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摘要：對中國鋁結構標準與國外標準進行了對比研究：對各國標準的總體編排、表達方式、編制手法進行了對比分析，美標以方便工程設計應用的易讀、易用為尺度進行編寫，為結構標準的典范。
對各標準的法律地位、全球范圍內的應用范圍和影響力進行了對分析，美標和英標、歐洲標準應用最廣。
對中外標準極限狀態設計法進行了對比，美標和歐標是嚴格按照極限狀態設計法編寫，即使是美標的容許應力法也是基于極限狀態的，相當于變形的極限狀態設計法。
按照極限狀態設計法，對中國標準的“材料分項系數”計算方法進行了探討，這種表達方式概念不清，不利于針對不同極限狀態確定不同的分項系數。
對中外標準的軸心受拉構件的凈截面計算規則、承載力計算方法、安全系數進行對比;國外標準比較全面具體，國內標準比較粗略且個別情況存在不夠安全的情況。
中外標準普通螺栓和高強螺栓（詞條“高強螺栓”由行業大百科提供）連接的極限狀態、計算方法、安全系數對比分析，中國標準的螺栓強度取值比較混亂，高強螺栓滑移控制連接極限狀態不夠全面。
關鍵詞：螺栓連接;軸心受拉;凈截面;滑移控制連接;可靠度（詞條“可靠度”由行業大百科提供）;材料分項系數
在世界范圍內，鋁結構最為廣泛的應用在了建筑門窗（詞條“建筑門窗”由行業大百科提供）幕墻領域，而作為一名幕墻設計師，有幸參與《鋁合金結構技術標準》(現在為征求意見稿階段，以下簡稱征求意見稿)的編制工作。編制過程中，結合之前在海外工作的一點經驗，深入比較了中國、歐盟和北美鋁結構標準如下。
1 三個標準簡介
1.1 美標
美國通用的鋁結構標準是The Aluminum Association (AA) 出版的《ALUMINUM DESIGN MANUAL 2015》,以下簡稱美標。美標的編寫方式和公式、極限狀態、可靠度等和AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION (AISC)出版的ANSI/AISC 360《Specification for Structural Steel Buildings》十分相似。兩者的出版時間也基本同步，都是差不多5年更新一個版本，都是結構行業最新技術的集大成者，引領國際鋼結構和鋁結構發展潮流。和AISC 360一樣，美標同時包含了公制和英制兩種單位制、容許應力設計法(ASD)和極限狀態設計法(LRFD)。兩本標準的兩種設計法的可靠度指標基本一致。容許應力設計法實際上也是根據不同的極限狀態設計法給出相應的安全系數，和極限狀態設計法的計算公式一致，只是極限狀態設計法采用分項系數，容許應力法采用安全系數。
美標中最主要的是下列內容：PART I Specification for Aluminum Structures、PART II Commentary on the Specification for Aluminum Structures、PART III Design Guide、Part VII Illustrative Examples分別是技術要求、條文說明、設計指南(主要是例題)。這三部分的編寫都很經典、很詳細。美標的編寫特點主要是易讀和易用。這從美標的名字(中文名為：鋁(結構)設計手冊)上就能看出來，他們是按設計手冊的思路編寫的。條文看不懂可以看條文說明，條文說明還看不懂也沒關系，后面還有例題。基本上可以在完全不了解美國標準的情況下不借助其他參考書就可以輕松讀懂并應用于工程實踐。
幕墻用鋁合金結構緊固件連接設計部分的內容也可以使用的AMERICAN A RCHITECTURAL MANUFACTURERS ASSOCIATION(AAMA)出版的AAMA TIR-A9-14《Design Guide for Metal Cladding Fasteners》(有2015年局部更正版)，其內容更詳細。
1.2 英標和歐標
歐洲鋁結構方面的標準影響力比較大的是英國國家標準BS 8118-1-1991《Structuraluse of aluminiumPart 1: Code of practice for design》。但是在1991版以后就沒有更新了，轉而使用歐盟標準。
歐盟鋁合金結構方面的標準有BS EN 1999-1-1：2007《Eurocode 9: Design of aluminium structures —Part 1-1: General structural rules》(以下簡稱歐標，有2013局部更正版)，其范圍和BS 8118基本相同，內容也一脈相承。而BS EN 1999-1-4:2007《Eurocode 9 — Design of aluminium structures —Part 1-4: Cold-formed structural sheeting》(有2011局部更正版)，主要針對冷成型鋁板結構。兩者的關系類似于國內的鋼結構規范和冷彎薄壁型鋼規范。
歐標沒有條文說明和例題，比較復雜的內容通過大量的附錄表達。標準不如美標簡潔，對工程設計應用考慮不如美標周全，設計應用不方便。
1.3 國標
國內鋁合金在建筑上的應用起步于80年代，用于門窗幕墻。但是發展迅速，目前是世界第一鋁生產和應用大國。但是和其他的如鋼結構和混凝土一樣，鋁結構在我國的研究水平和先進水平還有很大差距。JGJ102-96《玻璃幕墻工程技術規范》是國內第一部包含鋁結構計算的標準，主要內容參照了87版鋼結構規范的構件計算部分。GB50429-2007《鋁合金結構設計規范》(以下簡稱老標準)是國內第一部專門的鋁結構規范，是基于國內的試驗研究，主要參考了BS8118-1-1991《Structuraluse of aluminiumPart 1: Code of practice for design》和GB50017《鋼結構設計規范》-2003，并添加了部分中國特色的內容。老標準相比于《玻璃幕墻工程技術規范》算法上改進明顯，引入了屈曲后強度和有效截面等概念，包含了焊接部分和結構體系部分內容。和其他國內標準一樣，老國標也是春秋筆法、微言大義，有的人要么看不懂，要么各有各的理解。
1.4 法律地位和標準的影響范圍
美標是一部團體標準，但是按英美法律體系，團體標準和國家標準都屬于推薦性標準，兩者法律地位相同，所以評判用什么標準是以市場接受度為原則，很少會考慮是不是國家標準。法律地位上英標和歐標都是“國家標準”，但執行約束力上和國標有較大區別。按英標和歐標設計如果出現標準錯誤導致的工程事故不能免除工程師的法律責任。這和國標作為設計正確與否的依據有根本區別。
國標有強制性條文，還有很多地方有圖紙審查，司法鑒定國標是硬指標，這都是中國不同于世界上其他國家的地方。這造成國標在中國的約束力很強。
我國的建筑結構標準的編制在70年代末才起步，同樣國際上還是有很多國家自己沒有制定標準，還有很多國家制定了一小部分標準。就像我國長期使用蘇聯標準一樣，這些國家長期使用其他國家標準和ISO等國際標準。各個前殖民地國家會延續之前的習慣繼續使用宗主國的標準，如菲律賓使用美國標準，中東地區使用英國標準、非洲部分國家使用法國標準等。同時，一些編制水平較高、體系比較健全的標準在這些國家也是廣泛接受的，比如中東地區和香港這些前英國殖民地也接受使用美標。中國標準由于水平有限，中國特色鮮明、其他國家標準差異較大，極少有工程應用。
1.5 極限狀態設計法、“材料分項系數”和容許應力法表達式
GB 50009 – 2012《建筑結構荷載規范》(以下簡稱荷載規范)3.2.2的公式其實是和歐洲標準、美國標準一致的：
按可靠度理論，應該是通過分項系數(partialsafetyfactor，部分安全系數)調整不同的重要性、效應和抗力。對于抗力，應該是按極限狀態設計法設計，也就是是不同的極限狀態應該有不同的分項系數。
和其他中國結構標準一樣，新鋼標和老標準里面用鋼材（詞條“鋼材”由行業大百科提供）和鋁合金的強度標準值除以“材料分項系數”給出了設計強度。這個做法在概念上并不妥當：材料已經按概率取了標準值了，根本就不應該考慮分項系數了。
極限狀態設計法的極限狀態有多種，破壞延性和危險性顯然不同，那么分項系數應該是對應的極限狀態的分項系數，最后得到總的結構可靠度。采用“材料分項系數”意味著對同一材料，每個極限狀態都用統一的分項系數，這顯然會造成有的過于保守，有的不夠安全。這是中國標準和其他國家的顯著不同。
2 標準對比-以軸心受拉構件
軸心受拉構件有兩個承載能力極限狀態：
1毛截面屈服破壞; 2 凈截面拉斷破壞
這是由于凈截面通常在整個構件長度上只存在一小段，凈截面的屈服伸長造成的構件伸長較小，因此凈截面屈服在并不是承載能力極限狀態。因此，對于毛截面屈服破壞應采用屈服強度標準值，對于凈截面拉斷破壞應采用抗拉強度標準值計算。
由于鋁結構焊接以后強度降低，所以：
1對于在橫截面方向上的焊接，其效果是在局部削弱，形成的極限狀態對應于凈截面拉斷破壞。
2 對于在構件長度方向上的焊接，其效果是在整個截面，形成的極限狀態是屈服破壞，只是截面面積要折減。
所以，對于鋁結構的軸心受拉構件，存在4個極限狀態，2種不同延性破壞。
2.1 美標
美標即使是容許應力法也是采用的極限狀態設計法的表達式，兩者只是最后分項系數的算法有區別而已。
2.2 歐標
2.3 國標
老標準表達式如下：
可見老標準是承襲《鋼結構設計規范》等一直以來都是沿用的蘇聯時代的計算公式，是典型的容許應力法表達式。這種用容許應力法表達式進行極限狀態設計法計算，會造成明顯的概念混淆，而且為了保持可靠度一致，需要引進很多系數調整。是一種削足適履的做法。
式中應力是由凈截面得出，設計指標是屈服強度/“材料分項系數”。可見老標準的公式只有一個極限狀態，這明顯是不合適的。這個表達式是典型的容許應力法表達式，概念上也是不合適的。
《鋁合金結構技術標準》征求意見稿(以下簡稱征求意見稿)中計算方法如下：
7.1.1軸心受拉構件，當端部連接及中部拼接處組成截面的各板件都由連接件直接傳力時，其截面強度計算應符合下列規定：
毛截面：
這個算法《鋼結構設計標準》GB 50017-2017(以下簡稱新鋼標)類似，考慮了凈截面拉斷極限狀態。
現在的公式相當于把歐標的公式6.17套到后面的6.18和6.19上去，這種表達比較啰嗦，也不實用，還降低可讀性。是教授而不是工程師視角寫標準。
征求意見稿還是采用的“材料分項系數”，分項系數取值為1.2。很明顯會造成材料浪費。而且即使是浪費材料的情況下，還不安全。
不考慮荷載分項系數差異的情況下：
對凈截面計算，征求求意見稿公式7.1.1-2的安全系數是1.2/0.9=1.333，和美標一致，低于歐標;對焊接則只有1.2，低于美標和歐標。
可見這種“材料分項系數”方法概念上不合適，這種不嚴謹的做法對于低碳鋼這種比較“寬容”的材料問題不是太大。鋁合金這種屈強比高、焊接后強度降低嚴重的材料，情況要復雜得多，問題比較明顯。而且到緊固件連接部分，破壞情況遠比軸拉復雜，問題就更嚴重。
2.4 安全系數分析
不同承載能力極限狀態的破壞延性明顯不同。所以美標和歐標都是對兩種極限狀態取不同的分項系數
對基本組合，國標、美標和歐標的荷載組合對比如下：
可見對于國內鋁結構的主要應用—門窗和幕墻來說，整體上美標比歐標有更高的總體安全系數。對于常規構件兩者相差很小。對于橫截面上焊接構件，美標的安全系數明顯高于歐標，對于縱向焊縫的構件，美標熱影響區有0.9的折減系數，安全度也明顯更高。
另外美標LRFD的分項系數是乘以小于1的數(0.9和0.75)，歐標和國標都是除以大于1的數。運算上乘法比除法更方便，電算效率也會更高。
國標的抗震組合明顯高于國外標準，但是不同于國外中震設防，國標以小震為設防烈度，而且通過大量的構造做法和系數進行調整。對幕墻，地震作用基本都不起控制作用。
2.5 關于屈強比
廣泛應用的低碳鋼的屈服強度/抗拉強度=235/375=0.627，倒數為1.59。如果用老標準計算這種屈強比低的材料，會造成材料浪費。
鋁合金材料的屈強比總體上要高于低碳鋼，以應用最普遍的6061-T6（詞條“6061-T6”由行業大百科提供）為例，屈強比為240/260=0.923，則無論按歐標還是美標，在凈截面都不安全。對于屈強比更高的材料，問題就更嚴重。
因此，本次標準修改的計算方法是很有必要的。
2.6 凈截面-剪切（詞條“剪切”由行業大百科提供）遲滯效應：
2.6.1 征求意見稿
7.1.3軸心受拉構件和軸心受壓構件，當其組成板件在節點或拼接處并非全部直接傳力時，應將危險截面的面積乘以有效截面系數η，不同構件截面形式和連接方式的η值應符合表7.1.3的規定。
2.6.2 美標
美標給出了公式，條文說明有理論出處和解釋。正文如下：
2.6.3 歐標
在附錄K中有3頁半的很詳盡的計算規定。
2.6.4 三個標準對比
個人認為剪切遲滯是很重要的，國標的規定過于簡略，有的時候過于保守，有的時候很不安全。歐標的內容有點太細、太多，工程設計應用有難度。美標的比較簡單的表達式，應該也是夠用的，而且工程應用也較方便。
2.7 凈截面-螺栓孔削弱
國標考慮了摩擦型高強螺栓的孔前傳力情況，歐標和美標都沒有，這方面我需要深入了解，不知各位專家有何高見。
螺栓錯列排列和角鋁螺栓連接情況，國標沒有規定，歐標和美標有詳細規定，對比如下：
2.7.1 美標的規定
J.1.3每個構件的凈截面積為每個構件的厚度和最小凈寬度的乘積之和。對沖成孔直徑要在鉆孔或擴孔公稱直徑基礎上加上0.8mm;對角線或之字線上布置的孔(圖J.1.3-1)，凈截面為粗截面減去孔鏈上所有孔寬度之和并在每個孔-孔斜連接間隙加上構件縱向兩個連續孔的中心距離s的平方，除以構件橫向上緊固件連接成的直線上孔中心距離g的4倍。塞焊或角縫隙焊縫中的焊接金屬不應包括在凈面積內。
s-構件縱向兩個連續孔的中心距離;g-構件橫向上緊固件連接成的直線上孔中心距離
角鋁構件縱向的孔在相對兩個肢上(圖J.1.3-2)，構件截面的長度應將兩個邊長相加減去孔的直徑，截面厚度取較薄的肢的厚度。
2.7.2 歐標的規定：
在多于一個平面上有孔的角鋁或其他構件上，距離p應該沿材料厚度的中心線計算。實際工程設計時，需要先做圖得到中心線，再算長度，相當麻煩。
2.7.3 幾個標準對比
螺栓錯列排列和角鋁螺栓連接情況，國標沒有規定，歐標和美標都采用了s2/4g規則。
歐標圖文并茂，表達比較清楚，比美標多了一個0.65s的驗算。這個計算的效果在螺栓間距在3~4.2倍孔徑時有效果。實際工程影響比較小。
美標考慮了沖孔（詞條“沖孔”由行業大百科提供）加0.8mm，這是因為沖孔要采用陰陽模，必然會在陰模側(背面)造成孔徑加大，這點更合理。美標條文采用文字描述比較簡略，但是條文說明給出了條文說明和理論依據，可以找到相關的參考文獻研究清楚。這是條文說明的優勢所在。
對于角鋼，歐標采用中心線計算，理論上更精確，但是這在實際工程計算中很麻煩。美標直接采用外邊尺寸計算，計算簡便，但是誤差稍大。對于薄壁角鋼，兩者差別很小，厚壁差別較大。
這個對比清楚地反映了幾個標準的區別。
美標算法簡單方便，考慮了加工工藝造成的結構影響;歐標算法繁復，理論上更精確，但沒有考慮工藝問題。對大多數工程兩者差別很小。國標只有主要公式，細一點的都沒有。
美標的手冊型編寫方法，條文說明和例題對標準分層次進行解釋，很方便理解。
國標比較粗略，內容不足，做復雜點的工程設計還是要參考國外標準等相關資料或輔以相關的設計手冊(鋁結構方面的國內還沒有)才行。
3 標準對比-螺栓連接
3.1 概述
征求意見稿沿用了鋼結構設計規范的做法，也繼承了它的問題。
國內標準螺栓強度指標一直很亂。抗拉還號稱考慮了20%的撬力—這個做法很不合理，有的時候不夠，有的時候明顯會太保守。
鋁結構常用的不銹鋼螺栓國內也沒有像樣的試驗研究，國內各標準強度指標，與材料的國標和歐標差異很大。
3.2 普通螺栓
3.2.1 美標
美標普通螺栓分受拉、受剪、承壓破壞三個極限狀態：
3.2.2 國標
3.2.3 對比分析
螺栓抗剪存在螺紋的影響，這在《鋼結構設計標準》沒有體現。按老鋼規條文說明是和我們的試驗粗糙沒有考慮螺紋，相當于簡單粗暴的降低螺栓強度指標包住螺紋削弱的影響。征求意見稿考慮了螺紋的強度折減，但是由于螺栓強度指標照搬了《鋼結構設計標準》里面的內容，會造成螺紋處螺栓強度取值偏低過于保守。
征求意見稿承壓計算比較簡略。承壓強度/抗拉強度系數為300*1.2/260=1.38.美標系數為2差異過大。美標包含長圓孔的承壓計算和邊距計算，都是國標所沒有的。
3.3 滑移控制螺栓連接
3.3.1 美標
材料、構造、計算方法引用的是Research Council on Structural Connections (RCSC) 協會的《Specification for Structural Joints Using High Strength Bolts》2014版(2015局部更正，以下簡稱RCSC2014)，是英制單位，RCSC2014中的內容很多，有98頁，對材料、安裝、設計、計算、檢驗等都有非常詳盡的規定，其公式簡要介紹如下：
剪切面在螺紋處折減系數0.8;受拉螺紋應力面積系數0.75。算法雖然精度差點，但是比較簡單方便實用，不用再去查有效螺紋面積表了。
美標的一大好處是寫明了理論出處和參考文獻，遇到復雜的連接如栓焊混合連接可直接找到參考文獻進行設計。
3.3.2 歐標
剪切連接
受拉連接
3.3.3 國標
承壓型高強螺栓連接存在兩個極限狀態：正常使用極限狀態對應于摩擦面開始滑移;承載能力極限狀態對應于螺桿、承壓面等破壞。我國標準只考慮了承載能力極限狀態。
在螺栓受拉過程中，由于卸載效應，螺栓的拉力增加很少。鋼結構規范里面0.8的折減有點過于保守。
10.1.2 2 在螺栓桿軸方向受拉的連接中，每個高強度螺栓的承載力設計值按下式計算：
3.3.4 對比分析：
預緊力和受拉
美標和歐標規定預緊力為抗拉強度的70%，美標考慮0.65的安全系數為抗拉強度的0.455，歐標考慮1.25為0.56。新鋼標為60%。整體抗拉為0.6*0.8=0.48。國標預緊力偏小。抗拉安全系數介于歐標和美標之間。
3.4 對比分析
美標的緊固件連接部分內容較多、很全面。歐標相對簡單，國標內容較少。結構設計中，其實構件計算花不了多少時間，也較少遇到解決不了的難題，花時間最多、最容易出問題的其實是節點。從實用角度看，這一點上我們應該多向美標學習。
3.4.1 安全系數分析
不同承載能力極限狀態的破壞延性明顯不同。所以美標和歐標都是對兩種極限狀態取不同的分項系數。下表中美標以LRFD計算。征求意見稿各個不同的螺栓各指標有差異，且里面有撬力的因素在里面，難以得出簡單的安全系數規律。
4 結論與建議
我認為概念清晰、安全可靠、易讀、易用是衡量一本標準好壞的金標準。
標準不是論文。標準的成功與否是要看有用標準的時候好不好用，多少人、有多少工程在用這本標準。
三本標準各有千秋。美標是以工程設計人員視角寫的手冊，公式簡潔明了，運用方便。從設計師的視角看，美標堪稱結構標準的典范。歐洲標準內容更學院派一些，工藝方面的考慮少一些，實用性差一些。歐標和美標都是很成熟、編寫水平很高的標準。國內標準比較有中國特色。
可靠度指標上，總體上美標高于歐標。老國標的總體可靠度指標高于美標，但具體構件和連接存在不夠安全的情況。征求意見稿的構件計算安全系數接近于美標，螺栓連接安全系數不好衡量。
5 參考文獻
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