及剪切屈曲两种状态，由《ANSI/AISC 360钢结构规范》G6-1计算得到，如下式所示：

不得大于0.6Fy。

2.4 扭矩作用下钢管桩抗扭名义承载力计算

对于空心圆截面，钢管桩的名义抗扭强度取决于扭曲屈服以及扭曲屈曲两种状态，由《ANSI/AISC 360钢结构规范》H3-1计算得到，如下式所示：

式中：C为空心圆截面扭曲常量；Fcr不得大于0.6Fy，由下式确定：

式（9）中：L为构件长度；D为外直径；C空心圆截面扭曲常量，对于圆形空心圆截面，有：

3 组合内力作用下截面承载能力计算

《ANSI/AISC 360钢结构规范》中主要存在两种钢结构设计方法，一种是容许应力法（Allowable Stress Design，ASD），该方法给出一个安全系数，并将此作为度量材料达到屈服强度破坏或者是杆件进入屈曲状态而失效的抵抗能力；另一种设计方法是荷载和抗力分项系数法（Load and Resistance Factor Design，LRFD），该方法引入了结构可靠度概念，与我国目前采用的可靠度方法思路基本一致，虽该方法比较复杂，但该方法具有较可靠的理论分析基础以及试验结果，因此该方法得到越来越多设计人员的认可。新版的《ANSI/AISC 360钢结构规范》中极大部分承载能力计算均采用LRFD方法，因此新规范实际上是基于LRFD方法的钢结构设计规范，故本文在计算中均采用LRFD方法。

采用LRFD法时，抗力系数为φt=0.90（LRFD），结构的设计表达式为：

式中：Ra为根据LRFD荷载组合而计算得到的内力设计值；Rn为名义承载力（也称为承载能力标准值）；φt为抗力系数（也称为抗力折减系数）；φtRn即为设计强度。

采用ASD法时，安全系数为ΩT=1.67（ASD），结构的设计表达式为：

式中：Ra为根据ASD荷载组合而计算得到的内力设计值；Rn为名义承载力（也称为承载能力标准值）；ΩT为安全系数；Rn/ΩT为容许强度。

上述两种设计方法，公式右边均为抗力项，左边均为荷载作用效应，由于名义承载力（也称为承载能力标准值）是唯一的，不会因为采用何种设计方法而得到不同结果，因此，两种设计方法最大的不同在于不同设计方法的荷载组合以及安全系数（ASD方法）或抗力系数（LRFD方法）的不同。

当结构所需抗扭强度小于0.2Tc时，《ANSI/AISC 360钢结构规范》H3.2规定，空心圆截面所能承受的组合轴力、弯曲、剪切以及扭转作用，需要根据《ANSI/AISC 360钢结构规范》H1确定且需忽略扭转的作用。

对于受压弯的多重以及单一对称构件，截面所能承受的组合压弯承载力由规范H1确定，如下式所示（采用LRFD方法）：

式中：Pr为所需轴向耐压强度；Pc=φPn为设计拉伸或者压缩强度；Mr为所需弯曲强度； Mc= φbMn为设计弯曲强度；x为强轴；y为弱轴。

当结构所需抗扭强度大于 0.2Tc时，空心圆截面所能承受的组合轴力、弯曲、剪切以及扭转作用的构件由规范H3-6确定，如下式所示（对于LRFD方法）：

式中：Pr为所需轴向耐压强度；Pc=φPn为设计拉伸或者压缩强度；Mr为所需弯曲强度；Mc= φbMn为设计弯曲强度；Vr为所需抗剪强度；Vc= φvVn为设计抗剪强度；Tr为所需抗扭强度；Tc= φrTn为设计抗扭强度。

4 《水运工程钢结构设计规范》钢管桩应力

由于中国工程师对《水运工程钢结构设计规范》较为熟悉，本节仅对《水运工程钢结构设计规范》中钢管桩应力计算公式进行简要介绍，其余不再赘述。为便于中国规范与美国规范的对比分析，本文对公式（13）、（15）以及（17）两边同时除以钢材的抗压强度设计值f，将公式改写为如式（14）、（16）以及（18）所示。当计算值不大于1时则认为截面满足要求，当计算值大于1时认为截面发生破坏。经改写后，中美两国规范在结果的判断形式上基本保持一致。

4.1 强度计算

拉弯和压弯构件的强度计算应满足下式：

式中：N为轴向拉力或轴向压力设计值；An为净截面面积；Mx为绕强轴作用的最大弯矩设计值；γx、γy为与截面模量相应的截面塑性发展系数；Wnx、Wny为对z轴和y轴的净截面模量；My为绕弱轴作用的最大弯矩设计值；f为钢材的抗拉或抗压强度设计值。

4.2 压弯构件的整体稳定性验算

弯矩作用平面内的稳定性：

弯矩作用平面外的稳定性：

式中：N为所计算构件段范围内的轴向压力设计值；φx为弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数；A为构件的毛截面面积；βmx为弯矩作用平面内的等效弯矩系数；Mx所计算构件段范围内的最大弯矩设计值；γx与截面模量相应的截面塑性发展系数；W1x在弯矩作用平面内对较大受压纤维的毛截面模量；f钢材的抗压强度设计值；φy弯矩作用平面外的轴心受压构件稳定系数；η截面影响系数；βtx弯矩作用平面外的等效弯矩系数；φb均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数。

5 中美规范钢管桩截面内力对比分析

算例计算参数：钢管桩外径1 000 mm；钢管桩壁厚16 mm（考虑2 mm的腐蚀厚度，实际有效壁厚取值为14 mm）；钢管桩内径968 mm；钢管桩计算长度均取值为20 m；材料牌号ASTM A252牌号3，钢材的屈服强度为310 MPa，对应中国标准的钢材屈服强度为280 MPa，其他参数如表1所示。

表1　ASTM A252钢材拉伸性能要求［2］

《ANSI/AISC 360钢结构规范》钢管桩设计，主要设计思路为：根据截面属性，选择合适的公式计算各截面的名义承载能力（主要包括名义抗压、抗拉、弯曲、剪切以及扭转名义承载力）；根据不同的设计方法（LRFD或ASD法）对各工况进行荷载组合，得到所需的设计荷载；计算结构在组合轴力、弯曲、剪切以及扭转作用下的承载能力，当计算结果不大于1时，截面满足要求，当计算结果大于1时，截面承载能力不足，需修改截面进行重新计算。

从表面上看，中美钢结构规范在设计上具有很大不同，且两国规范在计算公式、参数的选取以及参数描述上均有较大差异，但美国规范与中国规范的设计思路也有相似之处。中国规范中计算的是截面的最大应力，在组合内力的作用下，当各个内力贡献的结构应力累加并超过钢材的强度设计值时认为截面不满足设计要求，美国规范则将各内力的所需强度与设计强度相比并进行累加，当结果超过1时则认为截面不满足设计要求需重新计算。

《水运工程钢结构设计规范》中强度验算和稳定验算是分开考虑的，且对于不同的弯矩作用平面以及不同的杆件截面类型均有不同的计算公式，而《ANSI/AISC 360钢结构规范》在验算截面受压与弯曲的组合作用时同时考虑了稳定，未进行单独计算。

对于常规的高桩码头结构，桩基主要承受弯矩以及轴力的作用，剪力以及扭矩并不是主导荷载，为便于计算和对比分析，不考虑剪力以及扭矩的作用。选用美国常用的钢材牌号ASTM A252等级3钢材，采用中美两国钢结构规范对轴力以及弯矩作用下钢管桩分别进行计算，分析钢管桩在轴力以及弯矩作用下两规范的差异，计算结果如表2所示。

表2　中美规范计算结果对比

从表2中可以看出，仅在轴力作用下，两国规范在计算结果上相差不大，《水运工程钢结构设计规范》计算结果略微偏大；仅在弯矩作用下，《水运工程钢结构设计规范》计算结果较《ANSI/AISC 360钢结构规范》明显偏大一些；当轴力不变时，随着弯矩逐渐增大，计算结果差别越来越大，总的趋势为《水运工程钢结构设计规范》计算结果较《ANSI/AISC 360钢结构规范》偏大一些。这主要是由于《ANSI/AISC 360钢结构规范》在计算截面的抗弯名义承载力时采用塑性弹性模量，充分利用材料的强度，该值较弹性截面模量偏大，而《水运工程钢结构设计规范》虽然也考虑了一部分塑性，但对于空心圆截面而言，截面塑性发展系数取为1.15，一般来说该值较采用塑性截面模量仍偏小；总的来说，两规范对比计算中，《水运工程钢结构设计规范》计算得到的结果均较《ANSI/AISC 360钢结构规范》偏大。

在同样的设计荷载作用下，虽然表2中采用《水运工程钢结构设计规范》计算得到的结果较《ANSI/AISC 360钢结构规范》偏大，但由于美国标准以及中国标准在荷载组合以及各荷载分项系数取值均有所差异，同样的外力，分别采用两国标准得到的设计荷载也会有所不同，因此并不能简单地认为中国标准偏于保守，美国标准偏于危险，实际应用中还应综合其他相关规范进行设计以得到更加准确的计算结果。

6 结 论

1）《水运工程钢结构设计规范》中强度验算和稳定验算分开考虑的，《ANSI/AISC 360钢结构规范》在验算截面受压与弯曲的组合作用时同时考虑了稳定，未进行单独计算。

2）仅在轴力作用下，两国规范计算结果相差不大；弯矩作用下，《水运工程钢结构设计规范》较《ANSI/AISC 360钢结构规范》计算结果偏大。

3）由于美国标准以及中国标准在荷载组合等方面上的差异，并不能简单地认为中国标准偏于保守，美国标准偏于危险，设计人员在设计中应格外注意。

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

［2]JTS152-2012 水运工程钢结构设计规范［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，助理工程师，主要从事港口航道与海岸工程设计工作。