美国结构设计规范体系简介

刘文涛

中国石油管道局工程有限公司设计分公司

随着“一带一路”战略的提出和实施，中国公司将参与越来越多的国际工程。美国结构设计规范作为世界上通用规范之一，受到工程界的广泛认可，但美国规范标准体系繁多，内容庞大[1-2]，给国内结构设计人员准确掌握和灵活运用带来一定困难。因此，了解美国规范标准体系构成，熟悉并掌握美国结构设计规范，成为国内结构设计人员进行涉外项目设计工作的首要前提。

1 美国结构设计规范体系的构成

美国结构设计规范体系主要由三大部分构成：源文件（Resource Document)、公认标准（Consen‐sus Standard）、规范 （Model Code）[3]。源文件是美国工程协会和学会经过长期的积累和发展制订的组织和企业标准，源文件可以来自协会正式出版的刊物、书籍，也可以是发布的文件、公告等。在应用的基础上，如果能够达到一定的共识和公认，源文件就可以上升成为公认标准。公认标准在经过多年的应用、整合、修正等不断完善后，逐渐上升成为规范。规范的级别最高，认可度最高，也就是我们平常所说的美国规范部分。公认标准是对规范中结构设计、施工各个方面的具体说明，用于指导具体工程设计。源文件是对规范和公认标准里规定内容的深层次解释，阐述了规定内容的原理、背景等，也包括各种规范标准的最新研究成果[3]。

1.1 源文件

美国包括建筑结构在内的各个领域存在不同的协会和学会，各自有着丰富的行业经验和资源。源文件是这些工程学会根据研究成果、行业经验制订的组织和企业标准。源文件是规范标准的基础，支撑起美国庞大的规范体系，使得美国在规范制订上全球领先。在美国，主要的结构工程协会有FE‐MA、NEHRP、ASCE、ASTM、ACI、AISC等，它们在不同的领域制订了很多源文件，对现行美国结构设计规范体系的构成产生了重要影响。

FEMA （Federal Emergency Management Agen‐cy）即美国联邦紧急救援署[4]，是联邦层面最主要的突发事件管理机构，是卡特总统在1979年为了将分散在不同部门的突发事件管理职能整合到一起而设立的。FEMA的主要工作是针对灾害发生的各个阶段，包括灾害的防备与应付、减轻灾害的影响、灾后的恢复等。FEMA下设3个研究协会：FHMP（Flood Hazard Mapping Program）、 NDSP（National Dam Safety Program）和NEHRP（National Earthquake Hazards Reduction Program）。

NEHRP即国家地震灾害减轻程序，成立于1978年6月。NEHRP在FEMA控制下，实现NIST(the National Institute of Standards and Technology)、NSF(theNationalScienceFoundation)、USGS(the United States Geological Survey)与FEMA的协同合作。自1985年，NEHRP规定每3年更新1次，主要任务是改善对灾害的了解、描述和预测，完善建筑法规和土地利用计划，提高设计和建造技术，促进研究成果的应用。

ASCE（American Society of Civil Engineers） 即美国土木工程学会，成立于1852年11月5日，是美国历史上最悠久的工程学会。ASCE也是全球最大的土木工程出版机构，覆盖了包括工程力学、水力学、基础设施等土木工程专业的所有学科领域。每年有5万多页的出版物面世，约有30种技术和专业期刊，以及各种图书、回忆录、委员会报告、实践手册、标准和专论等，为美国规范标准提供了大量的源文件。

ACI（American Concrete Institute）即美国混凝土协会，成立于1904年。它拥有30 000多名会员，分布在30多个国家的93个分会，制订了400多个有关混凝土的技术文件、报告、指南、规格和规范，致力于混凝土和钢筋混凝土结构的设计、施工、保养技术研究，传播相关领域的信息。

ASTM（American Society for Testing and Mate‐rials）即美国材料与试验协会，成立于1898年，是美国历史最悠久、规模最大的非盈利性的标准学术团体之一，也是世界上最大的标准发展与传递系统之一。ASTM共有138个技术委员会，制订了超过15 000项的ASTM标准，包括技术规范（Technical Specification）、指南（Guidance）、分类法（Classi‐fication）、标准惯例 （Standard Practice）、术语（Terminology）、 定 义 （Definition）、 试 验 报 告（Test Report）及试验方法（Test Method）。ASTM在美国国家标准ANSI中占有重要位置，现行ANSI美国国家标准中约有半数来自ASTM标准。ASTM学会的工作中心不仅仅是研究和制定材料规范和试验方法标准，还包括制定各种材料、产品、系统、服务项目的特点和性能标准，促进有关知识的发展和推广。

AISC （American Institute of Steel Construction）即美国钢结构协会，成立于1921年，是一家非营利的技术学会和贸易协会，在建筑工程界享有比较高的声誉，是世界上最具权威的钢结构协会之一。AISC还下设一个NSBA（National Steel Bridge Alli‐ance），即美国钢结构桥梁联合会，专注于钢结构桥梁方面的研究和服务，统一钢结构桥梁的行业标准，促进钢结构桥梁的发展。

以上简述了众多结构工程协会中的几个，美国结构工程协会还有很多，如ATC（Applied Tech‐nology Council）、ICC（The International Code Coun‐cil）、AWS（American Welding Society）等，表1列出了部分协会制定的部分源文件[5-6]。这些源文件支撑起了美国庞大的规范体系，为美国规范标准的制定提供了基础。

1.2 公认标准

源文件在应用的基础上，如果能够达到一定的共识和公认，则上升成为公认标准。公认标准是对结构设计、施工的各个方面的具体说明，用于指导具体的工程设计工作。

公认标准可以由单一源文件直接构成，如表1的ASCE 7《建筑结构最小设计荷载标准》，对结构设计中的最小荷载取值、荷载组合等与荷载相关的要求做了详尽规定；而ACI 318《混凝土结构设计标准》则是对混凝土结构的设计、施工的最低要求。公认标准也可以由多个源文件构成，如Build‐ing Code Requirements and Specification for Masonry Structures and Companion Commentaries（砌体结构和建筑规范要求和规范），其由ACI 530、ASCE 5和TMS 402三个源文件组成。

公认标准是在整合了众多成熟的源文件的基础上形成的，用于指导具体的工程设计工作。

表1 部分源文件Tab.1 Part of resource document

1.3 规范

规范是在整合了众多成熟的源文件和公认标准的基础上形成的。1994年以前美国主要规范由UBC（Uniform Building Code)《统一建筑规范》、NBC(The BOCA National Building Code)《国家建筑结构规范》和SBC（Standard Building Code）《标准建筑结构规范》构成。但这三本规范存在地域局限性，UBC主要用于美国西部各州，而NBC和SBC分别用于东北部和东南部，这给设计师对规范的理解、掌握和应用带来较大困扰。

为了使UBC、NBC和SBC三本规范统一协调，1994年三本规范的编制机构成立了国际规范协会ICC（International Code Council），并于1997年发布了新版规范的草案NEHRP Provision。在NEHRP Provision的基础上，经过讨论修订，ICC于2000年发布了IBC（International Building Code）规范，取代了UBC、SBC和NBC规范，从而使美国的结构规范达到统一。IBC规范没有重复各专门规范的具体内容，而是作为一个规范门户，由它通向各个专门规范。IBC每3年修订1次，目前最新版为IBC 2015。另外，在抗火设计方面，美国国家抗火协会NFPA（National Fire Protection Association）在2002年出版了完整的建筑结构抗火规范大全NFPA 5000，它早于2003年出版的IBC（第二版）；因此，IBC规范不包括抗火方面的内容。

综上所述，现行美国结构设计规范主要有IBC和NFPA 5000两套规范。

2 美国规范标准抗震体系

抗震设计是结构设计的重要组成部分。本节以结构抗震设计为例，阐述了如何运用美国结构设计规范体系进行结构抗震设计[7]。

图1为利用美国规范标准进行抗震设计的基本流程图[8]，且图中每一项都给出了对应的不同层次规范间的索引关系。由图1可知，IBC规范在抗震方面主要引用了ASCE 7的规定。ASCE 7是针对各种结构体系的总规范，规定了设防目标、场地特性、设计地震作用、地震响应计算方法、结构体系与概念设计等普通适用的内容；而对于具体的构件性能需求以及构件和连接节点的详细设计内容，ASCE 7则援引其他专门的规范，如混凝土应满足ACI 318的要求，钢结构则应符合ANSI/AISC 341的要求。

因此，工程设计人员利用现行美国规范标准进行抗震设计可以直接按照ASCE 7的相关规定进行计算分析，并参考如ACI 318等其他具体结构设计规范的相关规定来完成结构设计。

图1 美国规范标准抗震设计基本流程Fig.1 Basic process of seismic design in American code

3 结论

通过对美国结构设计规范体系构成的介绍以及对利用美国规范标准进行抗震设计流程的分析，得出以下结论：

（1）美国结构设计规范体系主要由源文件（Resource Document)、公认标准 （Consensus Stan‐dard）、规范（Model Code）三部分构成，这三部分之间依次成递进的关系。

（2）现行美国结构设计规范主要有IBC和NF‐PA 5000两套规范。

（3）利用现行美国规范标准进行抗震设计可以直接按照ASCE 7的相关规定进行计算分析，并参考如ACI 318等其他具体结构设计规范的相关规定来完成结构设计。