中美两国钢结构抗震设计对比分析

段晓晓

(西安培华学院,陕西 西安710065)

1 美国钢结构抗震设计的发展

1923年,美国钢结构协会制定了第一个钢结构设计规范,该规范是以容许应力为基本原则的设计法,经过多次修改,在1961年,其格式与内容基本上形成了固定模式。1986年,AISC规范委员会提出了以概率理论为基础编写的荷载和抗力分项系数钢结构设计规范,简称LRFD。以概率理论为基础编写的ASCE/SEI 7—05,作为美国各种设计理论依据,后该理论被不断修改与改进。

美国工程结构抗震设计大体上分为三种,国家标准、协会标准以及地方标准。发展过程大致经过初创、发展、统一几个阶段。1925年,出现了第一个建筑结构抗震设计规范UBC,紧接着又出现了NBC,SBC。

美国的抗震目标是把地震伤害降到最小化,即那些专门为人民提供生命安全、财产安全保障的设施,要按照他们的作用进行改造,加强它们的防震性能,使它们在震后也能正常的运行工作。该抗震目标把抗震强度分为两个等级,即“设计地震”和“最大考虑地震”。“最大考虑地震”是指五十年的超越概率为百分之二的地震;“设计地震”的加速度是“最大强度地震”的三分之二。

2 中国抗震设计规范

中国抗震规范提出的抗震目标为三水准,即“小震不坏,中震可修,大震不倒”。第一水准是指,当某地区所受到的地震强度伤害低于该地区所预防的强度时,遇到这种地震,震后可以不用修复,继续正常使用;第二水准是指,当某地区所受到的地震强度伤害等于该地区所预防的地震强度时,建筑物可能会受到小的或局部损伤,只需进行简单的修理甚至不用修理,就可以继续使用;第三水准是指,当某地区遇到的地震强度远大于他所预防的强度时,不会导致房屋坍塌或危及到人的生命财产安全。其中,小震五十年的超越概率为63.2%;中震是指五十年的超越概率为10%,相当于美国的“设计地震”等级;大震是指五十年的超越概率为2%到3%,相当于美国的“最大考虑地震”等级。

3 中美两国抗震设防标准的比较

3.1 中国的建筑工程抗震设防分类标准

我国根据建筑破坏造成的人员伤亡、经济损失、社会影响等因素将建筑物设防类别划分为特殊设防类(甲类)、重点设防类(乙类)、标准设防类(丙类)和适度设防类(丁类)四类。

甲类:指一些有特殊重要设施,关系到国家安全的重大工程和及可能发生次生灾害,应加以特殊保护的建筑。

乙类:指在地震中仍然要继续使用或者损坏后会带来严重的人员伤害,应该提高预防标准的建筑。

丙类:是指除了甲类、乙类和丁类的建筑。

丁类:是指使用的人员较少的,不致产生次生灾害,可降低预防标准的建筑。

3.2 美国的建筑工程抗震设防分类标准

A类:符合最基本的抗震设计要求。

B类和C类,符合一般性的抗震设计要求,只需要按照静力方法计算地震的作用就行。

D类、E类和F类:即严格按照抗震设计要求,用动力学来计算地震的作用。

4 中美两国钢结构抗震的原则和方法的对比

(1)中国的抗震设计两阶段方法:第一阶段设计是抗震建筑需考虑的最基本且必须遵循的设计内容。需要确定结构方案及布置,取第一水准的地震动参数,计算结构的弹性位移和构件内力,用极限状态设计法对截面配筋,并进行截面承载力抗震及变形验算,最后考虑延性和耗能要求采取适当的构造措施。第二阶段设计是对抗震有特殊要求或对地震敏感、大震下易发生损害的薄弱部位的建筑进行的弹塑性变形验算。

(2)美国的抗震设计的方法:单一阶段设计法。通过不同的调整系数来考虑不同结构的延性性能,比如对处于弹塑性工作状态的建筑可以采用线性静力计算法,对于处在D类、E类、F类的工作状态的建筑,不采用线性静力计算法。

(3)两国抗震设计结构分析原则和方法之所以有如此大的区别,是因为两国对抗震设防的划分标准不相同。

5 中美钢结构抗震设计规范安全度设置水平的对比

在软场地条件下,中国的抗震设计规范安全度设置水平与美国的基本相同;在硬场地条件下,按中国抗震规范设计出的柱截面抗震应力比美国的大。

对于竖向地震作用,现阶段中国规范仅仅只在少数情况下考虑它的影响,而美国对绝大多数建筑都需考虑竖向地震作用。

所以,综合以上分析可以看出,两国的钢结构抗震设计规范安全度各有特色,但两国总的钢结构抗震设计规范安全度设置水平相当。

6 中美钢结构抗震设计规范中主要构造措施的对比

中国的比较重要的和常见的构造措施有特殊抗弯框架、中等抗弯框架、普通抗弯框架、特殊中心支撑框架、偏心支撑框架。然而,美国对框架中梁、柱构件没有特殊的要求。美国对构件类型的划分比较详细,而中国会根据不同抗震设防烈度给出不同的限值。中国和美国关于梁柱连接焊缝类型的规定基本相同,对材料的冲击韧性的规定有一定的差异。

中国规定特殊抗弯框架节点与补强板柱翼缘连接应采用全熔透焊缝或贴角焊缝来发挥补强板的抗剪强度,对特殊抗弯框架、中等抗弯框架,梁柱承受非弹性应变的区域作为保护区设计,上下柱接头应采用全熔透焊缝,梁在V形支撑和人字形支撑相交处,应采用侧向支撑。

美国柱的拼接焊缝承受应变力,应满足如下要求:部分熔透坡口焊缝的焊接点,拼接接口处的柱翼缘和腹板的厚度和宽度变化时,可不用斜坡过渡。对于V字支撑和人字形支撑特殊支撑中心框架,支撑处上下翼都采用侧向支撑,对中心支撑框架有特殊的保护区,应有四分之一长度范围及支撑和柱及梁之间的连接部分。

中国对钢结构偏心框架中支撑构件的长细有明确的限制,而美国没有。

7 总结

通过以上对两国钢结构抗震设计的对比分析可以看出,两国的钢结构抗震设计有很大的不同,设计原则不尽相同,构造的重点也不一样,各有特色。

[1]侯建国,李健祥,李扬.中美混凝土结构抗震承载力验算安全度设置水平的比较[J].

[2]石树中,沈建文.抗震设计中多遇地震的问题和讨论[J].地震学报,2012,(1).

[3]沈麒,杨沈.中日建筑抗震规范抗震设计比较[J].工程抗震与加固改造,2012,(4).

[4]隋炳强.谈加劲肋设计[J].山西建筑,2013,(7).