中美建筑标准规范体系对比

关于中美建筑规范体系

全球工程建设规范体系五花八门，美国、欧洲、英国、俄罗斯、日本以及中国都有各自的国标。然而，在这众多标准之中，欧美规范体系显然更为成熟和完善，广受认可。其他国家或多或少也有本国的工程建设法律法规，但相对来说不成体系。

01

关于美国规范

美国规范是由民间团体制定的，与其他同类规范处于竞争关系。不同于国内规范一旦发布就必须执行的情况，ICC（国际规范委员会）的系列规范涵盖了技术要求和行政管理，这些规范逐渐被各州广泛接受。由于美国是联邦制国家，ICC的规范还需要各州表决通过，才能上升为法律并具有强制性。I-CODE系列规范以“国际”命名，反映了ICC的愿望，虽然并非国际强制要求，但已被国际社会广泛接受。

美标规划构建了一套规范链体系，从设计规范一路延伸到材料性能、检验标准及验收标准。所以，只要选择美标规范，自然就意味着采用美标设备与材料。如今，国标“走出去”是大势所趋，但首先得解决中国与世界“通用”标准接轨这一关键问题。

02

中美规范差异

以中美防火规范体系为例，两者之间的差异主要体现在以下三个方面。首先，规范编制结构不同。中国的国标规范将设计、施工和管理分为独立的三个部分，而美国的标准则与之相反。其次，规范内容有所不同。中国的国标规范按照设计、施工人员的思路编写，内容较为集中，而美国的标准则按照全部、局部和特殊场合进行编写，具有较强的专业性和对不同行业的针对性。最后，配套文件也有所不同。中国的国标规范仅有条文解释，而规范操作手册、图示等相对较少。相比之下，美国的标准则提供了更多的操作手册、图示和指南等文件，方便读者理解。

两者而言，国标的性能要求并不比美标差。但国标目前处于由应用型的“处方式”规范向“性能化”设计转变的阶段，还存在对复杂、新型建筑适用性较差，限制建筑设计，同时也需根据新情况调整规范，造成规范编制难度增大的问题。

美标建筑规范体系简介

国外工程往往采用欧标、美标进行设计。由于国外规范体系庞杂、涉及面广，且对于外语水平有一定要求，所以对国内工程师学习和使用带来了一定困难。

本文将对美国建筑规范体系进行简介，我们后续将推出美标钢结构设计、美标混凝土结构设计的教程。

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荷载规范

美国荷载规范由美国土木工程师学会负责编写。(American Society of Civil Engineers，ASCE)，荷载规范编号为ASCE-7。

荷载规范ASCE-7要求生成以下荷载组合：

结构构件的设计强度应大于上述所有组合的最大值。与我国规范一样，各类荷载作用的分项系数和组合系数的取值基于概率论可靠指标。

可以看到，美标的恒荷载、活荷载的分项系数要比我国大一些。

2

混凝土设计规范

美国混凝土设计规范由美国混凝土协会(American Concrete Institute，ACI)负责，用于建筑工程领域的是ACI 318。

在对混凝土结构进行设计时，荷载组合、分项系数应根据ACI 318确定。

在材料方面，美国混凝土强度按圆柱体试件(6英寸x12英寸)确定，而我国规范按立方体试件确定。美标混凝土标号通常有以下几种：

f'c=3000psi

f'c=4000psi

f'c=5000psi

f'c=6000psi

f'c是圆柱体的抗压强度。psi是英制单位，磅/平方英寸，与公制单位换算如下：

1psi≈0.006895MPa

这一点与我国混凝土规范不同，我国通过立方体试件的抗压强度标准值fcu,k给出了不同等级的混凝土。

美标需要在不同受力状态下，对抗压强度进行不同程度的折减。可以认为美标要求在不同受力状态下，材料的强度设计值不同，这一点也和我国不同。

对C60以下的混凝土，圆柱体的抗压强度f'c与立方体抗压强度标准值fcu,k之间可按下式换算：

当强度等级超过C60以后，f'c和fcu,k之间的比值会提高。对于C60的混凝土，比值为0.833；对于C70的混凝土，比值为0.857；对于C80的混凝土，比值为0.875。

混凝土的受压应变-曲线是一曲线，我国取曲线原点切线模量作为混凝土的弹性模量；美标取0.45倍抗压强度对应割线模量作为混凝土的弹性模量。

在进行构件的设计时，应满足

设计承载力≥所需承载力

其中，ɸ为名义承载力折减系数，Sn为名义承载力，Ur为所需承载力。名义承载力折减系数可以按照ACI 318的9.3节取值。

需要注意的是，ACI 318中并没有地震调整系数。对于有地震作用效应参与的荷载组合，ACI 318不需要再对承载力进行进一步调整。

在进行截面配筋计算时，美标对于混凝土最小保护层的厚度要求要比国标大很多，相同条件的截面尺寸使用国标和使用美标计算得到的配筋会相差很多。

美标混凝土截面的具体计算假定与我国类似，基于平截面假定，承载能力极限状态计算时不考虑混凝土抗拉强度，截面上不均匀应力简化为矩形分布等。

3

钢结构设计规范

美国钢结构设计规范由美国钢结构学会编制。

American Institute of Steel Construction，AISC

用于建筑工程领域的是AISC 360。

AISC 360除了分项系数设计法(荷载抗力系数法，LRFD)以外，还提供了容许应力法(ASD)。

在钢构件稳定性设计方面，美标也提供了以下方法：直接分析法、二阶分析法和长度系数法。但和国标区别较大。

在使用美标的直接分析法时，需要对结构整体设置初始缺陷、将构件的计算长度系数设置为1.0、静力分析时考虑几何非线性；除此以外，还需要对结构和构件的刚度进行折减。

需要注意的是，该方法并不是国标的直接分析法。国标的直接分析法还需要设置构件的局部初始缺陷，完全摆脱了长度系数的限制。美标的直接分析法更接近国标的二阶P-Δ法。

在进行美标轴心受压构件计算时，应取弯曲屈曲、弯扭屈曲和扭转屈曲承载力三者中的最小值作为其轴心受压承载力。弯曲屈曲承载力与国标计算方法类似，通过长细比λ确定稳定系数φ；弯扭屈曲和扭转屈曲需按照稳定理论计算。

在进行抗弯构件计算时，美标将截面分为三类：紧凑型、非紧凑型、细长型。这三类截面与国标中的截面等级类似。

紧凑型截面可以允许全截面塑性，不会发生局部屈曲，将塑性承载力作为截面抗弯承载力；非紧凑型截面允许部分进入塑性；取折减后的塑性承载力作为截面抗弯承载力；细长型截面取弹性承载力作为截面抗弯承载力。

在进行构件抗剪承载力计算时，美标采用了简化公式进行计算；国标采用材料力学的解析公式进行计算。

在进行构件抗扭验算时，国标并未给出计算方法，一般通过构造措施限制构件受扭；美标给出了单纯受扭、拉压弯剪扭的复合计算公式。同时指出，对于受扭的开口截面杆件，其稳定性应通过有限元计算来保证。

简单对比中美建筑规范体系

2013年习总书记提出共建“一带一路”倡议，旨在推动沿线国家和地区的互联互通、经济合作和文化交流。经过十年的发展，“一带一路”倡议已经取得了一系列重要的成果。如中国与沿线国家的贸易额不断增长，基础设施建设项目不断推进，一些国家已经开始使用中国的高铁技术和清洁能源技术等等。

在以上大背景下，了解并学习国外规范成为了项目出海所必须的条件之一。其重要性主要有以下五点：其一，帮助总承包单位适应不同国家和地区的项目需求，满足国际市场的要求；其二，赢得更多的竞争机会，同时，合规性和高质量的工程实践将提升总承包单位的声誉和信誉；其三，了解和学习国外规范，可以提高工程质量，降低事故风险，确保项目的可持续发展；其四，有助于遵守当地法律法规，确保项目合法合规，避免法律风险和纠纷；其五，减少项目风险，降低不必要的成本支出，提高项目的经济效益。

世界主要工程建设规范体系有美标、欧标、英标、俄罗斯标、日标、中国国标等，其中以欧美规范体系相对较完善，接受度较高，其他国家不同程度拥有本国工程建设法律法规，但不成体系。

其中美国规范为民间团体编制，同类规范为竞争关系，由于ICC（国际规范委员会）的系列规范包含技术要求与行政管理，逐渐被各州广泛接受。美国为联邦制国家，不同于国内规范发布即必须执行，ICC规范还需各州表决通过，上升为法律才具有强制性。I-CODE系列规范冠名“国际”，反映了ICC的愿望，并非国际强制要求，但被国际广泛接受而已。

美标规划为规范链体系，由设计规范延伸材料性能、检验标准及验收标准，选择美标规范即意味着美标设备、材料的选用。国标“走出去”势在必行，但首先需解决中国与世界“通用”标准接轨的问题。

以中美防火规范体系为例，两者之间主要有以下三项差异。其一、规范编制结构：国标规范设计、施工、管理分立；美标规范反之。其二、规范内容：国标按设计、施工人员思路编写，内容集中；美标规范按全部、局部、特殊场合编写，专业性高，细分行业针对性强。其三、配套文件：国标仅条文解释，规范操作手册、图示等少；美标操作手册、图示、指南等文件多，便于理解。

两者而言，国标的性能要求并不比美标差。但国标目前处于由应用型的“处方式”规范向“性能化”设计转变的阶段，还存在对复杂、新型建筑适用性较差，限制建筑设计，同时也需根据新情况调整规范，造成规范编制难度增大的问题。

了解国标与美标设计思路上的差异点并思考，能对开阔设计视野并提供多种思路，对日常设计有所启发和帮助。

国外工程标准之美标

前言

现在很多的一些投标项目是国外的项目，而且如果需要拓展以及落地海外市场，就必须要对国外规范有足够的了解，其中在国外项目中美标、欧标等用的比较多，这里对美标大框架的东西做一点初步的整理，方便做方案以及计算时候能够有所甄别，同时也是与国标的一些设计做简单的对比(内容为个人做的收集与整理，具体在实际项目使用的过程中限于自身水平限制，需要读者做进一步的证实)。

美标的一系列规范

荷载

ASCE 7-16 Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures ASCE 7-16 建筑物和其他结构的最小设计荷载和相关标准 最小荷载规范，由 ASCE 和 SEI 联合出版，规定了结构设计所使用的最小荷载、风险类别、设计标准和性能目标等。IBC 2018 International Building Code 由 ICC 出版，规定了建筑设计的最低标准。内容包含使用功能、建筑、防火、结构、暖通、电气、施工、场地平整等众多方面，是一本大集合，条文相对简练，经常会索引至其他专业标准上。PIP STC01015-2017 Structural Design Criteria 由 PIP 出版的专门针对工业建筑的荷载规范。

钢结构常规设计

AISC 360-16 Specification for Structural Steel Buildings 美国钢结构设计规范，不含抗震部分，包含稳定分析方法和各类构件设计等。(最新的AISC 360-22也已经出来)AISC 325-2017 Steel Construction Manual 15th Edition AISC 325-2017 钢结构手册第 15 版，官方出版的配套 AISC 360-16 使用的钢结构设计手册。AISC Design Guide 由 AISC 出版的三十多本设计指导书籍，提供了钢结构设计中不同话题的详细设计指导和例题。

钢结构抗震设计

AISC 341-16 Seismic Provisions for Structural Steel BuildingsAISC 358-18 Prequalified Connections for Special and Intermediate Moment Frames for Seismic Applications AISC 358-18 用于地震应用的特殊和中间受弯框架的预认证连接以上两本分别是钢结构抗震设计的构件设计和节点设计部分。AISC 327-18 Seismic Design Manual 美国建筑钢结构抗震手册，包括抗震设计原则和应用举例，以及节点的抗震设计要求和手册。

钢结构详图绘制

Detailing for Steel Construction, 3rd edition

钢结构涂装

SSPS Painting Manual 美国钢结构涂装的行业标准，标准中有相应于不同使用环境的涂装原则讲解。

缩写

ASCE: American Society of Civil Engineers SEI: STRUCTURAL ENGINEERING INSTITUTE ICC: INTERNATIONAL CODE COUNCIL AISC: American Institute of Steel Construction SSPS: Steel Structures Painting Council SSPS：钢结构涂装委员会 PIP: Process Industry Practices Structural PIP：流程工业实践结构

中美钢结构规范的对比理解

美标学习的过程中与国标结合起来，在对比中学习。一方面可以加快学习的进度，另一方面可以更深刻理解2种规范的体系及内涵。美国规范以建议性的条款为主，强调结构的性能设计，给予设计师较大的设计灵活度，中国规范则以限制性条款为主，相关参数限制比较严格。

1 钢结构的稳定分析

稳定理论是钢结构设计中的核心理论，美标和国标在钢结构的稳定分析上都是基于稳定理论的，但是两者在表现形式上又有所不同。

二阶效应是稳定性的根源。P-Δ效应是结构整体效应；P-δ效应是构件挠曲效应，一般会增加杆件中部弯矩，杆件端部弯矩增加较少。二阶效应的考虑国标提供3种计算方法：一阶弹性分析、二阶P-Δ弹性分析及直接分析法。

当二阶效应系数不大于0.1时，可采用一阶弹性分析。一阶弹性分析相当于美标的计算长度系数法，是在设计阶段考虑二阶效应。通过K值（构件杆端约束系数）换算构件计算长度，再查φ-λ表得到φ值，φ是按柱的最大强度理论用数值方法计算出大量的φ-λ曲线归纳确定的，考虑了构件的初始缺陷、残余应力及初弯曲等因素。P-Δ效应通过有侧移框架和无侧移框架表中μ的不同值来反映。美标认为，支撑框架如果柱子的计算长度系数取值小于1，则必须专门计算约束柱端的框架梁的P-δ效应，因此建议柱子的计算长度最小取为1。

当二阶效应系数为（0.1，0.25］时，可采二阶P-Δ弹性分析或直接分析。国标的二阶弹性分析方法是在结构分析阶段考虑P-Δ效应，在设计阶段考虑构件的P-δ。通过采用一个假定的水平力施加于结构上，来反映整体结构的初始缺陷。也可以按照近似的二阶理论对一阶弯矩进行放大来考虑。P-δ效应在构件稳定计算中通过稳定系数来考虑，构件的计算长度系数取为1。

当二阶效应系数大于0.25时，应增大结构的侧移刚度或采用直接分析法。直接分析法是在结构分析阶段考虑二阶效应。国标要求建立带缺陷的整体结构模型并采用带缺陷等的构件单元，进行全过程二阶非线性弹塑性分析法分析，特殊情况下可以采用二阶非线性弹性分析。美标的直接分析法是采用假想水平力（或模型缺陷）及结构和构件刚度折减的方式来反映二阶效应的，这时构件的计算长度系数取为1。直接分析方法比长度系数法对二阶效应的反映更敏感。

美标另外提供了2种分析方法：一阶弹性分析法，二阶弹性分析法。一阶弹性分析法仅通过附加水平力考虑了构件的初始缺陷，没有考虑二阶效应。用于侧移较小，侧向支撑能提供较大侧向支撑力的结构。二阶分析方法实际上就是常说的增大系数法。通过2个增大系数反映二阶效应， B1反映P-δ受压构件效应，B2反映P-Δ整体效应。

2 构件设计

2.1 轴心受压构件

美标抗压承载能力是根据弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲中极限状态的最小值来确定的，其中弯曲屈曲与中国规范类似采用φ-λ曲线确定Fcr，扭转屈曲和弯扭屈曲按稳定理论计算Fcr。美标根据受压构件板件的宽厚比将构件截面分为细长和非细长截面，不同截面采用不同的计算公式。国标是根据最大强度理论进行大量的数值计算后得到一个简化的φ-λ曲线来确定的，通过板件宽厚比等构造要求来防止构件局部失稳，通过换算长细比考虑构件的扭转屈曲和弯曲屈曲。两者的理论基础都是稳定理论，只是表现形式不同。

2.2 受弯构件

国标通过考虑部分塑性发展的强度公式进行强度计算，通过φb进行整体稳定计算（考虑了部分塑性发展）。对于局部稳定，国标主要对腹板的稳定进行了计算要求，翼缘稳定主要是通过构造措施来保证的，采用有效翼缘外伸宽度。美标将受弯构件分为紧凑型截面、非紧凑型截面和细长截面。紧凑型截面可以进入全截面塑性状态且之前不会发生局部屈曲，因此截面的强度计算采用塑性抗弯承载能力。非紧凑型截面仅部分截面进入塑性阶段，因此采用塑性抗弯承载力并做适当的折减。非对称截面（除角钢外）及细长型截面一般不会进入塑性状态，因此采用弹性承载能力。构件的稳定计算根据不同的无支撑长细比、不同截面类型以及是否进入塑性阶段采用了不同的计算公式。

2.3 抗剪承载力

国标采用了材料力学中关于截面剪应力的标准公式。而美标采用了标准公式的简化公式，通过截面的最大剪应力反算出截面的抗剪承载能力。

2.4 拉弯及压弯构件

美标中构件的允许承载能力是包含了强度和稳定计算的，所以在拉压弯构件计算中采用的允许承载力是强度和稳定计算中的较小值，所以就不再进行专门的稳定计算了。 国标在计算拉弯和压弯构件时是将强度和稳定分开计算、比较的。因此在受弯计算，压弯及拉弯计算中都会分别出现强度和稳定的公式。

2.5 抗扭计算

国标原则上是从构造要求出发，不允许钢构件承受较大的扭力（特别是开口构件），当构件承受的扭力小于构件扭转承载能力的20%时，扭力可以忽略。因此国标没有给出具体的抗扭公式。美标给出了闭口截面的纯扭及弯剪扭的计算公式，对于开口截面的构件，美标认为对于稳定计算必须进行详细的有限元分析才行。

2.6 组合截面

国标实际上采用了简单塑性应力分布理论进行组合梁受弯构件的计算，假设混凝土和钢梁均为均匀受力。计算负弯矩时，国标考虑了板内钢筋的作用，计算正弯矩时不考虑受压钢筋的作用。对于钢骨混凝土构件采用应变协调法进行弹性分析得到承载力。对于钢管混凝土构件采用简单塑性应力分布理论进行分析。美标计算组合梁受弯时采用塑性应力分布法计算，计算钢骨混凝土构件受弯时可采用塑性应力分布法或应变协调法以及弹性应力叠加法，钢管混凝土构件受弯采用塑性应力分布法（对细长构件采用线弹性理论）。计算负弯矩时美标仅考虑钢梁的作用。

3 抗震设计

从建筑抗震的理论来看，抗震无非是在2个方面做工作：

1. 通过构件承载能力直接抵抗地震作用；

2. 通过构件屈服耗能，消耗地震能量。

前者体现在结构的抗震承载能力上，后者体现在结构的延性性能上。目前世界各国建筑的抗震都是上诉2个方法的结合，只是各有侧重。当结构的抗震承载能力较高时，其延性要求就可以较低；当结构的抗震承载能力较低时，其延性要求就较高。

IBC地震运动设计值定义为可遇最大地震运动加速度（50年超越概率为2%）的2/3。地震运动设计值相当于大震加速度的2/3。美标通过R的取值和抗震构造措施来调整承载能力和延性要求。美标钢结构抗震根据结构的延性分成了3个类别：特殊抗震结构体系、中等抗震结构体系、普通抗震结构体系。特殊抗震结构体系的延性要求最高，R的取值也最高。普通抗震结构体系的延性要求最低，R的取值也最低。R的取值要求在IBC中有详细的要求。当R取值小于等于3时，结构在抗震计算中采用了较大的地震作用力，因此可以不再考虑额外的抗震构造措施。其实特殊抗震结构体系和普通抗震结构体系就是美标抗震体系的2个端头限值，设计师可以在这个范围内调整R值与延性的关系，以达到最优的经济性。

国标地震运动加速度设计值实际上是小震的地震作用。50年超越概率为63%。相当于大震地震作用的0.16～0.2。在常规设计时，国标小震地震作用相当于美标设计中R值为3时结构所受的地震作用，R为3时美标规定可不考虑抗震构造措施，但国标却要求结构应具有足够的延性性能，有明显差异。国标的小震设计其性能基本和GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》附录M中的性能4相当，在此基础上提高结构的抗震承载力，同时可以等幅降低结构的延性要求。例如门式刚架是一个地震作用不起控制作用的结构，结构的抗震承载力远大于所需要的承载能力，因此GB 51022-2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》规范中对门式刚架主要构件的长细比、宽厚比等延性要求是远低于GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設计规范》对抗震等级为四级的普钢结构的要求的。在设计中可以根据情况，调整地震作用的大小与其他横向荷载的关系，以达到最优经济性。GB 50017-2017《钢结构设计标准》针对钢结构的性能指标和延性特点进一步进行了细化，明确采用“高延性-低承载力”和“低延性-高承载能力”2种抗震设计思路。抗震承载力性能等级从1～7，承载力依次降低，要求的构件延性性能就越高。由于地震作用的不确定性，延性比承载能力更为重要，所以对于高层钢结构和高烈度区的结构，宜采用“高延性-低承载力”的性能目标；对于工业建筑，一般高度较低，竖向荷载较大，宜采用“低延性-高承载能力”的性能目标，降低工程造价。

构件设计方法理解

美国钢结构协会AISC(The American Institute of Steel Construction)，由其颁布了两套规范(两种钢结构设计的方法以及两种荷载组合)

• 对于LRFD设计，适用于SEI/ASCE7，章节2.3

• 对于ASD设计，适用于SEI/ASCE7，章节2.4

ASD(allowable stress design )：ASD是容许应力设计，设计思路可以简单理解为：考虑一个安全系数，使得设计的实际应力需求 < 材料强度/安全系数，通过一个安全系数来确定结构的可靠度。这种虽然通过给出安全系数以此来度量因材料屈服或构件屈曲而失效的抵抗能力，但是相应的安全系数依赖于经验(根据经验的话可能不同的工程师相应的取值的偏差可能会很大)。

LRFD(load and resistance factor design) ：LRFD类似目前我们国内使用的概率极限状态设计法，就是将荷载效应及结构的抗力均看做随机变量，以结构失效概率确定结构的可靠度，实际操作过程中则是通过分项系数乘以标准值的方式，获得荷载效应及结构抗力的设计值，并进行对比(引入了结构可靠度的概念，考虑了荷载和抗力的概率，通过名义承载力考虑材料和建造的不确定性，通过抗力系数考虑可变荷载的不确定性，相比更加的严谨)，也是目前主流的设计方法。

备注：一般来说ASCE选定一种方法后，AISC就必须沿用该方法。

容许应力ASD设计的基本公式：Ra

公式的左端Ra 是根据 ASD 荷载组合而计算得到的内力设计值，Rn 为承载能力标准值 公式的右端可以看作是容许应力(容许强度)，除的是一个大于1的安全系数

荷载抗力系数法 LRFD设计基本公式：Ru<ϕRn

公式的左端Ru是根据 LRFD 荷载组合而计算得到的内力设计值，Rn 为承载能力标准值 公式右端称为设计强度，在标准值的基础上乘了一个抗力系数

ASD的安全系数和LRFD的抗力系数的关系为：Ω=1.5/ϕ

直接分析法

关于钢结构的稳定设计，AISC 360 详细规定了具有普遍适用性的“直接分析法”。根据规范要求，“直接分析法”主要包括四个要素：
1、考虑构件的弯曲、剪切和轴向变形。程序在分析过程中已自动实现。
2、非弹性因素引起的刚度折减，包括残余应力，结构分析要考虑刚度折减的影响。程序已自动实现。
3、考虑初始缺陷。程序通过“修改未变形几何”或定义“名义荷载”实现，下文详细介绍。
4、执行二阶效应分析，同时考虑 P-Δ 效应和 P-δ 效应。程序的实现方式前文已介绍

备注：这里的程序指的是etabs和sap2000，其他的软件暂不了解

刚度折减

一旦在软件中使用直接分析法，程序依据 AISC 360 的规定会自动将所有构件的刚度乘以折减系数0.8，同时构件的抗弯刚度还将乘以折减系数，折减系数的取值如下：

有效长度法

直接分析法与有效长度法的区别在于：在压弯构件承载力验算时前者在分析中使用折减后的刚度，且计算长度系数为1；后者在分析中刚度不予折减，并使用根据屈曲分析获得计算长度系数。

在 AISC 360 规范中，计算长度系数K有两种：一种用于所有梁柱节点位置固定，即无侧移的情况，用 K1标识，K1小于1，程序默认K1=1，若K1需取其它值，需由用户指定。另一种用于所有梁柱节点位置能自由移动，即有侧移的情况，用 K2标识。K2大于1，程序自动计算K2，用户也能修改。对程序而言，K1用于计算二阶放大系数B1，K2用于计算构件的轴向承载力(这里的一些理解很关键，比国标里面的一些系数要多一些)。

程序默认的K2计算方法适用于有侧移的抗弯框架，对于带支撑框架或其他结构体系，用户需自行设置K2的数值。而且K2的计算公式基于一些理想化的基本假定，一些特殊情况，比如斜梁、非正交梁都会影响K2的计算。这时程序会将 K2设置为1，对这些情况用户应自行检查。当然如果使用直接分析法，可以避免这些麻烦(和国标里面的一些修改的方法类似，前提是要理解参数的意义)。

还有一个计算长度系数K_ltb，用于考虑侧向弯扭屈曲。程序默认取K_ltb=K2_minor，即等于柱的次轴方向计算长度系数，可以修改。钢框架设计覆盖项输出了各个计算长度系数的数值，用户可查询修改。

方法的选择

综上所述，对于美标钢框架设计，可以使用“直接分析法”、“有效长度法”或“一阶分析法”。由于“直接分析法”考虑二阶效应影响，还考虑了结构的初始缺陷、杆件的不垂直度、残余应力引起的刚度折减等，所以是更具普遍适用性的方法。“有效长度法”、“一阶分析法”有各自的适用条件。

在CSI 的美标设计技术文档，详细归纳了这几种设计方法的意义和实质。通过表的内容可以更好的了解如何进行二阶分析、如何进行刚度折减、如何定义名义荷载、如何判定计算长度系数的取值等等，进而合理地使用程序进行美标钢框架设计。

荷载组合

备注：这里面的一些荷载组合涉及到各种各样的新旧规范，所以种类是比较的繁杂的，需要自己做一定的甄别和整理，不要混淆了，如果有争议的地方需要注明相应的出处。分别是哪几本规范出现了荷载组合的问题，所涉及到的荷载组合太多了。

常用的荷载组合可以根据"美国土木工程师学会ASCE"(American Society of Civil Engineers)之"结构工程协会SEI"(Structural Engineering Institute)的一个规范："建筑物及其他结构的最小设计荷载"(ACE/SEI 7-05/10/16),也就是相当于我们的荷载规范。

D:恒载 F:流体荷载 H：侧向土压力，水压力等 L：活荷载 Lr:屋面活荷载 S：雪荷载 R：雨水荷载 T：自应力荷载 W：风荷载 Wi：同时考虑裹冰荷载时的风载 E：地震荷载 Fa:洪水荷载 Di：裹冰荷载

ASD设计荷载基本组合需要考虑(用于容许强度设计)：

D + F D + H + F + L +T D + H + F + (Lr或S或R) D + H + F + 0.75(L +T) + 0.75(Lr 或S或R) D + H + F + (W 或0.7E) D + H + F + 0.75(W 或0.7E) + 0.75L + 0.75(Lr或S或R) 0.6D + W + H 0.6D + 0.7E + H

ASCE 7-10中的荷载组合：

D D+L D+(Lr 或 S 或 R ) D+0.75L+0.75(Lr或S或R) D+(0.6W ) D+0.75L+0.75(0.6W )+0.75(Lr或S或R) 0.6D + 0.6W 用在光伏支架上面对荷载组合进行相应的简化： D D+S D+0.75S D+0.6W D+0.7E D+0.45W+0.75S D+0.525E+0.75S 0.6D+0.6W 0.6D+0.7E

LRFD设计荷载基本组合需要考虑(用于极限强度设计)：

1.4（D + F） 1.2（D + F +T）+ 1.6（Lr或S或R）+ 0.5(Lr或S或R) 1.2D + 1.6（Lr 或S或R）+ (L或0.8W) 1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr 或S或R) 1.2D + 1.0E + L + 0.2S 0.9D + 1.6W + 1.6H 0.9D + 1.0E + 1.6H 用在光伏支架上面对荷载组合进行相应的简化： 1.4D 1.2D+0.5S 1.2D+1.6S+0.5W 1.2D+1.0W+0.5S 1.2D+1.0E+0.2S 0.9D+1.0W 0.9D+1.0E

常见单位换算

长度单位

in.（英寸） ft.（英尺） yd.（码） mi.（英里） 1 in. = 25.4 mm (1 mm = 0.03937 in.) 1 ft. = 0.3048 m =304.8 mm ( 1 m = 3.28084 ft.) 1 yd. = 3 ft. 1 mi. = 5280 ft.

力的单位

kips（千磅） lb（磅） 1 kips = 4.448 KN = 453.592 kg 1 lb = 4.448 N = 453.592 g 1 KN = 0.2248 kips

力矩单位

1 ft.-kips = 1.356 KN-m 1 KN-m = 0.7376 ft.-kips

分布荷载单位

psf （lb/ft2） 1 kips/ft = 14.59 KN/m 1 kips/ft2 = 47.88 KN/m^2 1 KN/m = 0.06852 kips/ft 1 KN/m2 = 0.02089 kips/ft^2 1 psf = 47.88 N/m^2

应力单位

1 ksi = 6.895 MPa 1 Mpa = 0.145 ksi

精度控制

1、荷载：1 psf；10 lb/ft.；100-lb 2、跨度，长度：0.1 ft. 3、反力：0.1 kips 4、力矩：0.1 ft-kips

一些常量

钢材E = 29000 kips/in.^2 容重 = 490 lb/ft^2

材料

钢结构材料主要参照的标准是“美国试验及材料协会”ASTM（American Society for Testing and Materials）。 容许应力设计手册（ASDM）中列出ASTM中的以下一些常用结构钢，屈服应力Fy从32到100ksi，抗拉强度Fu从58到130ksi。 A36:最常用的钢材，屈服强度36ksi(厚度不超过8in) 高强钢A572 grade50 高强钢A992，最小抗拉强度Fu有65ksi，屈服强度50-65ksi。 耐候钢A588和A242，常用在桥梁与外露建筑中。

开口型截面

容许应力设计手册（ASDM）中的热轧型钢截面有六种： 宽翼缘和混杂形H型钢[W，M]（Wide flange and miscellaneous） 普通工字钢[S]（American standard beam） 桩承H型钢[HP]（Bearing pile） 槽钢[C，MC]（American standard and miscellaneous channels） 角钢[L]（Angles） T型钢[WT，ST，MT]（Structural tees）

闭口型截面

还有三种管截面HSS（Hollow Structural Section） 圆管（round HSS） 方管（square HSS） 矩形管（rectangular HSS）

钢板的表示

PL 1/2 x 14 x 1′-4. 表示钢板厚度是1/2in.，宽度是14in.，长度是1ft.4in.，这里所有的in.单位省略。

几种框架形式

SMF(Special Moment Frames)：特殊受弯框架,设计用于通过允许框架在不失去结构完整性的情况下显著弯曲来抵抗更大的地震力

IMF(Intermediate Moment Frame):中间受弯框架，用于在地震时表现出有限的非弹性行为，提供中等到高水平的侧向抗力

OMF(Ordinary Moment Frames):普通受弯框架，设计用于地震活动较低的地区，在地震期间不会发生显著的非弹性变形

SCBF(Special Concentrically Braced Frame):特殊同心支撑框架，设计得比普通同心支撑框架更有韧性，允许它们在不发生故障的情况下承受更大的地震力

OCBF(Ordinary Concentrically Braced Frame)：普通同心支撑框架，用于地震风险较低的地区，旨在提供有限的非弹性变形能力

OCBFI(Ordinary Concentrically Braced Frames fromIsolated Structures):孤立结构的普通同心支撑框架，这些与OCBF类似，但专为孤立结构设计，提供有限的非弹性变形能力

EBF(Eccentrically Braced Frame):偏心支撑框架，设计有在除其他框架成员末端之外的点连接到框架的支撑，允许在地震事件期间表现出延性行为并更大地耗散能量

BRBF(Buckling Restrained Braced Frame):屈曲约束支撑框架，设计用于防止受压时屈曲，使它们在地震时非常有效地耗散能量，同时容易发生大变形和楼层位移

对风速的理解

重现期与时距

1、重现期：“某事件出现或发生的平均时间间隔”，以“年”为单位度量的重现期和荷载的年超越概(25年一遇、50年一遇、100年一遇......)

2、时距："指用于确定最大平均风速的时间间隔。规定的时距越短，所得到的最大平均风速越大，相应的风压也就越大，在风荷载的计算中通常会用一个特定的时距来代表风速的稳定部分，这个稳定的部分被用作基本风压的代表值"(3s、10min、1h......)

对部分国家的重现期和时距做了总结：

中国/西班牙/欧洲：50年/10分钟

缅甸/马来西亚/越南/约旦/印度/沙特阿拉伯/菲律宾/阿根廷/巴西/智利/墨西哥/澳大利亚/埃及：50年/3秒钟

日本：100年/10分钟

美国：50年/3秒钟(50年一遇的风速)--300年/3秒钟(300年一遇的风速)--700年/3秒钟(700年一遇的风速)--1700年/3秒钟(1700年一遇的风速)

...

不同重现期的风速转换

建筑物的风险等级
Risk/Occupancy Category

美国规范中对建筑物的风险等级从I到IV共划分了四种分类，对应这四种分类又分别规定了四种不同的风区图。

图片来源：ASCE 7-05 1.18节的表1-

图片来源：ASCE 7-10 1.2.1节的表1.5-1
图片来源：ASCE 7-16 1.5.1节的表1.5-1

第一类适用于“发生故障时对人类生命危害低”的建筑物。这包括没有人居住的建筑物，或者只有很短的时间，主要足够长的时间来存放东西或照顾牲畜。例如农业设施、某些临时设施和小型储存设施。

II类是最常用的，适用于除I类、III类和IV类以外的所有建筑物。通常，一户和二户住宅建筑将被归类为第二类。此外，“如果能够向有管辖权的当局证明危险材料对公众不构成威胁，则含有危险材料的建筑物有资格进入第二类”。

第三类适用于“在发生故障时对人类生命构成重大危害的建筑物”。其中包括可容纳300人以上的建筑物、可容纳150人以上的日托机构、可容纳250人以上的学校、容量超过500人的大学或成人教育机构、拥有50名或更多常驻患者的医疗保健机构（没有进行手术和紧急治疗的医疗保健设施）， 监狱和拘留设施、发电站和其他未列入第四类的公用事业设施。此外，含有有害物质（如燃料）的建筑物具有危险性化学品、危险废物或爆炸物，如果其数量足以在释放时对公众造成危险，应归类为第三类。

IV类建筑物是必不可少的设施;这些建筑物包括可进行手术和/或紧急治疗的医院和其他医疗保健设施、储水和辅助建筑、消防、救援、救护车、警察局和车库、指定的地震、飓风或其他紧急避难所。基本上，所有建筑物对紧急情况和防御至关重要。此外，含有极其危险材料的建筑物——材料数量超过有管辖权的当局确定的阈值数量——应进行第四类分析。

占用类型反映在整个负载计算中使用的“重要性因子”中。随着重要性系数的增加，由此产生的风荷载和雪荷载增加，从而为基本结构提供了更大的安全系数。(由上面的三张图可知，不同规范的变化风险等级的划分基本没有变化)

风区图ASCE 7-05

图片来源：ASCE 7-05 第6.7节的图6.1-Basic Wind Speed

ASCE 7-10

图片来源：ASCE 7-10 第26节的图26.5-1C
图片来源：ASCE 7-10 第26节的图26.5-1A

图片来源：ASCE 7-10 第26节的图26.5-1B

ASCE 7-16

图片来源：ASCE 7-16 第26.53节的图26.5-1A

图片来源：ASCE 7-16 第26.53节的图26.5-1B

图片来源：ASCE 7-16 第26.53节的图26.5-1C

风速相当于50年内约15%的超越概率（年超越概率=0.0033，MRI=300年）

风速相当于50年内约7%的超越概率（年超越概率=0.00143，MRI=700年）

风速相当于50年内约3%的超越概率（年超越概率=0.000588，MRI=1700年）

相互之间的转化关系

ASCE 7-05用重要性系数来转换MRI 50的风速

图片来源：ASCE 7-05 6.7节的表6-1

美标ASCE 7-05因为只有一张50年一遇的风区图，使用I到IV四种重要性系数，分别转换成25年，50年，100年一遇的风速。如何用一个重要性系数来转换不同重现期的呢？这里引进一个公式(Peterka and Shahid. 1998):

V_50:某地50年一遇的风速，

V_T:需要计算的重现期为T年的风速

此处用50年重现期的风速用公式换算100年重现期的风速来举例

由上可知，100年一遇风速为50年一遇风速的1.069倍。根据伯努利定理，风压正比于风速的平方，所以我们可以得到25年一遇的风压约为50年一遇风压的1.069^2^=1.15倍。相应的，25年一遇为50年一遇风压的0.87倍。此处计算得到的0.87和1.15，就是上面表中第二列所写的重要性系数大小。

Peterka和Shahid提出了一种计算重现期的方法，该方法适用于非飓风地区。该方法使用以下公式计算风速:FRA=0.36+0.10*LN(12T)，其中T是重现期，单位为年，FRA是风速的因子，可以乘以50年重现期的风速来得到其他重现期的风速。这个公式不适用于1年重现期的风速。

风险等级重现期风速(ASCE 7-05)重现期风速(ASCE 7-10/16)I25年一遇的风速300年一遇的风速II50年一遇的风速700年一遇的风速III&V100年一遇的风速1700年一遇的风速

基本风压计算公式

速压（基本风压）qz

0.613：二分之一空气密度;

V：basic wind speed 基本风速

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