干货丨2022年版美国荷载标准介绍（抗震）
干货丨2022年版美国荷载标准介绍（抗震）
gongyejianzhu
《工业建筑》创刊于1964年，是一本综合性建筑科学类科技期刊，报道内容涵盖土木建筑领域的主要学科，包括建筑学、建筑结构、岩土工程、建筑材料、建筑施工五大专业。
以下文章来源于土木吧 ，作者Llc
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2022年版美国荷载标准介绍（抗震）
2022年版美国荷载标准 ASCE 7-22 （Minimum Design Loads and Associated Criteria
for Buildings and Other Structures 建、构筑物最小设计荷载及相关规定）已正式在年初出版生效了。为方便有关人员使用，将分抗震和风荷载两部分来介绍本标准的主要内容及重要修改。
首先介绍与抗震有关的内容。ASCE 7-22有实质性内容的章节总共有29个，其中与抗震有关的有13个，它们分别是：
11 SEISMIC DESIGN CRITERIA 抗震设计准则
12 SEISMIC DESIGN REQUIREMENTS FOR BUILDING STRUCTURES 建筑物抗震设计要求
13 SEISMIC DESIGN REQUIREMENTS FOR NONSTRUCTURAL COMPONENTS 非结构构件抗震设计要求
14 MATERIAL-SPECIFIC SEISMIC DESIGN AND DETAILING REQUIREMENTS 与材料有关的抗震设计和详细构造要求
15 SEISMIC DESIGN REQUIREMENTS FOR NONBUILDING STRUCTURES 构筑物抗震设计要求
16 NONLINEAR RESPONSE HISTORY ANALYSIS 非线性时程分析
17 SEISMIC DESIGN REQUIREMENTS FOR SEISMICALLY ISOLATED STRUCTURES 隔震结构抗震设计要求
18 SEISMIC DESIGN REQUIREMENTS FOR STRUCTURES WITH DAMPING SYSTEMS 具有阻尼系统的结构抗震设计要求
19 SOIL–STRUCTURE INTERACTION FOR SEISMIC DESIGN 抗震设计时地基与上部结构的相互作用
20 SITE CLASSIFICATION PROCEDURE FOR SEISMIC DESIGN 抗震设计时场地土分类方法
21 SITE-SPECIFIC GROUND MOTION PROCEDURES FOR SEISMIC DESIGN 特定场地地震动参数的确定
22 SEISMIC GROUND MOTION AND LONG-PERIOD TRANSITION MAPS 地震动参数及长周期过渡图
23 SEISMIC DESIGN REFERENCE DOCUMENTS 抗震设计参考资料
ASCE 7-22抗震设计目标：
1. Avoid serious injury and life loss due to 避免因下面三种情况而引起的重大人员伤亡：
a. Structure collapse 结构倒塌；
b. Failure of nonstructural components or systems 非结构构件或系统的损坏；
c. Release of hazardous materials 有害物的泄露。
2. Preserve means of egress 保持疏散通道的畅通。
3. Avoid loss of essential functions in critical facilities 避免关键设施基本功能失效。
4. Reduce structural and nonstructural repair costs where practicable. 尽可能减少结构和非结构的维修费用。
不同抗震类别结构的最大倒塌目标概率见表1。
表1
ASCE 7-22范围：
ASCE 7本身是荷载标准，它包括恒载、活载、风载、雪载的计算，也包括龙卷风、海啸、地震等作用的确定，集荷载与作用为一体，无论是上一层的MODEL CODE（IBC或 NFPA 5000），还是下一层的各种材料规范（如ACI、 AISC等）都统一采用ASCE 7进行荷载计算及组合。同时ASCE 7也包括了一些与荷载特别是与抗震有关的具体规定。ASCE 7 不仅适用于建筑物，它也适用于除核设施、桥梁、水工等少数行业外的大多数构筑物的设计。第12章是关于建筑物的抗震设计要求，而第15章是关于构筑物的抗震设计要求。第15章详细内容如下：
15 SEISMIC DESIGN REQUIREMENTS FOR NONBUILDING STRUCTURES 构筑物抗震设计要求
15.1 General 概述
15.1.1 Nonbuilding Structures 构筑物
15.1.2 Design 设计
15.1.3 Structural Analysis Procedure Selection 结构分析方法选择
15.1.4 Nonbuilding Structures Sensitive to Vertical Ground Motions 对竖向地震敏感的构筑物
15.2 Nonbuilding Structures Connected by Nonstructural Components to other Adjacent Structures 由非结构构件互联的构筑物
15.3 Nonbuilding Structures Supported by Other Structures 由其他结构支撑的构筑物
15.4 Structural Design Requirements 结构设计要求
15.4.1 Design Basis 设计基础
15.4.2 Rigid Nonbuilding Structures 刚性构筑物
15.4.3 Loads 荷载
15.4.4 Fundamental Period 基本周期
15.4.5 Drift Limit 侧移限值
15.4.6 P-Delta P-Delta效应
15.4.7 Drift, Deflection, and Structure Separation 侧移、变形及结构隔离
15.4.8 Site-Specific Response Spectra 特定场地反应谱
15.4.9 Anchors in Concrete or Masonry 在混凝土或砌体中的锚固
15.4.10 Requirements for Nonbuilding Structure Foundations on Liquefiable Sites 对液化场地构筑物基础的要求
15.4.11 Material Requirements 材料要求
15.5 Nonbuilding Structures Similar to Buildings 类似于建筑物的构筑物
15.5.1 General 概述
15.5.2 Pipe Racks 管廊
15.5.3 Storage Racks 储物支架
15.5.4 Electrical Power-Generating Facilities 发电设施
15.5.5 Structural Towers for Tanks and Vessels 罐、容器支架
15.5.6 Piers and Wharves 码头
15.6 General Requirements for Nonbuilding Structures not Similar to Buildings 非类似于建筑物的构筑物
15.6.1 Earth-Retaining Structures 挡土结构
15.6.2 Trussed Towers, Chimneys, and Stacks 桁架式塔架、烟囱
15.6.3 Amusement Structures 游乐结构
15.6.4 Special Hydraulic Structures 特种水工结构
15.6.5 Secondary Containment Systems 围堰系统
15.6.6 Telecommunication Towers 通讯塔
15.6.7 Steel Tubular Support Structures for Onshore Wind Turbine Generator Systems 陆上风力发电系统管式支撑结构
15.6.8 Ground-Supported Cantilever Walls or Fences 地面上悬臂墙或围栏
15.6.9 Reinforced Concrete Tabletop Structure for Rotating Equipment and Process Vessels or Drums 动力设备及工艺容器桌型混凝土支撑结构
15.6.10 Steel Lighting System Support Pole Structures 照明用钢支杆结构
15.7 Tanks and Vessels 罐与容器
15.7.1 General 概述
15.7.2 Design Basis 设计基础
15.7.3 Strength and Ductility 强度与延性
15.7.4 Flexibility of Piping Attachments 管道连接的柔性
15.7.5 Anchorage 锚固
15.7.6 Ground-Supported Storage Tanks for Liquids 地面支撑的液体储罐
15.7.7 Water Storage and Water Treatment Tanks and Vessels 水及水处理储罐及容器
15.7.8 Petrochemical and Industrial Tanks and Vessels Storing Liquids 石化及工业液体储罐及容器
15.7.9 Ground-Supported Storage Tanks for Granular Materials 地面支撑的粒料储罐
15.7.10 Elevated Tanks and Vessels for Liquids and Granular Materials 高架液体及粒料储罐和容器
15.7.11 Boilers and Pressure Vessels 锅炉及压力容器
15.7.12 Liquid and Gas Spheres 液体和气体球罐
15.7.13 Refrigerated Gas Liquid Storage Tanks and Vessels 液化气储罐及容器
15.7.14 Horizontal, Saddle-Supported Vessels for Liquid or Vapor Storage 水平鞍座式液体或气体容器
建、构筑物风险等级及抗震设计类别：
每个建、构筑物的作用和功能都不相同，应根据其重要性、功能和灾后要求进行风险等级划分，ASCE 7将建、构筑物分为四级，I级主要是那些对人的生命风险很低的建、构筑物，如:农业大棚等，III级主要是那些对国民经济影响很大、可能造成重大人员伤亡的建、构筑物，IV级是指那些具有灾后恢复功能、对国家具有非常重要意义的建、构筑物，而II级建、构筑物是除上述三级之外的其他绝大多数建、构筑物，在ASCE 7表1.5-1及其条文说明中对每个分级都有比较详细的解释。
建、构筑物风险等级的划分具有非常重要的作用，它不仅对确定抗震设计类别有用，而且在计算地震作用力时要按照不同的风险等级采用不同的重要性系数来调整地震作用力的大小，I、II级结构的重要性系数为1.0，而III级为1.25，IV级为1.5，注意这与中国规范是完全不同的。
在按ASCE 7进行抗震设计时，除了对每个建、构筑物要进行风险等级划分外还要对每个建、构筑物按照其风险等级、地震动参数值、场地类别分别赋予一个抗震设计类别（SEISMIC DESIGN CATEGORY，即SDC）。在按ASCE 7进行抗震设计时抗震设计类别是非常重要的，它与结构抗震体系的选择、地震力的计算、抗震构造等都有关系，抗震设计类别分为A、B、C、D、E、F六个，从低到高，抗震要求越来越多、越来越严。A类结构除有很少构造要求外，可不进行抗震设计。而其他五种抗震设计类别的建、构筑物就要严格按照规范要求进行抗震设计了。
地震动加速度的确定及设计反应谱：
基于风险为目标所考虑的最大地震 (MCE R )反应谱所采用的加速度参数 S S 、 S 1 、S MS 和 S M1 在ASCE 7-22中没有全部直接给出，而可根据建、构筑物所在位置、风险等级和场地类别从美国国家地质局网站地震数据库或ASCE 7网站https://asce7hazardtool.online/中查到。注意S MS 和S M1 也不用设计人员来计算，而可直接得到。与以前几个版本ASCE 7一样，ASCE 7-22中的MCE R 基本上还是相当于重现期为2475年的地震（50年超越概率为2%）。设计用加速度 S DS 和 S D1 等于S MS 和 S M1 乘以 2∕3。在一些参考资料中这个 2∕3有各种不同的解释，而官方解释是：由于按MCE R 所设计的结构经实际地震和实验检验其具有大约1.5倍的设计抗倒塌能力，因此对S MS 和S M1 乘以 2∕3后还是能达到不倒塌的要求的。注意在ASCE 7适用的建、构筑物中除了象液化天然气（LNG）设施等极少数结构外都统一采用S S , S 1 来进行设计。
ASCE 7-22与以前版本最大的变化是在地震反应谱中引进了新的多周期反应谱，即直接给出了周期在 0.0 s、 0.01 s、 0.02s、 0.03 s、 0.05 s、0.075 s、 0.1 s、0.15 s、 0.2 s、 0.25 s、 0.3 s、0.4 s、 0.5 s、0.75 s、 1.0 s、 1.5 s、 2.0 s、 3.0 s、4.0 s、 5.0 s、 7.5s 和 10 s共22个周期的加速度值，两个周期之间的可采用线性内插。尽管标准中还保留着原来的两周期反应谱，但规范规定应优先采用多周期反应谱。另外ASCE 7-22也新增加了竖向地震反应谱，在标准要求考虑竖向地震时，可按照此反应谱来计算竖向地震作用。图1是从ASCE 7网站查得的美国某地的抗震设计参数和水平地震反应谱图。
图1
结构体系的选择和设计系数 R, Ω 0 和 C d ：
ASCE 7中对抗震设计最有用的就是表12.2-1：Design Coefficients and Factors for Seismic Force-Resisting Systems抗震体系设计系数。此表几乎包括了所有的建筑物抗震结构体系，设计人员可根据所设计的结构抗震设计类别、高度、材料等选择抗震体系并确定设计系数 R、Ω 0 、C d 以及抗震构造要求。R、Ω 0 、C d 的定义和作用如下：
R（Response modification coefficient）——地震作用调整系数，也称为延性系数，是综合考虑结构延性、材料超强、结构阻尼变化、结构分析误差等因素来减少地震作用的系数，因R是个除数，其值总大于1.
Ω 0 （Overstrength factor）——超强系数，是为保证抗震结构某些关键构件和节点安全而增大其地震作用的系数。
C d （ Deflection amplification factor）——位移扩大系数，是将计算所得到的结构弹性位移扩大到设计地震作用下的结构位移。
图2表明它们之间的相互关系。与中国抗震规范一样，抗震设计除了要计算、调整结构地震作用力和位移外，还要进行抗震构造设计，表12.2-1第二列就给出了所选结构体系构造要求所对应的章节，进而就要引到ACI 318或AISC 341的具体要求了。对于两种不同结构体系在水平向或竖向组合的结构，标准也给出了明确的规定。
图2
在ASCE 7-22中引入了一个新的名词，即扭转不规则系数（Torsional Irregularity Ratio (TIR)）并对平面不规则和竖向不规则判断标准进行了较大的修改，详见规范表12.3-1和12.3-2。
地震作用方向、结构分析方法：
地震作用既要考虑两个正交水平向的地震力，同时也要考虑竖向的地震力，而竖向的地震力要分别考虑向上或向下两种情况。ASCE 7-22对水平向的地震力如何考虑有较大的修改，有两种方法用于不同的情况，一种是单向法，即水平地震力独立作用于两个正交方向的每一个方向，只有抗震设计类别为B和部分C类才可用单向法。另一种方法是双向组合法，取一个水平方向100%另一个水平方向30%的地震力进行组合，抗震设计类别为C（部分）、D、E、F的结构要采用双向组合法，当然也有例外，在某些情况下也可采用单向法。
ASCE 7-22推荐了三种结构分析方法，即等效水平力法（ Equivalent Lateral Force Procedure）、震型反应谱分析法（ Modal Response Spectrum Analysis）、线性时程分析法（ Linear Response History Analysis），当然非线性时程分析法（ Nonlinear Response History Analysis）也可用于所有结构的抗震分析。注意，本次修改取消了对采用等效水平力法的一些限制，工程师可根据结构的具体情况选择合适的分析方法。
结构计算模型及地震有效重量：
结构分析除个别特殊情况外都应采用3D模型，对混凝土和砌体结构还要考虑裂缝对结构刚度的影响，对钢框架结构要考虑节点域变形对结构位移的影响。ASCE 7与中国规范地震力计算有一个较大不同是地震有效重量取值不一样，ASCE 7与中国规范一样凡是恒荷载都应包括在地震有效重量内，而活荷载除规定外一般是不计入地震有效重量的，凡是与结构无可靠固定连接的家具、设备及人员都不计入地震有效重量，也就是说办公、住宅等的楼面活荷载是不参与地震力计算的。这次修改明确了固定在结构上的设备在正常操作工况时，其地震有效重量应包括正常操作时的全部介质重量。
地基及基础：
在确定地震作用力时允许假设结构固结于基础顶面，不考虑地基基础的弹性，这可大大简化计算，但往往加大了地震力。因此在进行结构分析时考虑地基具有一定的弹性是合理的。在确定与地基变形协调的土的剪切模量G时，考虑到土性能的不确定性，G应有一个变化范围，上限为 G(1 + C vs )，下限为 G/(1 + C vs )，C vs 为变化系数，一般取1.0，最小取0.5。在进行地基基础计算时ASCE 7允许对上部的倾覆力进行适当的减小，地基承载力验算既可采用允许应力法也可采用极限承载力法。注意在抗震设计类别为D-F时桩基础要考虑桩的水平和竖向群桩效应，桩间距小于8倍桩直径时要考虑水平向群桩效应，桩间距小于3倍桩直径时要考虑竖向群桩效应。
构筑物抗震设计：
第15章主要是用于构筑物抗震设计，但ASCE 7-22在15章的开始就清楚地说明本章也适用于一些工业建筑物，如用于封闭工艺机械设备、无人长期值守的厂房，像炼钢炼铝厂房、压缩机厂房、泵房、飞机库等正常操作时只有巡检和维修人员出入的建筑物。这些建筑物可按构筑物设计，抗震要求比建筑物有所降低，可按表 15.4-1进行设计。另外电厂的锅炉房等设施也可采用表15.4-1，大大的简化了这些设施的抗震设计要求。
构筑物种类繁多，ASCE 7将其划分为两大类：类似建筑物和非类似建筑物。类似建筑物包括管廊、货架、设备支架等，其抗震结构体系与建筑物是相同的，而非类似建筑物包括的就很广了，从各种罐、塔、烟囱、料仓到动力设备基础、娱乐设施、风力发电机等，也就是说凡是在ASCE 7范围内的构筑物都包括在内，其抗震结构体系与建筑物完全不相同。这些特殊的构筑物除了要按照ASCE 7设计外，很多都有行业的专门设计标准，例如石化就有一本大家常用的标准，即ASCE石化及其他工业设施抗震设计及评估 Seismic Evaluation and Design of Petrochemical and Other Industrial Facilities。对于LNG设施ASCE 7-22要求作为最低标准首先要满足ASCE 7-22，然后再按API 620、NFPA 59A进行抗震设计。本次修改增加了压缩机透平等大型动力设备桌型混凝土支撑结构的抗震设计规定。
抗震性能化设计：
除了可采用常规设计方法外，ASCE 7-22也允许采用性能化方法进行抗震设计，但要满足下面的要求：1.要经过项目所在地有关官员的批准；2.其目标可靠度应符合表2的规定；
表2
3.要经过有关部门批准的并具有相关经验的第三方的独立审查。
隔震和具有阻尼（消能减震）结构的抗震设计：
第17章和18章分别用于隔震结构及阻尼（消能减震）结构的抗震设计，ASCE 7规定任何建筑都可采用隔震或具有阻尼的结构形式。ASCE 7-22对这两章有比较大的修改，隔震结构主要修改为将计算结构底部剪力由设计地震改为MCE R 地震，并且采用与之协调的具有上限和下限值的隔震器刚度及位移来进行计算，放松了采用等效底部剪力法的限制，更重要的是对如何确定隔震器设计参数有了更明确的规定。隔震器是隔震结构的最关键部件，它的质量好坏、对不良环境的抵抗能力、抗老化能力、耐火性能、维护水平等等都影响着它的功能，在建筑物50年的设计生命期内，就看隔震器在可能发生地震时不到1分钟内的表现了！ASCE 7对隔震和阻尼结构的设计审查和产品检验都有非常严格的要求，第三方独立审查人员要从初步设计开始直到详细设计结束都要直接参与，必要时还要参加隔震器样品的实验，对制造厂商也有非常严格的要求，保证其提供给设计的参数与产品性能一致。
关于ASCE 7-22抗震设计的具体内容请感兴趣的朋友详细阅读规范原文，同时要认真阅读相关的条文说明。
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