中美标准结构设计参数转换

王辉1

1．湖北省电力勘测设计院有限公司 武汉 430040

摘要 大部分海外工程的招标文件中，给出的设计参数大多是基于美标。中美两国规范体系不同，两者在结构设计理念上也迥然不同。目前大部分研究都是在对比中美规范的差异，对如何在特定的区域，将美标参数转换为适用于国标结构设计需要的数值，研究的很少。本文将从中美标准设计参数转换方面，探讨并尝试解决这个问题，供广大结构设计人员参考。

关键词 结构设计参数转换；混凝土强度；钢筋强度；风荷载；地震加速度；

China-U.S. Standard Structural Design Parameter Conversion

Wang Hui¹

（1. Powerchina Hubei Electric Engineering Corporation Limited. Wuhan 430040）

Abstract: Most of the design parameters given in the bidding documents for overseas projects are based on American standards. China and United States Standard have different normative systems, and their structural design concepts are also very different. At present, most of the researches are comparing the differences between Chinese and American standards. There are very few studies on how to convert the American standard parameters into values suitable for Chinese standard structural design in a specific area. This article will discuss and try to solve this problem from the aspect of China-U.S. standard design parameter conversion, for the reference of the majority of structural designers.

Key words: Structural Design Parameter Conversion, Concrete Strength, Rebar Strength, Wind Load, Seismic Acceleration

1. 前言

中美两国规范体系不同，两者在结构设计理念上也迥然不同。目前大部分研究都是在对比中美规范的差异，对如何在特定的区域，将美标参数转换为适用于国标结构设计需要的数值，研究的很少。

2. 中美标准设计输入参数转换

   1. 混凝土强度转换

由于立方体试件的强度比较稳定，我国《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）将立方体强度值作为混凝土强度的基本指标，并把立方体抗压强度作为评定混凝土强度等级的标准。《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T50081-2002)规定用边长150mm×150mm×150mm的立方体为标准试件，在温度(20土3)°C和相对湿度95%以上的潮湿空气中养护28d，按标准制作和试验方法（以每秒0.2~0.3N/mm²的加荷速度）测得的强度称为混凝土的立方体抗压强度，将具有95%保证率的立方体抗压强度作为混凝土的强度等级，也称为标准立方体抗压强度，用f_cu,k表示。

美国标准则采用150mm×300mm的圆柱体试件，《现场混凝土试件制作和养护的操作规则》(ASTM C31)规定在70℉下(21.l℃)左右温度下湿养护28d，然后按《混凝土圆柱体试件抗压强度试验方法》(ASTM C39/C39M-05)在实验室以规定的加载速度进行试验，测得的抗压强度称为圆柱体强度 。圆柱体强度是设计采用的主要力学性能指标。

美国规范ACI 318-08将设计中采用的混凝土强度称为规定强度，用 表示，概念上与我国强度标准值或强度特征值相近。混凝土圆柱体抗压强度 (150mm×300mm)与立方体抗压强度f_cu,k(150mm×150mm×150mm)的关系为：

近似取 ，混凝土强度保证率95%时的保证率系数为1.645，91%时的保证率系数为1.28，这样将91%保证率的 换算为95%保证率的f_cu,k的公式为：

近似取 ，则可大致确定美国规范规定的混凝土强度与我国立方体强度的对应关系，如表1所示。

表1 美国混凝土强度与我国混凝土强度的大致对应关系

1. 2. 钢筋强度转换

我国《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）取具有95%以上保证率的屈服强度作为钢筋的强度标准值，钢筋强度标准值是规定等级钢筋强度的代表值。在承载能力极限状态计算中，采用钢筋强度设计值f_y（抗拉）和 (抗压）。钢筋强度设计值是根据钢筋材料分项系数，利用钢筋强度标准值确定的，即 ，γ_s为钢筋材料分项系数；钢筋材料分项系数γ_s考虑了实际中钢筋强度偏离强度标准值的可能性，γ_s=1.1。

美国规范ACI 318-08将钢筋强度取为规定强度f_yr。不考虑钢筋实际强度离散性，强度保证率97.5%。

近似取 ，则可大致确定美国规范规定的钢筋强度与我国钢筋设计值的对应关系，如表2所示。

表2 美国钢筋强度与我国钢筋强度的大致对应关系

1. 3. 基本风速转换

我国现行规范《建筑结构荷载规范》（GB 5009-2001）中基本风速定义为：离地10m高，自记10min平均年最大风速(m/s)，经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速v₀。ASCE 7-10中基本风速定义为：离地10m高，地面粗糙度为C，3s阵风风速，无飓风倾向地区重现期50年。由此可见，中国的风速时距取值为10min，即3600s，美国的风速时距取值为3s。根据ASCE7-10条文说明C26.5条规定任意不同重现期的基本风速 与50年重现期的基本风速 之间的转算公式 。

ASCE7-10条文说明C26.5.1给出了相同重现期的前提下，“t秒钟平均最大风速与一小时平均最大风速之比曲线图”(Maximum Speed Averaged over t s to Hourly Mean Speed)。通常，可以通过查询曲线数值与换算可得。

， ，则

式中： ：美国标准时距3s的平均最大风速；

：中国标准时距（600s）平均最大风速；

：1小时平均最大风速，也即条文说明中给出图形中的时间对比标准。

某海外重油电厂为例，厂址位于海边，当地风速为220km/h（61.1m/s），时距为3s，重现期50年，地面粗糙度D类。因此，转化为中国规范风速为：V₆₀₀=61.1/1.43=42.7m/s，风压为：ω₀=42.7²/1600=1.14kN/m²，地面粗糙度A类。

1. 4. 地震参数转换

1. 中美规范抗震设计理念

中国抗震规范以“三个水准”作为抗震设防目标，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。小震、中震、大震分别对应50年设计基准期内超越概率63.2%、10%、3%~2%（7度为3%，9度为2%），对应的重现期分别大致为50年、475年、1642~2475年（7度为1642年，9度为2475年）。我们可以将中国规范的“中震”理解成设计地震，其对应的烈度或地面运动峰值加速度由相应的地震烈度区划图或地震动参数区划图给出。以中震烈度 为基准，一般约定小震为 度，大震为 度。通过第一阶段设计，将保证第一水准下的“小震不坏”要求。通过第二阶段设计，使结构满足第三水准下的“大震不倒”要求。在设计中，通过良好的抗震构造措施使第二水准的要求得以实现，从而满足“中震可修”的要求。

2000年以前美国相关的抗震设计规范中，一直以50年超越概率10%的地震作为设计地震，并认为在1.5倍设计地震作用下结构倒塌的可能性很小，大于1.5倍设计地震时，结构倒塌的几率会大幅增加，因此提出了一个大小为1.5倍设计地震的极限地震概念。在2000年以后的IBC系列中，美标中将设计基准期50内超越概率为2%的地震作为最大考虑地震(MCE_R)，重现期大致为2500年。

2. 中美不同重现期地震加速度转换方法

以某海外重油电厂为例，依据美标IBC2009）规范，50年超越概率2%（2500年重现期）的地震加速度为0.28g。

设防地震烈度I_ε=I-1.15，ω=12，对于50年超越概率10%系数k取值：

（式2-1）

则罕遇地震烈度为：

（式2-2）

其中：由50年超越概率为2%的地震加速度为0.28g，代入下式：

合并联解两个方程有：

简化后：

解方程：I=7.611

因此，50年超越概率为10%的地震加速度： ，换算成国标：地震加速度为7度0.15g（50年超越概率为10%)。

3. 结语

越来越多的中国工程承包商进入国际工程承包市场，海外业主也在逐渐认可接受中国规范设计，但是业主提供的工程设计参数包括风荷载，地震加速度等，大多却是基于美国规范的。因此，深入了解并掌握美国规范及其与中国规范的异同，正确将中美标准设计输入参数成功转换，成为结构设计安全和工期的迫切需要。

参考文献

[1] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社

[2] ASCE 7-10，Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures[S]．

[3] 张相庭. 结构风工程：理论规范实践[M].北京：中国建筑工业出版社

[4] 贡金鑫，魏巍巍，胡家顺.中美欧混凝土结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社

[5] GB 50068—2001 建筑结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社

[6] 张相庭．工程结构风荷载理论和抗风计算手册[M]．上海：同济大学出版社，1990．

1作者简介：王辉（1987-），男，湖北黄冈人，高级工程师，硕士研究生，主要从事电厂结构设计与研究。

通信地址：湖北省武汉市东西湖区新桥四路1号湖北省电力勘测设计院；13971024095；277499730@qq.com