中国标准与美国标准关于钢结构设计差异的浅析

在工程设计及建设领域，现在国际市场上主要还是以美国规范及标准为参考。针对钢结构的稳定、抗震及构件设计等方面的内容进行分析，通过对比阐述美国标准和中国标准在钢结构设计理念和方法上的差异，增强对2种规范体系的认识，方便进行国际工程设计。

美标; 国标; 钢结构设计; 差异

TU318.4 A

［定稿日期］2022-03-11

［作者简介］葛小珲（1982—），男，硕士，高级工程师，从事结构工程设计工作。

随着国家经济结构的转型以及“一带一路”经济发展政策的落实，国内的工程公司逐渐走出去，走向国际市场已经成为了必然的趋势。在工程设计及建设领域，现在国际市场上主要还是以美国规范及标准为参考，但是国内的工程公司绝大部分还是习惯采用中国规范。美国规范与中国规范在理念和具体标准上有很大的差别，美国规范以建议性的条款为主，强调结构的性能设计，给予设计师较大的设计灵活度，中国规范则以限制性条款为主，相关参数限制比较严格，所以必须系统掌握美国规范的设计理念及具体要求才能真正与国际接轨，保护自身的利益。

美标体系中关于钢结构设计方面主要有几种规范：IBC（国际建筑规范）、AISC360（钢结构设计规范）、AISC314（钢结构抗震设计规范）、ASCE7（荷载规范）；中国规范体系主要为：GB 50017-2017《钢结构设计标准》和GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》。本文主要针对这几种规范的内容进行探讨。下文中“美国规范”用“美标”简称，“中国规范”用“国标”简称。

1 钢结构的稳定分析

稳定理论是钢结构设计中的核心理论，美标和国标在钢结构的稳定分析上都是基于稳定理论的，但是两者在表现形式上又有所不同。

二阶效应是稳定性的根源［2］。P-Δ效应是结构整体效应；P-δ效应是构件挠曲效应，一般會增加杆件中部弯矩，杆件端部弯矩增加较少。二阶效应的考虑国标提供3种计算方法：一阶弹性分析、二阶P-Δ弹性分析及直接分析。

当二阶效应系数不大于0.1时，可采用一阶弹性分析。一阶弹性分析相当于美标的计算长度系数法，是在设计阶段考虑二阶效应。通过K值（构件杆端约束系数）换算构件计算长度，再查φ-λ表得到φ值，φ是按柱的最大强度理论用数值方法计算出大量的φ-λ曲线归纳确定的，考虑了构件的初始缺陷、残余应力及初弯曲等因数。P-Δ效应通过有侧移框架和无侧移框架表中μ的不同值来反映。美标认为，支撑框架如果柱子的计算长度系数取值小于1，则必须专门计算约束柱端的框架梁的P-δ效应，因此建议柱子的计算长度最小取为1。

当二阶效应系数为（0.1，0.25］时，可采二阶P-Δ弹性分析或直接分析。国标的二阶弹性分析方法是在结构分析阶段考虑P-Δ效应，在设计阶段考虑构件的P-δ。通过采用一个假定的水平力施加于结构上，来反映整体结构的初始缺陷。也可以按照近似的二阶理论对一阶弯矩进行放大来考虑。P-δ效应在构件稳定计算中通过稳定系数来考虑，构件的计算长度系数取为1。

当二阶效应系数大于0.25时，应增大结构的侧移刚度或采用直接分析法。直接分析法是在结构分析阶段考虑二阶效应。国标要求建立带缺陷的整体结构模型并采用带缺陷等的构件单元，进行全过程二阶非线性弹塑性分析法分析，特殊情况下可以采用二阶非线性弹性分析。

美标的直接分析法是采用假想水平力（或模型缺陷）及结构和构件刚度折减的方式来反映二阶效应的，这时构件的计算长度系数取为1。直接分析方法比长度系数法对二阶效应的反映更敏感。

美标另外提供了2种分析方法：一阶弹性分析法，二阶弹性分析法。一阶弹性分析法仅通过附加水平力考虑了构件的初始缺陷，没有考虑二阶效应。用于侧移较小，侧向支撑能提供较大侧向支撑力的结构。二阶分析方法实际上就是常说的增大系数法。通过2个增大系数反映二阶效应， B1反映P-δ受压构件效应，B2反映P-Δ整体效应。

2 构件设计

2.1 轴心受压构件

美标抗压承载能力是根据弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲中极限状态的最小值来确定的，其中弯曲屈曲与中国规范类似采用φ-λ曲线确定Fcr，扭转屈曲和弯扭屈曲按稳定理论计算Fcr。美标根据受压构件板件的宽厚比将构件截面分为细长和非细长截面，不同截面采用不同的计算公式。国标是根据最大强度理论进行大量的数值计算后得到一个简化的φ-λ曲线来确定的，通过板件宽厚比等构造要求来防止构件局部失稳，通过换算长细比考虑构件的扭转屈曲和弯曲屈曲。两者的理论基础都是稳定理论，只是表现形式不同。

2.2 受弯构件

国标通过考虑部分塑性发展的强度公式进行强度计算，通过φb进行整体稳定计算（考虑了部分塑性发展）。对于局部稳定，国标主要对腹板的稳定进行了计算要求，翼缘稳定主要是通过构造措施来保证的，采用有效翼缘外伸宽度。

美标将受弯构件分为紧凑型截面、非紧凑型截面和细长截面。紧凑型截面可以进入全截面塑性状态且之前不会发生局部屈曲，因此截面的强度计算采用塑性抗弯承载能力。非紧凑型截面仅部分截面进入塑性阶段，因此采用塑性抗弯承载力并做适当的折减。非对称截面（除角钢外）及细长型截面一般不会进入塑性状态，因此采用弹性承载能力。构件的稳定计算根据不同的无支撑长细比、不同截面类型以及是否进入塑性阶段采用了不同的计算公式。

2.3 抗剪承载力

国标采用了材料力学中关于截面剪应力的标准公式。而美标采用了标准公式的简化公式，通过截面的最大剪应力反算出截面的抗剪承载能力。

2.4 拉弯及压弯构件

美标中构件的允许承载能力是包含了强度和稳定计算的，所以在拉压弯构件计算中采用的允许承载力是强度和稳定计算中的较小值，所以在这节中就不再进行专门的稳定计算了。

国标在计算拉弯和压弯构件时是将强度和稳定分开计算、比较的。因此在受弯计算，压弯及拉弯计算中都会分别出现强度和稳定的公式。

2.5 抗扭计算

国标原则上是从构造要求出发，不允许钢构件承受较大的扭力（特别是开口构件），当构件承受的扭力小于构件扭转承载能力的20%时，扭力可以忽略。因此国标没有给出具体的抗扭公式。

美标给出了闭口截面的纯扭及弯剪扭的计算公式，对于开口截面的构件，美标认为对于稳定计算必须进行详细的有限元分析才行。

2.6 组合截面

国标实际上采用了简单塑性应力分布理论进行组合梁受弯构件的计算，假设混凝土和钢梁均为均匀受力。计算负弯矩时，国标考虑了板内钢筋的作用，计算正弯矩时不考虑受压钢筋的作用。对于钢骨混凝土构件采用应变协调法进行弹性分析得到承载力。对于钢管混凝土构件采用简单塑性应力分布理论进行分析。

美标计算组合梁受弯时采用塑性应力分布法计算，计算钢骨混凝土构件受弯时可采用塑性应力分布法或应变协调法以及弹性应力叠加法，钢管混凝土构件受弯采用塑性应力分布法（对细长构件采用线弹性理论）。计算负弯矩时美标仅考虑钢梁的作用。

3 抗震设计

从建筑抗震的理论来看，抗震无非是在2个方面做工作：①通过构件承载能力直接抵抗地震作用;②通过构件屈服耗能，消耗地震能量。前者体现在结构的抗震承载能力上，后者体现在结构的延性性能上。目前世界各国建筑的抗震都是上诉2个方法的结合，只是各有侧重。当结构的抗震承载能力较高时，其延性要求就可以较低；当结构的抗震承载能力较低时，其延性要求就较高。

IBC地震运动设计值定义为可遇最大地震运动加速度（50年超越概率为2%）的2/3。地震运动设计值相当于大震加速度的2/3。美标通过R的取值和抗震构造措施来调整承载能力和延性要求。美标钢结构抗震根据结构的延性分成了3个类别：特殊抗震结构体系、中等抗震结构体系、普通抗震结构体系。特殊抗震结构体系的延性要求最高，R的取值也最高。普通抗震结构体系的延性要求最低，R的取值也最低。R的取值要求在IBC中有详细的要求。当R取值小于等于3时，结构在抗震计算中采用了较大的地震作用力，因此可以不再考虑额外的抗震构造措施。其实特殊抗震结构体系和普通抗震结构体系就是美标抗震体系的2个端头限值，设计师可以在这个范围内调整R值与延性的关系，以达到最优的经济性。

国标地震运动加速度设计值实际上是小震的地震作用。50年超越概率为63%。相当于大震地震作用的0.16～0.2［1］。在常规设计时，国标小震地震作用相当于美标设计中R值为3时结构所受的地震作用，R为3时美标规定可不考虑抗震构造措施，但国标却要求结构应具有足够的延性性能，有明显差异。国标的小震设计其性能基本和GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》附录M中的性能4相当，在此基础上提高结构的抗震承载力，同时可以等幅降低结构的延性要求。例如门式刚架是一个地震作用不起控制作用的结构，结构的抗震承载力远大于所需要的承载能力，因此GB 51022-2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》规范中对门式刚架主要构件的长细比、宽厚比等延性要求是远低于GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設计规范》对抗震等级为四级的普钢结构的要求的。在设计中可以根据情况，调整地震作用的大小与其他横向荷载的关系，以达到最优经济性。GB 50017-2017《钢结构设计标准》针对钢结构的性能指标和延性特点进一步进行了细化，明确采用“高延性-低承载力”和“低延性-高承载能力”2种抗震设计思路。抗震承载力性能等级从1～7，承载力依次降低，要求的构件延性性能就越高。由于地震作用的不确定性，延性比承载能力更为重要，所以对于高层钢结构和高烈度区的结构，宜采用“高延性-低承载力”的性能目标；对于工业建筑，一般高度较低，竖向荷载较大，宜采用“低延性-高承载能力”的性能目标，降低工程造价［2］。

4 结束语

中国建筑规范走过了照搬—借鉴—自行研究+借鉴的道路，已经自成一套体系，某些地方也借鉴了其他一些国际规范。在美标学习中不妨将美标与国标结合起来，在对比中学习。一方面可以加快学习的进度，另一方面可以更深刻理解2种规范的体系及内涵。随着国家经济的转型，我国市场逐渐从投资引入型向投资输出型转变，熟练掌握及运用国际通行的建筑规范及标准将成为工程公司及各设计院无法回避的事情。

参考文献

［1］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范（2016年版）： GB50011-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社.2016.

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50017-2017钢结构设计标准 ［S］.北京： 中国建筑工业出版社.2017.

［3］ INTERNATIONAL CODE COUNCIL. ISBN：978-1-58001-725-1.2009 INTERNATIONAL BUILDING CODE ［S］. PRINTED IN THE U.S.A . INTERNATIONAL CODE COUNCIL. 2009.

［4］ AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. ANSI/AISC360-10， SPECIFICATION FOR STRUCTURAL STEEL BUILDINGS ［S］. PRINTED IN THE U.S.A， THE AISC COMMITTEE ON SPECIFICATIONS. 2010.

［5］ AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. ANSI/AISC341-10 ，SEISMIC PROVISIONS FOR STRUCTURAL STEEL BUILDINGS ［S］. PRINTED IN THE U.S.A， THE AISC COMMITTEE ON SPECIFICATIONS. 2010.

［6］ AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. ASCE/SEI7-10 MINIMUM DESIGN LOADS FOR BUILDINGS AND OTHER STRUCTURES ［S］. PRINTED IN THE U.S.A， AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. 2010.