中美建筑活荷载、抗震设计对比及对海外总承包项目的影响

艾纯志

(沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

2013年中国提出共建“一带一路”倡议,中国有色金属企业、工程公司、设计院加速走出国门,在海外兴建或承揽EPC总承包项目。这些工程项目所在地主要集中在南美洲、中东、东南亚等地,上述地区国家土建标准均是在美国标准的基础上对美国标准原文进行摘抄、增删、修订,或者直接引用,均属于美标体系。这些国家当地施工企业只能按美标要求施工,业主聘请的PMC团队也只能按照美标体系标准进行设计审查、施工过程监督和工程验收。因此,很多工程项目的建设方出于上述考虑,会在合同中要求总承包商按照美标体系的土建标准进行设计和施工。

中国的工程公司虽然拥有丰富的国内工程经验,但由于美标和国标存在差异,仅仅依据国内类似工程积累的材料量、工期等经验进行报价和决策,往往存在巨大风险,早期曾出现很多由于中美标准差异导致项目前期报价不准、实施过程中土建材料量产生偏差的情况。沈阳铝镁设计研究院有限公司(简称沈阳院)近些年随着自身铝工艺技术的持续提升,接连在委内瑞拉、沙特、印度尼西亚等国家承揽了电解铝、氧化铝、碳素等大型工程设计和总承包业务,而这些工程的土建设计均采用美国标准。在土建美标设计、审查、施工服务过程中,沈阳院积累了一些经验。本文将对比中美规范中对土建投资影响较大的活荷载和抗震设计的差异,进而为国内工程公司评估海外总承包项目土建成本起到抛砖引玉的作用。

1 美国荷载规范简介

美国荷载规范(ASCE 7-16)[1]规定了建筑结构的最小设计荷载的确定准则,主要包括:①各类建筑结构的风险等级及对应的各类荷载工况下的结构重要性系数;②各类重力荷载工况的最小取值及其折减系数,如恒载、活载、雨雪荷载、覆冰荷载;③地震荷载效应的确定方法,主要包括地震动参数、场地类别、反应谱曲线、地震荷载方向、结构抗震设计等级(SDC)等的确定,结构抗震体系、规则性、分析设计方法、建模准则的选取和判定,结构地震侧移限值的规定等;以及④结构及构件风荷载设计值的确定方法。

与美国荷载规范(ASCE 7-16)[1]内容范围对应的中国规范主要包括:《建筑结构荷载规范》(GB 50009)[2]、《建筑抗震设计规范》(GB 50011)[3]、《中国地震动参数区划图》(GB 18306)[4]。

对于一般工业及民用建筑,活荷载(包括楼面活荷载和屋面活荷载)和抗震设计对建筑结构的安全性和经济性影响最大,本文将主要对比中美规范在这两方面的差异和影响。

2 中美活荷载工况对比

中美荷载规范对于活荷载工况的规定,主要有三方面差异:①活荷载取值;②活荷载折减系数;以及③活荷载工况在荷载组合中的荷载分项系数。

2.1 活荷载取值

表1和表2列出了中国《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)[2]和美国荷载规范(ASCE 7-16)[1]规定的常见建筑占用类别的楼面均布活荷载(L)和屋面均布活荷载(Lr)的最小标准值。

表1 中美荷载规范楼面均布活荷载(L)最小取值(标准值,kN/m2)

表2 中美荷载规范屋面均布活荷载(Lr)最小取值(标准值,kN/m2)

由对比可见,美国荷载规范规定的建筑结构的楼面活荷载和屋面活荷载最小取值普遍高于中国荷载规范。

2.2 活荷载折减系数

中美荷载规范对于活荷载折减系数的规定有明显不同:

(1)中国《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)[2]第5.1.2条规定:① 设计楼面梁时,对于住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园,当梁的从属面积超25 m2,可采用折减系数0.9;对于除汽车通道及客车停车库以外的其它建筑场所,当梁的从属面积超50 m2,可采用折减系数0.9。② 设计墙、柱和基础时,对于住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园,按照表3规定采用;对于除汽车通道及客车停车库以外的其它建筑场所,应采用与其楼面梁相同的折减系数。《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)[2]没有对屋面活荷载折减系数作出明确规定,但要求对不同类型的结构应按有关设计规范的规定采用,且不得低于0.3 kPa。

表3 《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)对活荷载按照楼层的折减系数

(2)美国荷载规范(ASCE 7-16)[1]第4.7、4.8节分别对规范规定的最小楼面均布活荷载(L)和最小屋面均布活荷载(Lr)的折减做了详细的规定,主要包括:① 当规范规定的最小楼面均布活荷载取值超过4.79 kPa时,以及对于客车车库,楼面活荷载不允许折减,除非构件支承2层及以上楼板时,楼面活荷载的折减系数可取≥0.8,且不应小于按照第③ 条计算得到的折减系数;② 对于集会场所,楼面均布活荷载不允许折减;③ 对于不属于① 、②情况的构件,当其KLLAT值大于或等于37.16 m2时,可根据构件的类型和从属面积对规范规定的最小楼面均布活荷载进行折减,折减系数RL按式(1)进行计算:

(1)

式中:RL——楼面活荷载折减系数;

KLL——构件类型系数(见表4);

表4 构件类型系数,KLL

AT——构件的活载从属面积,m2。

对于规范规定的一般不上人屋面的最小屋面活荷载,可以根据构件的活载从属面积和屋面坡度进行折减,折减后的屋面活荷载(Lr)应满足:0.58 kPa≤Lr≤0.96 kPa。折减系数按照式(2)进行计算:

RLr=R1R2 (2)

式中:RLr——屋面活荷载折减系数;

AT——构件的活载从属面积,m2;

F——屋面坡度参数,对于坡屋面,F等于屋面坡度百分比的0.12倍;对于拱形或穹顶屋面,F等于屋面矢跨比的32倍。

2.3 活荷载分项系数

按照我国现行的《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068-2018)[5],当对结构构件进行强度设计时,活荷载与永久荷载的基本组合中,活荷载的分项系数γQ取1.5。

按照美国荷载规范(ASCE 7-16)[1],当对结构构件进行强度设计时,活荷载与永久荷载的基本组合中,楼面活荷载(L)和屋面活荷载(Lr)的分项系数应取不同数值,需要分别考虑两种组合:1.2D+1.6L+0.5Lr和1.2D+1.6Lr+1.0L。

由以上比较可以发现,美国规范的活荷载分项系数比中国标准大6%～7%。

2.4 活荷载差异对工程量的影响

对于楼面均布活荷载,虽然美国荷载规范(ASCE 7-16)[1]规定最小标准值较大,但是对于受荷面积较大的主梁、柱、基础等构件,其活荷载折减也较多,例如,内柱和无悬挑板的外柱的实际受荷面积AT大于等于9.3 m2时,其楼面均布活荷载折减系数RL≤0.62,角柱和无悬挑板边梁的实际受荷面积AT大于等于18.6 m2时,其楼面均布活荷载折减系数RL≤0.78。但是,对于有悬挑板的边梁、次梁、楼板,只有当其实际受荷面积AT大于等于37.16 m2时,才能对楼面均布活荷载进行折减,常规的建筑结构很难满足这个要求,由此可以预见,采用美国标准会造成结构的边梁、次梁、楼板构件的截面尺寸及配筋明显增加。

对于屋面均布活荷载,按照美国荷载规范(ASCE 7-16)[1]的要求,只有当构件的实际受荷面积AT大于等于18.58 m2时,才能对楼面均布活荷载进行折减,对于次梁、边梁、楼板、檩条等受面积较小的构件,当不满足此条件时,其屋面均布活荷载的最小值为0.96 kPa,远大于中国规范规定的取值,尤其是对于单层门式刚架轻钢结构的屋面檩条,美国标准规定的屋面均布活荷载是中国国家标准的2倍～3倍,会造成檩条用钢量的大幅增加。

下面通过一个设计示例进行对比。如图1所示,模型为一栋三层混凝土框架结构,层高为4.8 m;框架两个方向均为3跨,每跨6 m;底部两层为办公室,顶层为会议室,屋面为一般上人屋面;为了体现中美活荷载差异对该模型混凝土结构钢筋用量的影响,除结构自重外,仅对模型分别按照美国和中国规范规定的最小取值施加活荷载,并考虑对应的折减系数,不考虑其它荷载。活载取值见表5,构件的截面尺寸、活载折减系数见表6,构件的类型见图2。

表5 示例模型各层楼板活荷载

图1 三层框架结构整体模型

图2 框架各层平面结构布置

表6 示例模型构件截面尺寸及活荷载折减系数

通过采用STAAD.Pro软件进行内力分析,并采用STAAD的RCDC混凝土设计模块按照美国混凝土规范进行配筋设计,可以分别得到该模型基于中国和美国活荷载的配筋结果,如表7所示,采用美国规范活荷载,构件的含钢量约增加30～50 kg/m3,每平米建筑面积的钢筋用量约增加4.9 kg。

表7 示例模型钢筋工程量对比

3 中美抗震设计对比

3.1 抗震设计参数和地震力

中美抗震设计参数的差异主要体现在两个方面:

(1)在确定和区划反应谱加速度基本参数时,① 美国荷载规范(ASCE 7-16)[1]基于50年超越概率为2%的“最大考虑地震”(MCER)绘制地震动谱加速度参数Ss和S1的区划图,Ss和S1分别乘以场地土类别系数Fa和Fv,得到“大震”下考虑场地土效应调整后的谱加速度参数SMS=FaSs和SM1=FvS1,再以SDS=SMS/1.5和SD1=SMS/1.5作为设计地震动谱加速度参数;② 中国《中国地震动参数区划图》 (GB 18306-2015)[4]基于50年超越概率为10%的“中震”进行地震动参数区划,并以此确定《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)[3]中的烈度。

(2)在计算结构的地震力或与地震力相关参数的数值时,对于一般结构,① 美国荷载规范(ASCE 7-16)[1]要求考虑结构的延性,引入并规定了各种形式结构的响应修正系数R(1≤R≤8),结构地震力的计算公式中,设计地震动谱加速度需要除以对应的响应修正系数R;结构节点计算和构造措施必须满足相应的延性要求;② 《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)[3]的地震力计算公式中没有与结构延性相关的参数,统一采用“小震”(多遇地震,50年超越概率63%)的谱加速度参数计算地震力,同时对不同抗震等级的各类型结构,通过规定采用相应的抗震构造措施,保证结构具有适度的延性。

当有采用中国抗震设计规范评估美标项目的结构抗震设计的需求时,可以参考相关文献[6]给出的中美抗震设计规范地震动参数换算关系,将美标体系的地震动参数转换为中国规范对应的烈度、场地特征周期参数,并运用国内的PKPM等内嵌了中国设计规范和标准的软件进行快速的设计评估。本文认为,中美抗震参数的转化只适用于项目最前期的评估阶段,其转化结果很难得到国外PMC设计审查的认可,如果国内的设计院确定被要求采用美国标准体系进行结构设计,并需要接受国外PMC的设计审查时,这种参数转化是没有必要的,应该直接采用PMC认可的结构分析设计软件,并依据美国标准进行结构分析和设计,确保从可研到详细设计的全过程采用统一的设计标准和参数,避免因中美规范之间差异造成的成本偏差。

3.2 抗震设计差异的影响

通过上面的对比可以发现,中美在抗震设计方面存在理念上的明显差异,对于一般结构,中国采用“小震”(50年超越概率63%)反应谱加速度参数,计算得到“小震”下的地震力;美国的地震动谱加速度参数Ss和S1是基于“大震”(50年超越概率2%)确定的,设计反应谱加速度参数将“大震”参数SMS和SM1除以了1.5,近似折减为“中震”(50年超越概率10%)反应谱加速度参数SDS和SD1[6]。尽管如此,由于美国在计算地震力时除以了与结构延性相关的响应修正系数R,当设计选用延性较高的结构形式时,R值最大可以取8,近似相当于将“中震”地震力折减了7/8,当设计选用延性较低的结构形式时,R值最小可以取1,近似相当于按“中震”地震力设计,由此可见,采用不同延性设计时,按照美国规范计算的地震力有可能比中国规范大,也有可能比中国规范小。

值得注意的是,高延性结构设计会使结构的抗侧力体系构件截面显著减小,降低材料用量,但同时需要更复杂的结构分析和特殊抗震节点设计,这将导致设计周期大幅延长。低延性结构设计会导致结构抗侧力体系构件截面较大,材料用量较多,但是结构分析和节点设计大大简化,设计周期较短。因此,中美抗震设计差异的影响不仅体现在工程量上,还体现在结构分析和设计的复杂性上,这需要总承包方与设计院共同讨论协商,在工程材料成本与工程进度成本之间寻求一种平衡。

4 结 语

本文对比了中美规范对活荷载和抗震设计规定的差异,并讨论了其对国内工程公司承揽海外总承包项目可能造成的影响。

(1)美国荷载规范规定的楼面活荷载和屋面活荷载的最小取值普遍高于中国荷载规范,活荷载分项系数比中国荷载规范高6%～7%,虽然美国对活荷载的折减规定更加明确和详细,通过示例对比,总体上美国规范的活荷载设计值大于中国规范,会造成工程量的增加。

(2)中美抗震设计存在理念差异,中国规范的地震力计算采用“小震”设计反应谱加速度参数,且计算公式中没有与结构延性相关的参数;美国采用“大震”地震动谱加速度参数Ss和S1和近似“中震”的设计反应谱加速度参数SDS和SD1,并在计算地震力时考虑与结构延性相关的响应修正系数R,使高延性结构的地震力较小,低延性结构的地震力较大,因此当结构延性未定时,无法比较中美规范地震力的大小和准确评估对总承包项目造成的影响。建议总承包方与设计院共同讨论协商,在工程材料成本与工程进度成本之间寻求一种平衡。