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摘要：对中国铝结构标准与国外标准进行了对比研究：对各国标准的总体编排、表达方式、编制手法进行了对比分析，美标以方便工程设计应用的易读、易用为尺度进行编写，为结构标准的典范。
对各标准的法律地位、全球范围内的应用范围和影响力进行了对分析，美标和英标、欧洲标准应用最广。
对中外标准极限状态设计法进行了对比，美标和欧标是严格按照极限状态设计法编写，即使是美标的容许应力法也是基于极限状态的，相当于变形的极限状态设计法。
按照极限状态设计法，对中国标准的“材料分项系数”计算方法进行了探讨，这种表达方式概念不清，不利于针对不同极限状态确定不同的分项系数。
对中外标准的轴心受拉构件的净截面计算规则、承载力计算方法、安全系数进行对比;国外标准比较全面具体，国内标准比较粗略且个别情况存在不够安全的情况。
中外标准普通螺栓和高强螺栓（词条“高强螺栓”由行业大百科提供）连接的极限状态、计算方法、安全系数对比分析，中国标准的螺栓强度取值比较混乱，高强螺栓滑移控制连接极限状态不够全面。
关键词：螺栓连接;轴心受拉;净截面;滑移控制连接;可靠度（词条“可靠度”由行业大百科提供）;材料分项系数
在世界范围内，铝结构最为广泛的应用在了建筑门窗（词条“建筑门窗”由行业大百科提供）幕墙领域，而作为一名幕墙设计师，有幸参与《铝合金结构技术标准》(现在为征求意见稿阶段，以下简称征求意见稿)的编制工作。编制过程中，结合之前在海外工作的一点经验，深入比较了中国、欧盟和北美铝结构标准如下。
1 三个标准简介
1.1 美标
美国通用的铝结构标准是The Aluminum Association (AA) 出版的《ALUMINUM DESIGN MANUAL 2015》,以下简称美标。美标的编写方式和公式、极限状态、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。两者的出版时间也基本同步，都是差不多5年更新一个版本，都是结构行业最新技术的集大成者，引领国际钢结构和铝结构发展潮流。和AISC 360一样，美标同时包含了公制和英制两种单位制、容许应力设计法(ASD)和极限状态设计法(LRFD)。两本标准的两种设计法的可靠度指标基本一致。容许应力设计法实际上也是根据不同的极限状态设计法给出相应的安全系数，和极限状态设计法的计算公式一致，只是极限状态设计法采用分项系数，容许应力法采用安全系数。
美标中最主要的是下列内容：PART I Specification for Aluminum Structures、PART II Commentary on the Specification for Aluminum Structures、PART III Design Guide、Part VII Illustrative Examples分别是技术要求、条文说明、设计指南(主要是例题)。这三部分的编写都很经典、很详细。美标的编写特点主要是易读和易用。这从美标的名字(中文名为：铝(结构)设计手册)上就能看出来，他们是按设计手册的思路编写的。条文看不懂可以看条文说明，条文说明还看不懂也没关系，后面还有例题。基本上可以在完全不了解美国标准的情况下不借助其他参考书就可以轻松读懂并应用于工程实践。
幕墙用铝合金结构紧固件连接设计部分的内容也可以使用的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)，其内容更详细。
1.2 英标和欧标
欧洲铝结构方面的标准影响力比较大的是英国国家标准BS 8118-1-1991《Structuraluse of aluminiumPart 1: Code of practice for design》。但是在1991版以后就没有更新了，转而使用欧盟标准。
欧盟铝合金结构方面的标准有BS EN 1999-1-1：2007《Eurocode 9: Design of aluminium structures —Part 1-1: General structural rules》(以下简称欧标，有2013局部更正版)，其范围和BS 8118基本相同，内容也一脉相承。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)，主要针对冷成型铝板结构。两者的关系类似于国内的钢结构规范和冷弯薄壁型钢规范。
欧标没有条文说明和例题，比较复杂的内容通过大量的附录表达。标准不如美标简洁，对工程设计应用考虑不如美标周全，设计应用不方便。
1.3 国标
国内铝合金在建筑上的应用起步于80年代，用于门窗幕墙。但是发展迅速，目前是世界第一铝生产和应用大国。但是和其他的如钢结构和混凝土一样，铝结构在我国的研究水平和先进水平还有很大差距。JGJ102-96《玻璃幕墙工程技术规范》是国内第一部包含铝结构计算的标准，主要内容参照了87版钢结构规范的构件计算部分。GB50429-2007《铝合金结构设计规范》(以下简称老标准)是国内第一部专门的铝结构规范，是基于国内的试验研究，主要参考了BS8118-1-1991《Structuraluse of aluminiumPart 1: Code of practice for design》和GB50017《钢结构设计规范》-2003，并添加了部分中国特色的内容。老标准相比于《玻璃幕墙工程技术规范》算法上改进明显，引入了屈曲后强度和有效截面等概念，包含了焊接部分和结构体系部分内容。和其他国内标准一样，老国标也是春秋笔法、微言大义，有的人要么看不懂，要么各有各的理解。
1.4 法律地位和标准的影响范围
美标是一部团体标准，但是按英美法律体系，团体标准和国家标准都属于推荐性标准，两者法律地位相同，所以评判用什么标准是以市场接受度为原则，很少会考虑是不是国家标准。法律地位上英标和欧标都是“国家标准”，但执行约束力上和国标有较大区别。按英标和欧标设计如果出现标准错误导致的工程事故不能免除工程师的法律责任。这和国标作为设计正确与否的依据有根本区别。
国标有强制性条文，还有很多地方有图纸审查，司法鉴定国标是硬指标，这都是中国不同于世界上其他国家的地方。这造成国标在中国的约束力很强。
我国的建筑结构标准的编制在70年代末才起步，同样国际上还是有很多国家自己没有制定标准，还有很多国家制定了一小部分标准。就像我国长期使用苏联标准一样，这些国家长期使用其他国家标准和ISO等国际标准。各个前殖民地国家会延续之前的习惯继续使用宗主国的标准，如菲律宾使用美国标准，中东地区使用英国标准、非洲部分国家使用法国标准等。同时，一些编制水平较高、体系比较健全的标准在这些国家也是广泛接受的，比如中东地区和香港这些前英国殖民地也接受使用美标。中国标准由于水平有限，中国特色鲜明、其他国家标准差异较大，极少有工程应用。
1.5 极限状态设计法、“材料分项系数”和容许应力法表达式
GB 50009 – 2012《建筑结构荷载规范》(以下简称荷载规范)3.2.2的公式其实是和欧洲标准、美国标准一致的：
按可靠度理论，应该是通过分项系数(partialsafetyfactor，部分安全系数)调整不同的重要性、效应和抗力。对于抗力，应该是按极限状态设计法设计，也就是是不同的极限状态应该有不同的分项系数。
和其他中国结构标准一样，新钢标和老标准里面用钢材（词条“钢材”由行业大百科提供）和铝合金的强度标准值除以“材料分项系数”给出了设计强度。这个做法在概念上并不妥当：材料已经按概率取了标准值了，根本就不应该考虑分项系数了。
极限状态设计法的极限状态有多种，破坏延性和危险性显然不同，那么分项系数应该是对应的极限状态的分项系数，最后得到总的结构可靠度。采用“材料分项系数”意味着对同一材料，每个极限状态都用统一的分项系数，这显然会造成有的过于保守，有的不够安全。这是中国标准和其他国家的显著不同。
2 标准对比-以轴心受拉构件
轴心受拉构件有两个承载能力极限状态：
1毛截面屈服破坏; 2 净截面拉断破坏
这是由于净截面通常在整个构件长度上只存在一小段，净截面的屈服伸长造成的构件伸长较小，因此净截面屈服在并不是承载能力极限状态。因此，对于毛截面屈服破坏应采用屈服强度标准值，对于净截面拉断破坏应采用抗拉强度标准值计算。
由于铝结构焊接以后强度降低，所以：
1对于在横截面方向上的焊接，其效果是在局部削弱，形成的极限状态对应于净截面拉断破坏。
2 对于在构件长度方向上的焊接，其效果是在整个截面，形成的极限状态是屈服破坏，只是截面面积要折减。
所以，对于铝结构的轴心受拉构件，存在4个极限状态，2种不同延性破坏。
2.1 美标
美标即使是容许应力法也是采用的极限状态设计法的表达式，两者只是最后分项系数的算法有区别而已。
2.2 欧标
2.3 国标
老标准表达式如下：
可见老标准是承袭《钢结构设计规范》等一直以来都是沿用的苏联时代的计算公式，是典型的容许应力法表达式。这种用容许应力法表达式进行极限状态设计法计算，会造成明显的概念混淆，而且为了保持可靠度一致，需要引进很多系数调整。是一种削足适履的做法。
式中应力是由净截面得出，设计指标是屈服强度/“材料分项系数”。可见老标准的公式只有一个极限状态，这明显是不合适的。这个表达式是典型的容许应力法表达式，概念上也是不合适的。
《铝合金结构技术标准》征求意见稿(以下简称征求意见稿)中计算方法如下：
7.1.1轴心受拉构件，当端部连接及中部拼接处组成截面的各板件都由连接件直接传力时，其截面强度计算应符合下列规定：
毛截面：
这个算法《钢结构设计标准》GB 50017-2017(以下简称新钢标)类似，考虑了净截面拉断极限状态。
现在的公式相当于把欧标的公式6.17套到后面的6.18和6.19上去，这种表达比较啰嗦，也不实用，还降低可读性。是教授而不是工程师视角写标准。
征求意见稿还是采用的“材料分项系数”，分项系数取值为1.2。很明显会造成材料浪费。而且即使是浪费材料的情况下，还不安全。
不考虑荷载分项系数差异的情况下：
对净截面计算，征求求意见稿公式7.1.1-2的安全系数是1.2/0.9=1.333，和美标一致，低于欧标;对焊接则只有1.2，低于美标和欧标。
可见这种“材料分项系数”方法概念上不合适，这种不严谨的做法对于低碳钢这种比较“宽容”的材料问题不是太大。铝合金这种屈强比高、焊接后强度降低严重的材料，情况要复杂得多，问题比较明显。而且到紧固件连接部分，破坏情况远比轴拉复杂，问题就更严重。
2.4 安全系数分析
不同承载能力极限状态的破坏延性明显不同。所以美标和欧标都是对两种极限状态取不同的分项系数
对基本组合，国标、美标和欧标的荷载组合对比如下：
可见对于国内铝结构的主要应用—门窗和幕墙来说，整体上美标比欧标有更高的总体安全系数。对于常规构件两者相差很小。对于横截面上焊接构件，美标的安全系数明显高于欧标，对于纵向焊缝的构件，美标热影响区有0.9的折减系数，安全度也明显更高。
另外美标LRFD的分项系数是乘以小于1的数(0.9和0.75)，欧标和国标都是除以大于1的数。运算上乘法比除法更方便，电算效率也会更高。
国标的抗震组合明显高于国外标准，但是不同于国外中震设防，国标以小震为设防烈度，而且通过大量的构造做法和系数进行调整。对幕墙，地震作用基本都不起控制作用。
2.5 关于屈强比
广泛应用的低碳钢的屈服强度/抗拉强度=235/375=0.627，倒数为1.59。如果用老标准计算这种屈强比低的材料，会造成材料浪费。
铝合金材料的屈强比总体上要高于低碳钢，以应用最普遍的6061-T6（词条“6061-T6”由行业大百科提供）为例，屈强比为240/260=0.923，则无论按欧标还是美标，在净截面都不安全。对于屈强比更高的材料，问题就更严重。
因此，本次标准修改的计算方法是很有必要的。
2.6 净截面-剪切（词条“剪切”由行业大百科提供）迟滞效应：
2.6.1 征求意见稿
7.1.3轴心受拉构件和轴心受压构件，当其组成板件在节点或拼接处并非全部直接传力时，应将危险截面的面积乘以有效截面系数η，不同构件截面形式和连接方式的η值应符合表7.1.3的规定。
2.6.2 美标
美标给出了公式，条文说明有理论出处和解释。正文如下：
2.6.3 欧标
在附录K中有3页半的很详尽的计算规定。
2.6.4 三个标准对比
个人认为剪切迟滞是很重要的，国标的规定过于简略，有的时候过于保守，有的时候很不安全。欧标的内容有点太细、太多，工程设计应用有难度。美标的比较简单的表达式，应该也是够用的，而且工程应用也较方便。
2.7 净截面-螺栓孔削弱
国标考虑了摩擦型高强螺栓的孔前传力情况，欧标和美标都没有，这方面我需要深入了解，不知各位专家有何高见。
螺栓错列排列和角铝螺栓连接情况，国标没有规定，欧标和美标有详细规定，对比如下：
2.7.1 美标的规定
J.1.3每个构件的净截面积为每个构件的厚度和最小净宽度的乘积之和。对冲成孔直径要在钻孔或扩孔公称直径基础上加上0.8mm;对角线或之字线上布置的孔(图J.1.3-1)，净截面为粗截面减去孔链上所有孔宽度之和并在每个孔-孔斜连接间隙加上构件纵向两个连续孔的中心距离s的平方，除以构件横向上紧固件连接成的直线上孔中心距离g的4倍。塞焊或角缝隙焊缝中的焊接金属不应包括在净面积内。
s-构件纵向两个连续孔的中心距离;g-构件横向上紧固件连接成的直线上孔中心距离
角铝构件纵向的孔在相对两个肢上(图J.1.3-2)，构件截面的长度应将两个边长相加减去孔的直径，截面厚度取较薄的肢的厚度。
2.7.2 欧标的规定：
在多于一个平面上有孔的角铝或其他构件上，距离p应该沿材料厚度的中心线计算。实际工程设计时，需要先做图得到中心线，再算长度，相当麻烦。
2.7.3 几个标准对比
螺栓错列排列和角铝螺栓连接情况，国标没有规定，欧标和美标都采用了s2/4g规则。
欧标图文并茂，表达比较清楚，比美标多了一个0.65s的验算。这个计算的效果在螺栓间距在3~4.2倍孔径时有效果。实际工程影响比较小。
美标考虑了冲孔（词条“冲孔”由行业大百科提供）加0.8mm，这是因为冲孔要采用阴阳模，必然会在阴模侧(背面)造成孔径加大，这点更合理。美标条文采用文字描述比较简略，但是条文说明给出了条文说明和理论依据，可以找到相关的参考文献研究清楚。这是条文说明的优势所在。
对于角钢，欧标采用中心线计算，理论上更精确，但是这在实际工程计算中很麻烦。美标直接采用外边尺寸计算，计算简便，但是误差稍大。对于薄壁角钢，两者差别很小，厚壁差别较大。
这个对比清楚地反映了几个标准的区别。
美标算法简单方便，考虑了加工工艺造成的结构影响;欧标算法繁复，理论上更精确，但没有考虑工艺问题。对大多数工程两者差别很小。国标只有主要公式，细一点的都没有。
美标的手册型编写方法，条文说明和例题对标准分层次进行解释，很方便理解。
国标比较粗略，内容不足，做复杂点的工程设计还是要参考国外标准等相关资料或辅以相关的设计手册(铝结构方面的国内还没有)才行。
3 标准对比-螺栓连接
3.1 概述
征求意见稿沿用了钢结构设计规范的做法，也继承了它的问题。
国内标准螺栓强度指标一直很乱。抗拉还号称考虑了20%的撬力—这个做法很不合理，有的时候不够，有的时候明显会太保守。
铝结构常用的不锈钢螺栓国内也没有像样的试验研究，国内各标准强度指标，与材料的国标和欧标差异很大。
3.2 普通螺栓
3.2.1 美标
美标普通螺栓分受拉、受剪、承压破坏三个极限状态：
3.2.2 国标
3.2.3 对比分析
螺栓抗剪存在螺纹的影响，这在《钢结构设计标准》没有体现。按老钢规条文说明是和我们的试验粗糙没有考虑螺纹，相当于简单粗暴的降低螺栓强度指标包住螺纹削弱的影响。征求意见稿考虑了螺纹的强度折减，但是由于螺栓强度指标照搬了《钢结构设计标准》里面的内容，会造成螺纹处螺栓强度取值偏低过于保守。
征求意见稿承压计算比较简略。承压强度/抗拉强度系数为300*1.2/260=1.38.美标系数为2差异过大。美标包含长圆孔的承压计算和边距计算，都是国标所没有的。
3.3 滑移控制螺栓连接
3.3.1 美标
材料、构造、计算方法引用的是Research Council on Structural Connections (RCSC) 协会的《Specification for Structural Joints Using High Strength Bolts》2014版(2015局部更正，以下简称RCSC2014)，是英制单位，RCSC2014中的内容很多，有98页，对材料、安装、设计、计算、检验等都有非常详尽的规定，其公式简要介绍如下：
剪切面在螺纹处折减系数0.8;受拉螺纹应力面积系数0.75。算法虽然精度差点，但是比较简单方便实用，不用再去查有效螺纹面积表了。
美标的一大好处是写明了理论出处和参考文献，遇到复杂的连接如栓焊混合连接可直接找到参考文献进行设计。
3.3.2 欧标
剪切连接
受拉连接
3.3.3 国标
承压型高强螺栓连接存在两个极限状态：正常使用极限状态对应于摩擦面开始滑移;承载能力极限状态对应于螺杆、承压面等破坏。我国标准只考虑了承载能力极限状态。
在螺栓受拉过程中，由于卸载效应，螺栓的拉力增加很少。钢结构规范里面0.8的折减有点过于保守。
10.1.2 2 在螺栓杆轴方向受拉的连接中，每个高强度螺栓的承载力设计值按下式计算：
3.3.4 对比分析：
预紧力和受拉
美标和欧标规定预紧力为抗拉强度的70%，美标考虑0.65的安全系数为抗拉强度的0.455，欧标考虑1.25为0.56。新钢标为60%。整体抗拉为0.6*0.8=0.48。国标预紧力偏小。抗拉安全系数介于欧标和美标之间。
3.4 对比分析
美标的紧固件连接部分内容较多、很全面。欧标相对简单，国标内容较少。结构设计中，其实构件计算花不了多少时间，也较少遇到解决不了的难题，花时间最多、最容易出问题的其实是节点。从实用角度看，这一点上我们应该多向美标学习。
3.4.1 安全系数分析
不同承载能力极限状态的破坏延性明显不同。所以美标和欧标都是对两种极限状态取不同的分项系数。下表中美标以LRFD计算。征求意见稿各个不同的螺栓各指标有差异，且里面有撬力的因素在里面，难以得出简单的安全系数规律。
4 结论与建议
我认为概念清晰、安全可靠、易读、易用是衡量一本标准好坏的金标准。
标准不是论文。标准的成功与否是要看有用标准的时候好不好用，多少人、有多少工程在用这本标准。
三本标准各有千秋。美标是以工程设计人员视角写的手册，公式简洁明了，运用方便。从设计师的视角看，美标堪称结构标准的典范。欧洲标准内容更学院派一些，工艺方面的考虑少一些，实用性差一些。欧标和美标都是很成熟、编写水平很高的标准。国内标准比较有中国特色。
可靠度指标上，总体上美标高于欧标。老国标的总体可靠度指标高于美标，但具体构件和连接存在不够安全的情况。征求意见稿的构件计算安全系数接近于美标，螺栓连接安全系数不好衡量。
5 参考文献
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