国外工程往往采用欧标、美标进行设计。由于国外规范体系庞杂、涉及面广,且对于外语水平有一定要求,所以对国内工程师学习和使用带来了一定困难。
本文将对美国建筑规范体系进行简介,我们后续将推出美标钢结构设计、美标混凝土结构设计的教程。
1 荷载规范
美国荷载规范由美国土木工程师学会负责编写。(AmericanSocietyofCivilEngineers,ASCE),荷载规范编号为ASCE-7。
荷载规范ASCE-7要求生成以下荷载组合:
结构构件的设计强度应大于上述所有组合的最大值。与我国规范一样,各类荷载作用的分项系数和组合系数的取值基于概率论可靠指标。
可以看到,美标的恒荷载、活荷载的分项系数要比我国大一些。
2 混凝土设计规范
美国混凝土设计规范由美国混凝土协会(AmericanConcreteInstitute,ACI)负责,用于建筑工程领域的是ACI318。
在对混凝土结构进行设计时,荷载组合、分项系数应根据ACI318确定。
在材料方面,美国混凝土强度按圆柱体试件(6英寸x12英寸)确定,而我国规范按立方体试件确定。美标混凝土标号通常有以下几种:
f'c=3000psi
f'c=4000psi
f'c=5000psi
f'c=6000psi
f'c是圆柱体的抗压强度。psi是英制单位,磅/平方英寸,与公制单位换算如下:
1psi≈0.006895MPa
这一点与我国混凝土规范不同,我国通过立方体试件的抗压强度标准值fcu,k给出了不同等级的混凝土。
美标需要在不同受力状态下,对抗压强度进行不同程度的折减。可以认为美标要求在不同受力状态下,材料的强度设计值不同,这一点也和我国不同。
对C60以下的混凝土,圆柱体的抗压强度f'c与立方体抗压强度标准值fcu,k之间可按下式换算:
当强度等级超过C60以后,f'c和fcu,k之间的比值会提高。对于C60的混凝土,比值为0.833;对于C70的混凝土,比值为0.857;对于C80的混凝土,比值为0.875。
混凝土的受压应变-曲线是一曲线,我国取曲线原点切线模量作为混凝土的弹性模量;美标取0.45倍抗压强度对应割线模量作为混凝土的弹性模量。
在进行构件的设计时,应满足
设计承载力≥所需承载力
其中,ɸ为名义承载力折减系数,Sn为名义承载力,Ur为所需承载力。名义承载力折减系数可以按照ACI318的9.3节取值。
需要注意的是,ACI318中并没有地震调整系数。对于有地震作用效应参与的荷载组合,ACI318不需要再对承载力进行进一步调整。
在进行截面配筋计算时,美标对于混凝土最小保护层的厚度要求要比国标大很多,相同条件的截面尺寸使用国标和使用美标计算得到的配筋会相差很多。
美标混凝土截面的具体计算假定与我国类似,基于平截面假定,承载能力极限状态计算时不考虑混凝土抗拉强度,截面上不均匀应力简化为矩形分布等。
3 钢结构设计规范
美国钢结构设计规范由美国钢结构学会编制。
AmericanInstituteofSteelConstruction,AISC
用于建筑工程领域的是AISC360。
AISC360除了分项系数设计法(荷载抗力系数法,LRFD)以外,还提供了容许应力法(ASD)。
在钢构件稳定性设计方面,美标也提供了以下方法:直接分析法、二阶分析法和长度系数法。但和国标区别较大。
在使用美标的直接分析法时,需要对结构整体设置初始缺陷、将构件的计算长度系数设置为1.0、静力分析时考虑几何非线性;除此以外,还需要对结构和构件的刚度进行折减。
需要注意的是,该方法并不是国标的直接分析法。国标的直接分析法还需要设置构件的局部初始缺陷,完全摆脱了长度系数的限制。美标的直接分析法更接近国标的二阶P-Δ法。
在进行美标轴心受压构件计算时,应取弯曲屈曲、弯扭屈曲和扭转屈曲承载力三者中的最小值作为其轴心受压承载力。弯曲屈曲承载力与国标计算方法类似,通过长细比λ确定稳定系数φ;弯扭屈曲和扭转屈曲需按照稳定理论计算。
在进行抗弯构件计算时,美标将截面分为三类:紧凑型、非紧凑型、细长型。这三类截面与国标中的截面等级类似。
紧凑型截面可以允许全截面塑性,不会发生局部屈曲,将塑性承载力作为截面抗弯承载力;非紧凑型截面允许部分进入塑性;取折减后的塑性承载力作为截面抗弯承载力;细长型截面取弹性承载力作为截面抗弯承载力。
在进行构件抗剪承载力计算时,美标采用了简化公式进行计算;国标采用材料力学的解析公式进行计算。
在进行构件抗扭验算时,国标并未给出计算方法,一般通过构造措施限制构件受扭;美标给出了单纯受扭、拉压弯剪扭的复合计算公式。同时指出,对于受扭的开口截面杆件,其稳定性应通过有限元计算来保证。