中美结构设计中荷载取值对比分析范文

摘要:钢材由于其优良的强度和延展性，在建筑结构上有广泛的应用。我国随着经济实力的提升，钢结构见越来越常见。本文通过对中美钢结构规范中的荷载取值与荷载组合计算的对比研究，得出两国规范对于恒荷载基本一致，活荷载方面则美国规范相对要大一些，其中地震荷载我国是通过多遇地震与罕遇地震的强度比进行折减，美国则是针对不同延性设计级别进行折减的结论。

关键词:结构设计;荷载取值;对比研究

1前言

钢材具有强度高、自重轻、变形能力强等优点，这使的钢结构建筑可以完成一些其他材料达不到的构造要求。也因其延性破坏的特性与良好的变形能力，能够在地震作用下充分变形才破坏，具有优良的抗震性能。美国钢结构规范作为国际权威，我国规范的编写也对其进行参考借鉴，同时我国研究人员也对两国钢结构设计方面其进行过各方面的对比研究，其中两国各自对结构荷载的计算方式与大小，以及所采用的荷载组合值，模型所需参数均有不同。

2荷载取值

成功的结构设计首要的前提是正确的荷载估算，而荷载组合的前提又是荷载取值的方法，如果荷载取值本身都有一定差异的前提下，进行荷载组合的对比就毫无意义。

2．1恒荷载

恒荷载方面CE7在恒荷载条文说明中列出了常用材料的荷载与密度，其中常用的钢筋混凝土密度是23.5KN/m3，钢为78.1KN/m3。可以看出恒荷载方面由于材料本身性质锁定，所以基本一致，而混凝土的密度由于配比等会有一定区别，所以有偏差，而像钢材等材料则完全一致。

2．2活荷载

活荷载取值方面，其中常见的办公室或荷载取值2.4kN/m2，阳台荷载为旁边使用类别活荷载的1.5倍且不大于4.79kN/m2，整体看来取值与我国荷载规范基本相当。对于荷载折减方面，两国规范也有类似的要求，但形式却有些许差别，我国是根据不同的建筑类别，墙柱可取0.9的折减，或根据层数而取1至0.55的折减系数，梁则是根据不同建筑类别，当面积大于25平米或50平米后，可取0.9的折减系数。而在CE7中则并没有根据建筑类别进行划分，而是一条公式和一个系数表，参照公式折减。关于梁板的折减两国相差不大，只是美国会根据面积有范围变化，我国则统一为0.9。关于墙柱的折减两国规范参数不同，我国是根据层高而改变，美国则是根据面积而改变。

2．3地震荷载

地震荷载的取值涉及到的设计参数有场地类别、地震强度、房屋自振周期、地震反应修正这几项。其中自振周期通过模型计算而得，其余几项需要在设计时输入。

2．3.1震源类型、场地类别

我国规范条文说明中描述，相同的震级，相同的场地条件，但由于震源机制以及震中距的不同，仍会导致反应谱的变化，故我国在烈度区划分的基础上设置了地震分组的方式来体现。CE7［1］中则是根据经纬点给出地震作用反应谱，用这种方式考虑了震源类型。具体场地类别的划分，可参考《中美设计规范中场地分类和场地效应的比较》。

2．3.2地震反应谱

我国地震强度被规范按照设防烈度划分成4个级别，每个城市再划分各个分组，给出多遇地震的反应谱加速度峰值，再根据场地类别、建筑阻尼比等参数得出特征周期的反应谱值。美国则是将全国按照经纬度给出建筑所在点的0.2秒周期时以及1秒周期时反应谱值，从而得到完整的反应谱。综合来说两国所给出的反应谱形状基本一致，对于地震峰值美国划分范围更加广。若根据罕遇地震的重现期以及50年超越率来考虑的话，美国的标准略高一些。

2．3.3地震反应修正

两国地震反应修正的取值采用了不同的方式，我国根据概率给出多遇地震的特征值，在承载能力计算当中，要求结构能够抵御多遇地震荷载不受破坏。对于确保大震不倒，则采用各种构造措施加强结构的延性能力，使结构在罕遇地震作用下不会马上破坏。美国则完全不同，直接给出的是罕遇地震反应谱，CE7当中再根据不同的结构形式类别，给出了不同的折减系数，例如特殊抗弯框架除系数8，普通抗弯框架除3.5等，但地震作用的设计值还需要再乘2/3。可以看出，美国规范［1］的折减是根据结构类型来划分的，且从两个维度上来进行，第一是抗侧力构件类型，第二是延性要求程度。

2．4风荷载

我国规范风荷载取值公式为:ωk=βzμsμzω0，其中βz为风振系数，μs为风荷载体形系数，μz为风压高度系数，ω0为基本风压，其中基本风压取50年一遇。美国规范结构不超过18米的相应公式为:qz=0．613KzKztKdV2，其中:qz为速度风压，单位为N/m2，Kz为速度压力粗糙度系数N/m2，Kzt为地形系数，Kd为方向性系数，以考虑最强风从所有方向传来的可能性以及最大压力参数从所有方向相同的可能性。0.613为伯努利公式的风速风压计算公式系数。V为基本风速。举例说明，我国规范［2］如果所选结构高度不大于30米，体形系数μs按规范取1.3，由地面粗糙程度属于B类可得11.9m处风压高度系数μz为1.05，不考虑地形相关修正，基本风压按所处地带取50年一遇为0．35kN/m2。故11.9m处风压:ωk=1．3×1．05×0．35=0．478kN/m2。美国与我国规范风压高度系数相同，地面粗糙程度取与我国B类相近时为C级，11.9m处相应Kz=1．03，不考虑地形影响，此处Kzt=1。Kd对于一般结构取0．85。CE7－10［1］将重要程度系数并入基本风速中，将荷载组合当中风荷载的分项系数调为1.0，把II级重要度结构(相当于我国丙级)的基本风速重现期调为700年。为做计算对比，取50年一遇风速V50=23．66m/s，根据CE7－10给出的公式换算为700年一遇风速:V700－V50［0．36+0．1ln(12×700)］=29．90m/s。故:qz=0．613×1．03×1×0．85×29．92=480N/m2=0．48kN/m2。设计风压:P=qz［(GCpf)－(GCpi)］。GCpf为外部压力系数以描述建筑体型，对于平屋面侧面受压迎风面为正0.61，背风面为0.43，GCpi为内部压力系数以描述建筑密封程度的影响，对于完全密封的建筑为0.18。故最终11.9米处最大设计风压:P=0．48×［(0．61+0．43)－(－0．18)］=0．586kN/m。

3结论

经过上述分析，可以得出下面几点结论:(1)荷载取值对比可以看出，两国规范当中恒荷载取值基本一致，活荷载取值美国规范［1］略大一些，地震荷载取值基本相当，但美国规范的峰值范围要更广一些;(2)对于地震荷载由于参与因素较多，无法直接对比，但综合而言罕遇地震作用的取值标准基本相当，但是在折减方面的考虑角度不同我国是通过多遇地震与罕遇地震的强度比进行折减，美国则是针对不同延性设计级别进行折减;(3)CE7－10版荷载组合值系数并入基本风速值当中，从而将相当于我国重要程度丙类的建筑基本风速重现期调为700年，若采用50年重现期基本风压的组合系数则为1.6。

作者：秦昊骏 单位：武汉理工大学