涉外工程中美国标准介绍和土建结构设计.ppt

+,涉外工程中美国标准介绍和土建结构设计,2014.11.11,第一部分标准规范,美国标准体系简介 结构设计的几本主要执行规范内容介绍 关于工程建设标准 涉外工程设计中注意的几个问题,1、美国标准体系简介,“体系”？名目繁多各种技术标准、标准多大5万种以上，其中私营机构、学会等制定的达4万种以上，还不包括约定俗成的标准。分散化无公共、私营机构主导标准规范的制定和推广。联邦政府仅负责制定一些强制性标准，涉及交通、食药品、环保及制造业。,1、美国标准体系简介,“体系”？美国国家标准协会（ANSI）本身不制定标准，仅是“自愿标准体制”的协调者。由于不同机构制定标准，所以有：1、种类繁多 2、要求不一致,1、美国标准体系简介,“体系”No标准化体制问题,标准化体制是指标准化活动开展的组织方式、管理方式和运行方式的总称。由三方面构成：1、标准体制标准性质、分级；强制-自愿；2、管理体制确定分工和管理权限，明确各方关系；3、制定标准的组织形式民间标准化团体。,1、美国标准体系简介,1、标准体制美国的四级标准：国家标准，由各方协商一致产生；政府部门标准，由政府各部门发布，主要涉及安全健康一类；专业标准（行业），由专业学会或行业协会制定；公司标准；,1、美国标准体系简介,2、管理体制与其它国家最不同的地方政府作用小，ANSI仅是协调组织、信息交换、审批，（民间组织，政府认可）各民间标准团体、机构均可制定标准，无垄断现象。自愿标准体制，自编自用自受益。,1、美国标准体系简介,3、制定标准的组织形式民间标准化团体利益相关方自愿参与，利益博弈；纳入国家标准由ANSI协调协商一致，水准提高,1、美国标准体系简介,土木工程行业主要的标准制订机构介绍,National Earthquake Hazard Reduction Program不是机构，是一个执行程序，在FEMA控制下，实现NIST、NSF和USGS协同合作，通过基础研究进行减灾计划的实施。每三年更新一次。NIST和NSF 隶属USGS的领导。,Federal Emergency Management Agency联邦政府层面机构，突发应急事务，涉及救灾重建等。下设：FHMP、NDSP和NEHRP三个研究协会。,American Society of Civil Engineers150多年历史，美国历史最悠久的学会。下设6个专业委员会。,American Institute of Steel Construction80多年历史，钢结构权威学会。下设NSBA钢桥会。,Structural Engineers Association of California抗震权威，制定加州抗震标准，后多被 UBC采纳。最有名的就是：Recommended Lateral Force Requirements and Commentary.,Applied Technology Council通过加州SEAOC成立，致力于成果转化，很多抗震专题报告后多被 UBC采纳。,National Fire Protection Association国际消防权威，防火标准制定和管理的民间机构。,American Society of Testing and Materials国际影响力极大的标准学术团体之一。（岩土工程材料的分类、定义、试验和评价等等）,American Concrete Institute混凝土领域权威的民间组织。,Building Officials and Code Administrators International Inc.美国历史悠久的规范制订组织之一，原NBC颁发者，为ICC创始成员之一。（UBC、NBC和SBC早期不同区域适用的建筑统一法规，后以NEHRP provision为基础，合并向IBC发展，）,Southern Building Code Congress International Inc.美国历史悠久的规范制订组织之一，原SBC颁发者，为ICC创始成员之一。,International Conference of Building Officials美国历史悠久的规范制订组织之一，原UBC颁发者，为ICC创始成员之一。,The International Code Council94年由BOCA、SBCCI和ICBO合并成立。逐渐向I-Code系列过渡。,American Welding Society焊接。,American National Standard Institute1918年成立的非盈利民间组织。由ASME、ASTM、ASMME、ASCE、AIEE共同成立AESC（American Engineering Standards Committee），即ANSI的前身。目前是事实上的美国国家标准化的中心，虽然是民间组织，但其职能使其具有了官方性质。,2、结构设计的几本主要执行规范内容介绍,（1）ASCE 7/05,10 Minimum Design Loads for Buildings and other Structures 是目前美国建筑规范中对荷载作用最完整的一部标准：其中：地震作用被 IBC2006 和 NFPA5000采用（其它章节亦同）结构形式要求：混凝土ACI318，钢结构AISC360 因而是学习、使用美国规范的入口。*基于软件的配套使用和一般ITB文件要求，以05版为主。,2、结构设计的几本主要执行规范内容介绍,（2）ACI 318(318R)-05/2011 Buildings Code Requirements for Structural Concrete and Commentary 是一本关于混凝土结构的设计、施工、修复等的重要标准。配套:ACI 315 Details and Detailing of Concrete Reinforcement 给出了钢筋的节点和构造要求。,2、结构设计的几本主要执行规范内容介绍,（3）AISC 360-05/10 Specification for Structural Steel Buildings是一本关于钢结构的设计、施工、修复等的重要标准。早期:AISC-ASD(AISC 335)许用应力法 AISC-LRFD（AISC 350L)荷载和抗力系数法 配套：AISC 341Seismic Provisions for Structural Steel Buildings RCSC 2004Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts,（1）ASCE 7/05 主要内容,1、目录编排,1.General2.Combination of Loads3.Dead Loads,Soil Loads,and Hydrostatic Pressure4.Live Loads5.Flood Loads6.Wind Loads7.Snow Loads8.Rain Loads9.Reserved for Future Provisions10.Ice Loads-Atmospheric Icing,（1）ASCE 7/05 主要内容,1、目录编排,11.Seismic Design Criteria12.Seismic Design Requirements for Building Structures13.Seismic Design Requirements for Nonstructural Components14.Material-Specific Seismic Design and Detailing Requirements15.Seismic Design Requirement for Nonbuilding Structures16.Seismic Response History Procedures17.Seismic Design Requirement for Seismically Isolated Structures18.Seismic Design Requirement for Structures with Damping Systems,（1）ASCE 7/05 主要内容,1、目录编排,19.Soil Structure Interaction for Seismic Design20.Site Classification Procedure for Seismic Design21.Site-Specific Ground Motion Procedures for Seismic Design22.Seismic Ground Motion and Long-Period Transition Maps23.Seismic Design Reference Documents,（1）ASCE 7/05 主要内容,2、掌握重点（Wind）建（构）筑物、场地特性等各种定义、分类 荷载组合（wind)计算（分析）方法,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,建构筑物的使用分类 美国规范将建构筑物分为四类：I、II、III和IV。I类底IV高,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（Wind load）,对应的有：rigid，regular-shape 等等定义。,对应的有：open，partially enclosed 等等定义。,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.2、荷载组合（Wind load）,注意：某些情况下可以折减。对应强度设计(LRFD)。,（1）ASCE 7/05 主要内容,注意：某些情况下可以按其它条款折减。对应ASD。,2.2、荷载组合（Wind load）,（1）ASCE 7/05 主要内容,一、简化分析方法 Simplified procedure 低矮建筑（18m）、有横隔、封闭等建筑。二、基本分析方法 Analytical procedure 一般建构筑物采用的方法。三、风洞分析 Wind Tunnel procedure 基于风洞试验的一些要求。,2.3、计算方法（Wind load）,（1）ASCE 7/05 主要内容,Analytical procedure,2.3、计算方法（Wind load）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2、掌握重点（Earthquake）建（构）筑物、场地特性等各种定义、分类 计算（分析）方法,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,这些概念帮助我们理解地震动参数的来历，构造设计地震反应谱。,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.1、掌握重点各种定义、分类（General）,这些概念帮助我们理解地震动参数的来历，构造设计地震反应谱。,1、Sa根据各周期关系仍需要调整。2、To、Ts、TL均根据SDS和SD1计算。,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.2、计算方法（Seismic）,必须满足：1、结构系统（形式）2、建构筑物地震设计类别（A、B.）3、高度限制 4、响应修正系数 R 5、系统超强系数 o 6、变形放大系数 Cd 7、其他允许采用其它动力分析方法（有条件）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.2、计算方法（Seismic-系数调整）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.2、计算方法（Seismic-各种规则要求）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.2、计算方法（Seismic-各种规则要求）,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.2、计算方法（Seismic-各种规则要求）,地震荷载组合，参照前面基本组合。注意：系数和内容（Ev、Eh等）有一定变化。增加了冗余系数。根据地震设计分类，确定计算的地震力方向。,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.2、计算方法（Seismic）,1、等效侧向力法 底部剪力法2、节点反应谱法 振型叠加法3、其他动力分析,（1）ASCE 7/05 主要内容,2.2、计算方法（Seismic-位移控制）,（2）ACI 318-05 主要内容,目录内容,ACI 318-05 共有22章(Chapter)，其中包括：图纸和施工说明；检验；材料；耐久性要求；混凝土质量，搅拌和浇筑；模板；内置管道；施工缝；配筋；分析和设计；强度和适用性；弯曲和轴向荷载；剪切和扭转；钢筋的锚固和连接；楼板系统；墙；基础；预制混凝土；组合受弯构件；预应力混凝土；壳体和折板式构件；现有结构的强度评估；抗震设计；结构素混凝土；支撑和联系模型（附录A）；替代设计（附录B）；反复荷载和强度折减系数（附录C）；和混凝土的锚固（附录D）,（2）ACI 318-05 主要内容,重点内容,1、结构分析和设计 2、强度和使用性要求 3、弯曲和轴向力 4、剪和扭 5、钢筋构造（锚固、搭接、连接等）,（2）ACI 318-05 主要内容,设计方法：强度设计法。使用荷载或相关的内部弯矩和内力用规定的荷载系数增大；而计算额定强度用规定的强度强度折减系数降低。分析方法：按弹性分析理论所确定的计算荷载的最不利效应进行设计。设计荷载等于使用荷载乘以荷载分项系数。对于强度设计方法，运用弹性分析理论可以得到弯矩、剪力和反力。,1、结构分析和设计,（2）ACI 318-05 主要内容,按以下方式组合的效应：U=1.4(D+F)U=1.2(D+F+T)+1.6(L+H)+0.5(Lr or S or R)U=1.2D+1.6(Lr or S or R)+(1.0L or 0.8W)U=1.2D+1.6W+1.0L+0.5(Lr or S or R)U=1.2D+1.0E+1.0L+0.2S U=0.9D+1.6W+1.6H U=0.9D+1.0E+1.6H 要求满足：U R（-强度折减系数）不同性质构件和受力方式，取不同值。,2、强度和使用性要求,（2）ACI 318-05 主要内容,几个重要注意点：(1)、混凝土极限应变值 0.003(2)、钢筋应力取用：根据实际fy是否达到分别计算(3)、中和轴受压区域高度确定(4)、受弯梁侧向支撑间距(5)、最小配筋率问题(6)、受压构件长细比、支撑长度（弯矩放大法）,3、弯曲和轴向力,（2）ACI 318-05 主要内容,几个重要注意点：(1)、抗剪力由混凝土和钢筋分别提供(2)、箍筋间距(3)、构造,4、剪-扭,（2）ACI 318-05 主要内容,见相应的图表、公式，与施工构造内容配合。注意：和钢筋直径美式编号有关，搭接时有class A和B两类。,5、钢筋构造,（3）AISC360-05 主要内容,目录内容,AISC 360-05 共有13章(AM Chapter)，其中包括：总则；设计要求；稳定性分析与设计；受拉构件的设计；受压构件的设计；弯曲构件的设计；剪切构件的设计；组合应力及其扭转构件的设计；合成构件的设计；连接设计；管截面杆件和箱构件连接的设计；适用性设计；建造装配及质量控制；7个附录A。,（3）AISC360-05 主要内容,重点内容,1、分析和设计 2、稳定性设计 3、拉、压、弯、剪和扭构件设计 4、连接,（3）AISC360-05 主要内容,荷载组合 荷载及其组合必须符合适用的建筑规范中的规定。在没有相关规定时，必须符合ASCE 7中的相关规定。为了便于设计工作，名义荷载（nominal load）必须符合可以适用的建筑规范中的相关规定。注意：对于LRFD设计，适用于ASCE7，章节2.3；对于ASD设计，适用于ASCE 7，章节2.4。,1、分析和设计,（3）AISC360-05 主要内容,本规范取代下列规范：1999年12月27日颁布的钢结构建筑设计规范：荷载和抗力系数设计法(LRFD)、1989年6月1日颁布的钢结构建筑设计规范：容许应力设计法和塑性设计法(ASD)、其中包括1989年6月1日颁布的附录1单角钢杆件的容许应力法设计规范、2000年11月10日颁布的单角钢杆件的荷载和抗力系数设计法设计规范、2000年11月10日颁布的管截面杆件的荷载和抗力系数设计法设计规范、以及代替上述规范的所有从前使用的相关版本。,1、分析和设计,（3）AISC360-05 主要内容,设计基础 在进行相关设计时，必须符合载荷和抗力系数（LRFD）、或者符合容许应力设计法（ASD）中的相关规定。,1、分析和设计,（3）AISC360-05 主要内容,LRFD 法概念：,1、分析和设计,（3）AISC360-05 主要内容,ASD 法概念：,1、分析和设计,（3）AISC360-05 主要内容,Moment Connection:按照下面的规定，可以容许存在两种类型的力矩连接构件，FR和 PR。（a）完全限制的（FR）力矩连接构件(fully restrained)完全限制的（FR）力矩连接构件在连接构件之间转移可以忽略的转动力矩。在进行结构分析时，可以假设这种连接构件没有相对转动惯量。FR连接构件必须具有足够的强度和硬度，以便维持在强度极限状态时连接构件之间的角度。（b）部分限制的（PR）力矩连接构件(partially restrained)完全限制的（PR）力矩连接构件能够传输力矩，但是不能忽略连接构件之间的转动惯量。在进行结构分析时，必须包括连接构件的应力变形响应特性。PR连接构件的响应特性必须记录在技术文件中，或者通过分析或实验手段予以建立。PR连接构件的组成部分，在处于强度极限状态时，必须具有足够的强度、硬度和变形容量。,1、分析和设计,（3）AISC360-05 主要内容,整体稳定：任何设计方法必须涉及到二阶效应的影响（包括P-和 P-效应），弯曲、剪切及轴向变形、几何尺寸缺陷、以及构件硬度降低，由于存在这些残留应力，可以容许存在这些效应。一阶、二阶弹性分析方法，侧向刚度计算规定。构件局部稳定：侧向支撑、紧凑型截面。,2、稳定性设计,（3）AISC360-05 主要内容,3、构件设计（拉）,无长细比限制(300)抗拉强度(0.9，1.67)对毛截面和净截面面 积确定作出规定组合构件尺寸要求铰接构件的抗拉强度（0.75，2.00）对眼杆尺寸规定,（3）AISC360-05 主要内容,3、构件设计（压）,一般构件时抗压强度（0.9，1.67）给出长细比计算中的有效长度定义要求各种情况下的抗压强度计算和长细比计算组合构件的强度、屈曲计算和基本尺寸要求,（3）AISC360-05 主要内容,3、构件设计（弯）,抗弯强度（0.9，1.67）给出各种形式构件的侧扭屈曲和受压翼板失稳屈曲计算公式,（3）AISC360-05 主要内容,3、构件设计（剪）,两种方法，不考虑后屈曲时抗剪强度（0.9，1.67），否则(1.00，1.50)根据 h/tw确定腹板剪切系数 Cv,（3）AISC360-05 主要内容,3、构件设计（组合力和扭）,给出了双向受弯+压时的强度、稳定计算公式（已很少用到）,（3）AISC360-05 主要内容,4、连接,重点是高强螺栓的计算、构造和布置，参见前面提到的RCSC 2004Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts,3、关于工程建设标准,工程建设标准业主标准 国外工程中，业主标准往往是设计中主要的依据和参考。一般由ITB文件规定，或合同谈判中队技术标准的采用确认。国际工程中材料来源广泛，材料规格、材质、标准做法（节点）等等有时不是指向同一个标准体系。地方法律、法规与采用的国际标准不一致。大量附属结构标准主要来自于ES或PIP。,3、关于工程建设标准,以中东地区沙特国家为例：业主标准（SES，YANSAB，Royal Committee，etc）刚才来自于欧洲，钢材、钢筋规格欧标。各种附件构件设计（平台、栏杆、梯子等）参考ES/PIP。（PIP十分重要，实用性极强）,4、涉外工程设计中注意的几个问题,1、仔细研究和阅读ITB文件2、准备好尽可能完整的设计统一说明（最好交由业主确认）3、计算分析（engineer）和设计(designer)有条件要分开。4、模板文件（包括软件输入参量）、常用计算小软件事先编制。5、质量审计要有应对策略。6、尽可能收集多的美标（问题处理、代换等用）。,第二部分规范应用,如何正确理解和应用规范 中美主要结构设计规范对比 一个工程实例,1、如何正确理解和应用规范,1、规范不能死用，必须首先理解原理。2、规范是让你按什么去做或必须这么做。不一定解释为什么这么做。3、国外规范的最大特点是工程师对设计有充分的主动权，多数规范不是强制性的。（个别涉及安全的条款除外）4、国内外的规范在基本方法和原理上是一致的，只是使用标准、采用方法和表达上有区别，导致模型或参数选择上不尽相同。,2、中美主要结构设计规范对比（风载计算）,中美风荷载转换分析美国风载标准的几次变化,ANSI A58.1 1972标准是美国标准学会（ANSI）在1972年制定的，是基于风速和设计荷载参数表所确定的可靠度而划定的风荷载标准。从那以后，ANSI对风荷载标准进行了一系列的修订，并相继颁布了ANSI A58.1-1982，ASCE 7-88，ASCE 7-9，ASCE 7-95，ASCE 7-98，ASCE 7-02 和 ASCE 7-05。重要的两次修订是在ANSI A 58.1-1982 和 ASCE 7-95。最核心的修改是关于基本风速（reference wind speed）的定义，即从按小时里程统计改为按3秒时距进行统计。另外，在不同的标准版本中，对几个主要不同系数作了修改和调整，包括重要性系数、地形系数，方向性系数，阵风影响系数和压力/力系数。,2、中美主要结构设计规范对比（风载计算）,平均风速的时距转换,平均风速的时距定义为：,即平均风速 与所取某一中心时刻t0附近的时距有关，各国对风速记录(t)取的时距均不相同，但相互间存在着换算关系。,在时距为t(s)内所取的平均风速 与时距为1h内所取的平均风速 之间的关系可表示为：,式中c(t)是与t有关的一个系数，为纵向脉动均方根值，由下式表达：,2、中美主要结构设计规范对比（风载计算）,平均风速的时距转换,式中 为摩擦速度，为无量纲系数，可假定不随高度变化，相对于不同的粗糙长度z0，经过大量实测获得的并可用于结构设计的值见下表。,实测值,2、中美主要结构设计规范对比（风载计算）,平均风速的时距转换,摩擦速度 的表达式为：,式中k0.4。,c(t)也是通过风速资料的统计分析获得，c(t)是与t的关系见下表。,c(t)值,由此可得到平均风速 与时距为1h内所取的平均风速 之间的完整关系表达式：,2、中美主要结构设计规范对比（风载计算）,平均风速的时距转换,假定：z0=0.05m，z=10m，查表，6.0，可以得到 与t的分析结果，见下表：,比值,由上表，可进一步推出 的比值：,2、中美主要结构设计规范对比（风载计算）,平均风速的时距转换,美国的平均风速在早期的标准（ANSI A58.1 1972，UBC（MBMA）等）中采用如下定义：,开阔地形上，离地10m的最大里程风速，重现期为50年；记录时距为水平长度1英里的某一体积空气通过风速计所需的时间t，得到最大里程风速,（单位mph）；,后期包括目前，美国的平均风速（基本风速）采用如下定义：,基本风速是取地面粗糙度C类的平坦地形，折算成离地10m高，时距为3s，且重现期为50年的年平均最大风速 V3（单位m/s）；,2、中美主要结构设计规范对比（风载计算）,平均风速的时距转换,我国对平均风速（基本风速）定义为：,离地10m高，自记10min平均年最大风速，同时观测场地地形要求周围空旷平坦，采用极值I型的分布确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速,（单位m/s）；,=120(mph)时，时距为,当测得的风速,=3600/120=30(s),我国的时距为10min，即t=600(s)，则=1.238,因而，对应的中国基本风速,=193(km/h)/1.238=155.9(km/h)=43.3(m/s)。,2、中美主要结构设计规范对比（风载计算）,基本风压和风荷载,美国风荷载计算公式（ASCE7-05）,对于开敞式高耸结构的设计风压p，现行美国规范ASCE7-05中作如下定义：p=qzCf(Pa)式中，qz速度风压，阵风影响系数（与我国风振系数相似，Cf风力系数（与我国体型系数相似）。速度风压qz定义如下：qz=0.613 KzKztKdV2I(Pa);V单位(m/s)式中，Kz速度压力暴露系数（根据地面粗糙度类别和高度确定，与我国的高度系数相似），Kzt地形系数（考虑地面粗糙度的高度修正系数，类似我国的B），Kd风向系数（对开敞格构式结构，取0.85），V基本风速，I结构重要性系数。,2、中美主要结构设计规范对比（风载计算）,基本风压和风荷载,我国风荷载计算公式（GB50009-2012）,我国目前规范设计风压wk按下式计算：wk=zszw0(KPa)式中，z高度z处的风振系数，s体型系数，z高度系数，w0基本风压。基本风压w0定义如下：w0=2/1600(KPa),2、中美主要结构设计规范对比（风载计算）,地面粗糙度类别,注：美国标准地面粗糙度类别（surface roughness categories）与暴露类别（Exposure categories）在概念上是有区别的。暴露类别不仅考虑了地面粗糙度的影响，还考虑了区域不规则地形的影响。,谢谢！,