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一、背景
一个国家的设计规范是一个完整的体系，现在大部分已有规范对比研究仅为简单地对比某一具体结构指标或参数的大小，不能充分反映规范的完整设计思想或安全度水平。在同等设计目标的前提下，按照不同国家的规范独立进行结构设计，并统一计算标准之后，再进行设计结果的对比才能更真实地反映不同国家规范设计的差异。
本文以一个典型的钢筋混凝土框架核心筒高层建筑工程为研究对象，对比分析中国和美国规范设计的差异。
二、设计参数
结构平面尺寸为44mx44m，外框柱距为8.8m，外框柱距核心筒距离为12m，核心筒平面尺寸为21.8mx20m，建筑总高98m，楼层数24层，首层层高为6m，其余层层高为4m，建筑高宽比为2.2，核心筒高宽比为4.9。
只确定建筑的轴线布置、建筑功能、层高等功能性，构件尺寸根据中美两国规范的设计结果确定。
建筑结构平面图
1、地震作用
中美两国规范按相同的场地剪切波速确定场地类别，中国工程师选择Ⅲ类场地，设计地震分组为第一组，设计特征周期Tg=0.45s；美国工程师选择E类场地，得到场地影响系数Fa=0.9，Fv=3.23，换算出反应谱相应设计特征周期T0=0.121s，Ts=0.603s，T0、Ts分别为加速度反应谱中平台段起始和结束周期。
ASCE7采用最大考虑地震（maximum considered earthquake,简称MCE）的2/3作为设计地震作用，再除以R/Ie(R为反应谱修正系数，根据结构的延性性质来取值，对延性较差的结构取值较小，对延性较好的结构取值较大；Ie为结构重要性系数，项目可以取Ie=1,R=7)。
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中国规范地震反应谱 |
美国规范地震反应谱 |
2、材料强度
中国规范与美国规范混凝土设计强度的对比结果。
混凝土轴心抗压强度平均值及弹性模量
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规范 |
强度等级 |
f_(cu/MPa |
E_c/Mpa |
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中国规范 |
C60 |
50.1 |
3.60 x104 |
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C50 |
42.9 |
3.45 x104 |
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C40 |
36.1 |
3.25 x104 |
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C30 |
28.0 |
3.00 x104 |
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美国规范 |
7000psi |
48.3 |
3.29 x104 |
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6000psi |
41.1 |
3.04 x104 |
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5000psi |
34.5 |
2.78 x104 |
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4000psi |
27.6 |
2.49 x104 |
中国规范的钢筋强度等级以具有95%保证率的屈服强度标准值为判定依据，HRB400级钢筋的屈服强度标准值为400MPa。美国规范的规定类似，60级钢筋的屈服强度标准值为414MPa。
三、主要设计结果
分别根据中国规范与美国规范要求进行了结构设计，按中国规范要求设计的模型记为模型C，按美国规范要求设计的模型记为模型A。
主要构件尺寸
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位置 |
楼层 |
外墙厚/mm |
内墙厚/mm |
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模型C |
模型A |
模型C |
模型A |
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核心筒 |
L1~L8 |
400 |
406 |
300 |
305 |
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L9~L16 |
350 |
305 |
250 |
305 |
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L17~L24 |
300 |
305 |
200 |
203 |
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位置 |
楼层 |
模型C |
模型A |
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外框柱 截面/mm |
L1 |
1200×1200 |
1020×1020 |
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L2~L8 |
1100×1100 |
1020×1020 |
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|
L9~L16 |
900×900 |
813×813 |
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L17 |
700×700 |
813×813 |
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L18~L24 |
700×700 |
610×610 |
|||
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框架梁 截面/mm |
L1 |
600×1200 |
508×914 |
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L2~L8 |
600×900 |
508×914 |
|||
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L9~L17 |
600×900 |
508×762 |
|||
|
L18~L24 |
600×900 |
508×610 |
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楼板 /mm |
L1~L23 |
110 |
152 |
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|
L24 |
120 |
203 |
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主要构件材料
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位置 |
模型C |
模型A |
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楼层 |
材料 |
楼层 |
材料 |
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核心筒及连梁 |
L1~L9 |
C60 |
L1~L8 |
7000psi |
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L10~L17 |
C50 |
L9~L16 |
6000psi |
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L18~L24 |
C40 |
L17~L24 |
5000psi |
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|
外框架柱 |
L1~L9 |
C60 |
L1~L9 |
7000psi |
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L10~L17 |
C50 |
L10~L17 |
6000psi |
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|
L18~L24 |
C40 |
L18~L24 |
5000psi |
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楼板 |
L1~L24 |
C30 |
L1~L24 |
4000psi |
主要设计结果
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整体指标 |
模型C |
模型A |
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周期 |
T1/s |
2.56 |
3.39 |
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T2/s |
2.48 |
3.25 |
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T3/s |
2.27 |
2.89 |
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质量 |
M/t |
57609 |
48095 |
|
S/m2 |
46464 |
46464 |
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M/S |
1.24 |
1.04 |
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最大 层间位移角 |
X向 |
1/873(限值1/800) |
1/126(限值1/50) |
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Y向 |
1/843(限值1/800) |
1/137(限值1/50) |
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四、主要差异及原因分析
从设计结果看，构件尺寸差异不大，但结构振动特性以及位移存在较大差异。结构的振动特性取决于结构刚度与质量，但中、美规范在计算结构刚度和质量时采用的方法是不同的，这造成了振动特性的较大差别。
1、振动特性
在计算结构振动特性时，会用到结构的刚度与质量，但中美两国规范在计算结构刚度和质量时采用的方法是不同的，也就造成了振动特性的较大差别。
在计算结构刚度时，两国规范采用的混凝土弹性模量计算公式不同。另外中国规范梁刚度考虑楼板的增强作用，设置了梁刚度增大系数，而连梁则进行了刚度折减，中梁、边梁、连梁的刚度调整系数分别为2.0、1.5、0.5。美国规范考虑了地震作用下构件的塑性发展，对柱、剪力墙、梁和连梁的刚度进行了折减，刚度折减系数分别为0.7、0.6、0.35、0.2。
在计算结构的质量时，中国规范的计算方法为1.0恒载+0.5活载（0.5为常用的活荷载的重力荷载代表值的计算系数。美国规范的计算方法只考虑1.0恒载，不考虑活载，但隔墙活载按1.0系数考虑计入恒载。
2、结构侧移
两国规范计算得出的结构侧移数值差异很大，给人的印象是中国规范的侧移限制大大严于美国规范，但其中存在很大的计算假定的差异。
首先和前面计算振动特性时一样，计算结构侧移时，结构的刚度与质量取值是不同的。
其次，计算结构侧移所采用的地震作用也不相同。在美国规范中，虽然在做结构构件承载力设计时，地震作用采用了折减系数R=7，相当于构件设计所采用的地震作用是大震的2/3再除以7，比中国规范的地震作用小，但在计算结构侧移时，美国规范需要在承载力计算地震作用的基础上，再乘以调整系数Cd。根据本工程的结构类型查表可知Cd=5.5，所以其计算所对应的地震作用约为大震的0.52倍，与中国规范的中震水平基本相当。
