中美規(guī)范荷載和設(shè)計(jì)參數(shù)的轉(zhuǎn)換及換算關(guān)系探討

蘇 超, 劉旭凡

(1.中國成達(dá)工程有限公司，四川成都 610041； 2.北京中建建筑設(shè)計(jì)院成都分院，四川成都 610000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展和國家“一帶一路”倡議的提出和實(shí)施，越來越多的國內(nèi)企業(yè)走向國際市場，越來越多的涉外建設(shè)項(xiàng)目得到開展，從一開始的業(yè)主要求必須采用當(dāng)?shù)鼗蛘呙绹鴺?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，到現(xiàn)在逐漸有很多業(yè)主開始接受和采納中國規(guī)范作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)于這些走向國際市場的國內(nèi)建設(shè)公司來說，在熟悉和了解海外標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也要掌握海外規(guī)范和中國規(guī)范相關(guān)荷載和設(shè)計(jì)參數(shù)的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，以便能正確對(duì)相關(guān)荷載和參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保證設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。對(duì)于恒載和樓面屋面活荷載，按照實(shí)際情況和相關(guān)荷載規(guī)范要求取值即可，因此本文主要通過對(duì)美國規(guī)范和中國規(guī)范的風(fēng)荷載和地震作用的相關(guān)參數(shù)的轉(zhuǎn)換進(jìn)行探討，力求更好地理解兩國規(guī)范的設(shè)計(jì)理念，為涉外工程提供參考。

1 風(fēng)荷載的轉(zhuǎn)換

ASCE7-05定義的基本風(fēng)速為 : 距地高10m(33ft) , 地面粗糙度為C,3s陣風(fēng)風(fēng)速 , 對(duì)易受颶風(fēng)地區(qū)采用 500a重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn),其他一般地區(qū)均采用 50a的重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)ASCE7-10相比于ASCE7-05，對(duì)風(fēng)荷載部分做了較大的修改,根據(jù)ASCE7-10對(duì)于風(fēng)荷載的定義，基本風(fēng)速：離地面10m高度處、曝露類別為C、時(shí)距為3s，根據(jù)相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別確定的重現(xiàn)期分別為300a、700a和1 700a的風(fēng)速值。由于ASCE7-05和ASCE7-10對(duì)于基本風(fēng)速的定義差別很大，因此在進(jìn)行轉(zhuǎn)化之前必須首先要明確設(shè)計(jì)基本資料的風(fēng)速是基于哪個(gè)版本提出的，以便正確地進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

我國GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》對(duì)基本風(fēng)速的定義為離地 10m高,空曠平坦地形(即地面粗糙度為B,重現(xiàn)期為50a的10min平均年最大風(fēng)速。

對(duì)比GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》與ASCE7-05對(duì)于基本風(fēng)速的定義，相同處為:①測定基本風(fēng)速的高度均為10m；②重現(xiàn)期均為50a；③ASCE選用C類定義基本風(fēng)速，基本上和我國的B類相對(duì)應(yīng)；關(guān)于地面粗糙度的對(duì)比詳見表1；④選取的年最大風(fēng)速的概率分布類型一致，均為極值I型分布曲線。不同之處為風(fēng)速的平均時(shí)距。

平均時(shí)距是規(guī)范觀測和統(tǒng)計(jì)風(fēng)速資料時(shí)所規(guī)定的時(shí)間間隔，我國荷載規(guī)范的平均時(shí)距采用10min，ASCE7-05的平均時(shí)距值卻為3s, 對(duì)于同樣50a重現(xiàn)期，從大量的記錄和統(tǒng)計(jì)資料中，關(guān)于不同時(shí)距下平均風(fēng)速的換算關(guān)系見表2。

表1 GB 50009《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》與ASCE7地面粗糙度對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2 不同時(shí)距下基本風(fēng)速的比值

假定我國規(guī)范規(guī)定的10min平均風(fēng)速為VChina，ASCE7-05規(guī)定的3s陣風(fēng)風(fēng)速為VUSA，VChina/VUSA=1.067/1.517=0.7,VChina=0.7VUSA，根據(jù)GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.1.2條條文說明，我國的基本風(fēng)壓ω0=VChina2/1600(kN/m2)=(0.7VUSA)2/1600,此處應(yīng)注意基于ASCE規(guī)定的基本風(fēng)速的單位一般是英里每小時(shí)。對(duì)于ASCE7-10提供的重現(xiàn)期為300a、700a和1700a的風(fēng)速值，需先根據(jù)ASCE7-10公式(C26.5-2)將基本風(fēng)速轉(zhuǎn)化為重新期為50a的基本風(fēng)速值。見公式：

VT/V50= [0.36 + 0.1ln(12T)]

式中：VT為重現(xiàn)期。

2 地震作用參數(shù)的轉(zhuǎn)換

2.1 中美兩國規(guī)范的抗震設(shè)防目標(biāo)

我國GB50011-2010(2016版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和美國IBC-2009的抗震設(shè)防水準(zhǔn)和目標(biāo)對(duì)比見表3。

2.2 場地類別的對(duì)應(yīng)關(guān)系

我國建筑抗震規(guī)范的場地土的類型詳見GB50011-2010(2016版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.1.6，美國標(biāo)準(zhǔn)的的場地土分類詳見ASCE7-05Table20.3-1，具體可查閱相關(guān)規(guī)范，在此不再列出。

表3 中美兩國規(guī)范的抗震設(shè)防水準(zhǔn)和目標(biāo)對(duì)比

我國建筑的場地分類，是根據(jù)等效剪切波速和場地覆蓋層厚度決定的。從平均剪切波速的計(jì)算方法上講，中美兩國規(guī)范的要求是一致的，區(qū)別在于平均剪切波速的計(jì)算深度，美國IBC-2009是嚴(yán)格地以地表以下30m的深度計(jì)算，我國規(guī)范規(guī)定的計(jì)算深度為覆蓋層厚度和20m兩者的較小值，因此可根據(jù)地勘報(bào)告提供的各個(gè)土層的剪切波速按照我國規(guī)范要求對(duì)場地進(jìn)行判別和分類。在沒有得到詳細(xì)地地勘資料前，可根據(jù)文獻(xiàn)[12]按表中對(duì)場地進(jìn)行初步判別分類。見表4。

表4 美國規(guī)范場地類別向中國規(guī)范的轉(zhuǎn)換

V30為地表以下30m深度范圍巖土層的等效剪切波速。

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的轉(zhuǎn)換

在按照GB50011-2010(2016版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》確定了場地類別后，仍需要按我國標(biāo)準(zhǔn)確定的場地的特征周期和與基本烈度對(duì)應(yīng)的地震地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度，具體的流程如下：

(1)ASCE7-05的反應(yīng)譜加速度為結(jié)構(gòu)響應(yīng)的加速度，因此需要除以美國結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的放大系數(shù),轉(zhuǎn)換為地面運(yùn)動(dòng)的峰值加速度。

(2)我國的基本地震動(dòng)加速度值是基于Ⅱ類場地條件確定，美國是基于B類場地確定，因此在轉(zhuǎn)換過程中，需要乘以與我國Ⅱ類場地相對(duì)應(yīng)的美國C類或D類場地參數(shù)。

(3)將ASCE7-05的最大地震考慮(50a超越概率2 %)轉(zhuǎn)換為50a超越概率10 %的譜加速度值。

(4)通過式(2)確定場地的特征周期。

(5)查閱GB18306-2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》附錄F，G，確定地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)和反應(yīng)譜特征周期。

(1)

(2)

式中：SS,S1為按照ASCE7-2010 最大考慮地震下，B類場地，5 %阻尼比，短周期和1S周期對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)譜加速度；Fa、FV為短周期和1S周期的場地參數(shù)。見ASCE7-05TABLE11.4-1,2，應(yīng)為與中國規(guī)范Ⅱ類場地相對(duì)的場地調(diào)整系數(shù)；ACC為中國規(guī)范Ⅱ類場地50a超越概率10 %的地震基本地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度；Tg為中國規(guī)范Ⅱ類場地的反應(yīng)譜特征周期；γUS為重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)。為美國標(biāo)準(zhǔn)50a超越概率2 %的0.2S譜加速度與50a超越概率10 %的0.2S譜加速度的比值。

以某地為例，SS=2.0g,S1=1.0g，γUS=1.7，經(jīng)過式(1)，式(2)算得ACC=0.471，Tg=0.75s，根據(jù)GB18306-2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》附錄F，G，確定地震動(dòng)參數(shù)分區(qū)為9度，第三組。由于按照美國場地類別劃分，C、D類均可與我國Ⅱ類場地相對(duì)應(yīng)，因此式(1)，式(2)的Fa,FV應(yīng)分別按照C類、D類的取值分別代入進(jìn)行計(jì)算，確定轉(zhuǎn)換后的我國規(guī)范的地震分組和地震地面運(yùn)動(dòng)的峰值加速度。

3 結(jié)束語

本文通過具體的表格及公式，對(duì)美國標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載和地震作用的設(shè)計(jì)參數(shù)向中國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換進(jìn)行了討論，本文只就具體的轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行探討，不涉及兩國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果的比較，希望能為更多的海外工程項(xiàng)目提供參考。