美國鋼結構規范在高樁碼頭樁基設計中的應用

田茂金，黃 勝

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

?

美國鋼結構規范在高樁碼頭樁基設計中的應用

田茂金，黃 勝

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

本文詳細介紹美國《ANSI/AISC 360鋼結構規范》在高樁碼頭鋼管樁設計中的應用，對比分析《水運工程鋼結構設計規范》與《ANSI/AISC 360鋼結構規范》的差異，采用兩種鋼結構規范分別對鋼管樁進行計算分析，得出一些有益結論，為涉外工程鋼管樁設計提供了有益參考。

美標；ANSI/AISC 360；鋼管樁；中美對比

引 言

美國《ANSI/AISC 360鋼結構規范》是由美國鋼結構協會（American Institute of Steel Construction，AISC）頒布的一本美國國家規范，該規范作為國際上通用的鋼結構設計規范，常見于涉外工程的國際通用規范目錄中。隨著水運工程涉外項目日益增多，對國際通用設計規范的深入了解越發重要和迫切。如何了解美國規范，理解中美規范中存在的差異，繼而靈活應用美國規范是涉外工程設計人員普遍關心和迫切需要解決的問題。

本文著重介紹了《ANSI/AISC 360鋼結構規范》在高樁碼頭鋼管樁設計中的應用及其典型設計要點和參數，對比分析了《ANSI/AISC 360鋼結構規范》［1］與《水運工程鋼結構規范》［2］的相關差異，并對兩種規范進行了簡要分析，對涉外工程鋼管樁設計具有一定的借鑒意義。

1 《ANSI/AISC 360鋼結構規范》截面分類

《ANSI/AISC 360鋼結構規范》中根據截面的不同類別，將截面分為3類，分別為：緊湊構件、非緊湊構件以及細長構件。對于鋼管樁，《ANSI/AISC 360鋼結構規范》中根據“鋼管樁直徑與壁厚的比值”與“結構彈性模量與屈服強度的比值”的相對關系對鋼管樁截面類別進行劃分。

2 名義承載力計算

2.1 軸壓作用下鋼管樁軸向名義承載力計算

《ANSI/AISC 360鋼結構規范》中針對不同截面類型構件的名義軸壓強度計算如下式所示：

式中：Pn為名義耐壓強度；Fcr表示臨界應力；Ag表示截面面積。

對于不同類型的截面，《ANSI/AISC 360鋼結構規范》中均給出了相應于各截面類型的計算公式，對于桿件結構可根據公式（2）以及公式（3）分別進行計算（《ANSI/AISC 360鋼結構規范》中公式E7-2以及E7-3）：

式中：E為鋼材的彈性模型，取值為200 000 MPa；Fe可根據《ANSI/AISC 360鋼結構規范》中 E3-4或者E3-5計算得到（適用于雙重對稱結構），E3-4、E4-5（適用于單一對稱結構）以及 E4-6（適用于非對稱構件），實際計算時可根據截面的具體形式選擇合適的公式進行相關計算。

對于鋼管樁壓彎結構Fe可由《ANSI/AISC 360鋼結構規范》中式E3-4，如下式計算得到：

根據《ANSI/AISC 360鋼結構規范》E7-19對于軸向載荷作用下的圓截面，Q可根據下式計算得到：

2.2 彎矩作用下鋼管樁抗彎名義承載力計算

2）局部屈曲強度

故根據《ANSI/AISC 360鋼結構規范》，鋼管樁的彎曲名義承載力如下式所示：

2.3 剪力作用下鋼管樁抗剪名義承載力計算

對于空心圓截面，鋼管樁的名義剪切強度取決于剪切屈服以及剪切屈曲兩種狀態，由《ANSI/AISC 360鋼結構規范》G6-1計算得到，如下式所示：

不得大于0.6Fy。

2.4 扭矩作用下鋼管樁抗扭名義承載力計算

對于空心圓截面，鋼管樁的名義抗扭強度取決于扭曲屈服以及扭曲屈曲兩種狀態，由《ANSI/AISC 360鋼結構規范》H3-1計算得到，如下式所示：

式中：C為空心圓截面扭曲常量；Fcr不得大于0.6Fy，由下式確定：

式（9）中：L為構件長度；D為外直徑；C空心圓截面扭曲常量，對于圓形空心圓截面，有：

3 組合內力作用下截面承載能力計算

《ANSI/AISC 360鋼結構規范》中主要存在兩種鋼結構設計方法，一種是容許應力法（Allowable Stress Design，ASD），該方法給出一個安全系數，并將此作為度量材料達到屈服強度破壞或者是桿件進入屈曲狀態而失效的抵抗能力；另一種設計方法是荷載和抗力分項系數法（Load and Resistance Factor Design，LRFD），該方法引入了結構可靠度概念，與我國目前采用的可靠度方法思路基本一致，雖該方法比較復雜，但該方法具有較可靠的理論分析基礎以及試驗結果，因此該方法得到越來越多設計人員的認可。新版的《ANSI/AISC 360鋼結構規范》中極大部分承載能力計算均采用LRFD方法，因此新規范實際上是基于LRFD方法的鋼結構設計規范，故本文在計算中均采用LRFD方法。

采用LRFD法時，抗力系數為φt=0.90（LRFD），結構的設計表達式為：

式中：Ra為根據LRFD荷載組合而計算得到的內力設計值；Rn為名義承載力（也稱為承載能力標準值）；φt為抗力系數（也稱為抗力折減系數）；φtRn即為設計強度。

采用ASD法時，安全系數為ΩT=1.67（ASD），結構的設計表達式為：

式中：Ra為根據ASD荷載組合而計算得到的內力設計值；Rn為名義承載力（也稱為承載能力標準值）；ΩT為安全系數；Rn/ΩT為容許強度。

上述兩種設計方法，公式右邊均為抗力項，左邊均為荷載作用效應，由于名義承載力（也稱為承載能力標準值）是唯一的，不會因為采用何種設計方法而得到不同結果，因此，兩種設計方法最大的不同在于不同設計方法的荷載組合以及安全系數（ASD方法）或抗力系數（LRFD方法）的不同。

當結構所需抗扭強度小于0.2Tc時，《ANSI/AISC 360鋼結構規范》H3.2規定，空心圓截面所能承受的組合軸力、彎曲、剪切以及扭轉作用，需要根據《ANSI/AISC 360鋼結構規范》H1確定且需忽略扭轉的作用。

對于受壓彎的多重以及單一對稱構件，截面所能承受的組合壓彎承載力由規范H1確定，如下式所示（采用LRFD方法）：

式中：Pr為所需軸向耐壓強度；Pc=φPn為設計拉伸或者壓縮強度；Mr為所需彎曲強度； Mc= φbMn為設計彎曲強度；x為強軸；y為弱軸。

當結構所需抗扭強度大于 0.2Tc時，空心圓截面所能承受的組合軸力、彎曲、剪切以及扭轉作用的構件由規范H3-6確定，如下式所示（對于LRFD方法）：

式中：Pr為所需軸向耐壓強度；Pc=φPn為設計拉伸或者壓縮強度；Mr為所需彎曲強度；Mc= φbMn為設計彎曲強度；Vr為所需抗剪強度；Vc= φvVn為設計抗剪強度；Tr為所需抗扭強度；Tc= φrTn為設計抗扭強度。

4 《水運工程鋼結構設計規范》鋼管樁應力

由于中國工程師對《水運工程鋼結構設計規范》較為熟悉，本節僅對《水運工程鋼結構設計規范》中鋼管樁應力計算公式進行簡要介紹，其余不再贅述。為便于中國規范與美國規范的對比分析，本文對公式（13）、（15）以及（17）兩邊同時除以鋼材的抗壓強度設計值f，將公式改寫為如式（14）、（16）以及（18）所示。當計算值不大于1時則認為截面滿足要求，當計算值大于1時認為截面發生破壞。經改寫后，中美兩國規范在結果的判斷形式上基本保持一致。

4.1 強度計算

拉彎和壓彎構件的強度計算應滿足下式：

式中：N為軸向拉力或軸向壓力設計值；An為凈截面面積；Mx為繞強軸作用的最大彎矩設計值；γx、γy為與截面模量相應的截面塑性發展系數；Wnx、Wny為對z軸和y軸的凈截面模量；My為繞弱軸作用的最大彎矩設計值；f為鋼材的抗拉或抗壓強度設計值。

4.2 壓彎構件的整體穩定性驗算

彎矩作用平面內的穩定性：

彎矩作用平面外的穩定性：

式中：N為所計算構件段范圍內的軸向壓力設計值；φx為彎矩作用平面內的軸心受壓構件穩定系數；A為構件的毛截面面積；βmx為彎矩作用平面內的等效彎矩系數；Mx所計算構件段范圍內的最大彎矩設計值；γx與截面模量相應的截面塑性發展系數；W1x在彎矩作用平面內對較大受壓纖維的毛截面模量；f鋼材的抗壓強度設計值；φy彎矩作用平面外的軸心受壓構件穩定系數；η截面影響系數；βtx彎矩作用平面外的等效彎矩系數；φb均勻彎曲的受彎構件整體穩定系數。

5 中美規范鋼管樁截面內力對比分析

算例計算參數：鋼管樁外徑1 000 mm；鋼管樁壁厚16 mm（考慮2 mm的腐蝕厚度，實際有效壁厚取值為14 mm）；鋼管樁內徑968 mm；鋼管樁計算長度均取值為20 m；材料牌號ASTM A252牌號3，鋼材的屈服強度為310 MPa，對應中國標準的鋼材屈服強度為280 MPa，其他參數如表1所示。

表1　ASTM A252鋼材拉伸性能要求［2］

《ANSI/AISC 360鋼結構規范》鋼管樁設計，主要設計思路為：根據截面屬性，選擇合適的公式計算各截面的名義承載能力（主要包括名義抗壓、抗拉、彎曲、剪切以及扭轉名義承載力）；根據不同的設計方法（LRFD或ASD法）對各工況進行荷載組合，得到所需的設計荷載；計算結構在組合軸力、彎曲、剪切以及扭轉作用下的承載能力，當計算結果不大于1時，截面滿足要求，當計算結果大于1時，截面承載能力不足，需修改截面進行重新計算。

從表面上看，中美鋼結構規范在設計上具有很大不同，且兩國規范在計算公式、參數的選取以及參數描述上均有較大差異，但美國規范與中國規范的設計思路也有相似之處。中國規范中計算的是截面的最大應力，在組合內力的作用下，當各個內力貢獻的結構應力累加并超過鋼材的強度設計值時認為截面不滿足設計要求，美國規范則將各內力的所需強度與設計強度相比并進行累加，當結果超過1時則認為截面不滿足設計要求需重新計算。

《水運工程鋼結構設計規范》中強度驗算和穩定驗算是分開考慮的，且對于不同的彎矩作用平面以及不同的桿件截面類型均有不同的計算公式，而《ANSI/AISC 360鋼結構規范》在驗算截面受壓與彎曲的組合作用時同時考慮了穩定，未進行單獨計算。

對于常規的高樁碼頭結構，樁基主要承受彎矩以及軸力的作用，剪力以及扭矩并不是主導荷載，為便于計算和對比分析，不考慮剪力以及扭矩的作用。選用美國常用的鋼材牌號ASTM A252等級3鋼材，采用中美兩國鋼結構規范對軸力以及彎矩作用下鋼管樁分別進行計算，分析鋼管樁在軸力以及彎矩作用下兩規范的差異，計算結果如表2所示。

表2　中美規范計算結果對比

從表2中可以看出，僅在軸力作用下，兩國規范在計算結果上相差不大，《水運工程鋼結構設計規范》計算結果略微偏大；僅在彎矩作用下，《水運工程鋼結構設計規范》計算結果較《ANSI/AISC 360鋼結構規范》明顯偏大一些；當軸力不變時，隨著彎矩逐漸增大，計算結果差別越來越大，總的趨勢為《水運工程鋼結構設計規范》計算結果較《ANSI/AISC 360鋼結構規范》偏大一些。這主要是由于《ANSI/AISC 360鋼結構規范》在計算截面的抗彎名義承載力時采用塑性彈性模量，充分利用材料的強度，該值較彈性截面模量偏大，而《水運工程鋼結構設計規范》雖然也考慮了一部分塑性，但對于空心圓截面而言，截面塑性發展系數取為1.15，一般來說該值較采用塑性截面模量仍偏小；總的來說，兩規范對比計算中，《水運工程鋼結構設計規范》計算得到的結果均較《ANSI/AISC 360鋼結構規范》偏大。

在同樣的設計荷載作用下，雖然表2中采用《水運工程鋼結構設計規范》計算得到的結果較《ANSI/AISC 360鋼結構規范》偏大，但由于美國標準以及中國標準在荷載組合以及各荷載分項系數取值均有所差異，同樣的外力，分別采用兩國標準得到的設計荷載也會有所不同，因此并不能簡單地認為中國標準偏于保守，美國標準偏于危險，實際應用中還應綜合其他相關規范進行設計以得到更加準確的計算結果。

6 結 論

1）《水運工程鋼結構設計規范》中強度驗算和穩定驗算分開考慮的，《ANSI/AISC 360鋼結構規范》在驗算截面受壓與彎曲的組合作用時同時考慮了穩定，未進行單獨計算。

2）僅在軸力作用下，兩國規范計算結果相差不大；彎矩作用下，《水運工程鋼結構設計規范》較《ANSI/AISC 360鋼結構規范》計算結果偏大。

3）由于美國標準以及中國標準在荷載組合等方面上的差異，并不能簡單地認為中國標準偏于保守，美國標準偏于危險，設計人員在設計中應格外注意。

［1]ANSI/AISC 360-05. Specification for Structural Steel Buildings ［S］. AISC， 2005.

［2]JTS152-2012 水運工程鋼結構設計規范［S］. 2012.

［3]ASTM A252-10. Standard Specification for Welded and Seamless Steel Pipe Piles［S］. ASTM， 2010.

Application of ANSI/AISC Specification for Structural Steel Building in Pile Foundation Design of Piled Wharf

Tian Maojin， Huang Sheng
（CCCC Second Harbor Consultants Co.， Ltd.， Wuhan Hubei 430071， China）

A detailed introduction has been given to the application of ANSI/AISC 360 Specification for Structural Steel Building in the design of steel pipe pile supporting piled wharf. Code for Design of Steel Structures in Port and Waterway Engineering is compared with ANSI/AISC 360 Specification for structural steel building， then steel pipe pile is calculated and analyzed by using the above two specifications respectively. Some helpful conclusions are obtained， which may serve as

for the design of steel pipe pile in oversea projects.

America standard；ANSI/AISC 360； steel pipe pile； comparison of Chinese and American standards

TU473.1+2

A

1004-9592（2016）03-0052-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160314

2015-12-15

田茂金（1988-），男，助理工程師，主要從事港口航道與海岸工程設計工作。