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歐洲規(guī)范在水泥工廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

常斌

本文基于近年來歐洲規(guī)范在海外多個(gè)水泥工程EPC項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)踐，針對(duì)水泥工廠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總結(jié)了相關(guān)歐洲規(guī)范的應(yīng)用范圍，對(duì)影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析和總結(jié)，并與中國規(guī)范的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些比對(duì)，得出一些概念上的結(jié)論，可為相關(guān)的海外工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

歐洲規(guī)范；水泥工廠；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1　前言

天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司自2011年開始著手歐洲規(guī)范的研究和應(yīng)用工作，2013年以來，已在東南亞、中東、西北非等地區(qū)的幾個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目成功應(yīng)用，歐洲規(guī)范的研究應(yīng)用已取得階段性的成果。本文基于多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)規(guī)范應(yīng)用、荷載取值計(jì)算、抗震設(shè)計(jì)及歐標(biāo)與國標(biāo)的差異等多個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析和總結(jié)，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

2　水泥工廠結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)歐洲規(guī)范

水泥工廠結(jié)構(gòu)按照材料可分為混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)；按照結(jié)構(gòu)類型大致可分為混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼框架（排架、平臺(tái)）結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、大塊式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土筒倉結(jié)構(gòu)等。在各結(jié)構(gòu)類型設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的歐洲規(guī)范見表1。

3　影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題

3.1歐洲規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及方法

（1）采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)。

（2）采用分項(xiàng)系數(shù)檢驗(yàn)法，承載能力極限狀態(tài)應(yīng)用荷載效應(yīng)的基本組合，正常使用極限狀態(tài)分別應(yīng)用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合和準(zhǔn)永久組合，與中國規(guī)范類似。

3.2設(shè)計(jì)荷載

3.2.1地震荷載

（1）設(shè)計(jì)地面加速度確定

歐洲規(guī)范根據(jù)不同地域的地震危害程度劃分地震區(qū)，每個(gè)地震區(qū)用一個(gè)簡單的系數(shù)描述，即A類場地基準(zhǔn)地面峰值加速度agR，該數(shù)值由國家規(guī)范或項(xiàng)目地質(zhì)報(bào)告給出，設(shè)計(jì)地面加速度ag等于agR乘以重要性系數(shù)γⅠ，即ag=γⅠ·agR，γⅠ建議取值見表2。

（2）設(shè)計(jì)反映譜確定

歐洲規(guī)范給出了兩種設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，一般采用類別1反應(yīng)譜，確定了ag及場地類別后即可確定反應(yīng)譜曲線，不同場地類別的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線如圖1。

（3）同等地震加速度條件下歐中規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜線對(duì)比

將歐洲規(guī)范B類場地、ag=0.1g、DCM框架系統(tǒng)（q= 3.9）的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜線與中國規(guī)范設(shè)防烈度7度、設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1g、二類場地的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜線對(duì)比，如圖2所示。

從圖2可以看出，在同等地面加速度的作用下，歐洲規(guī)范DCM框架系統(tǒng)（q=3.9）的反應(yīng)譜值與中國規(guī)范反應(yīng)譜值變化趨勢基本相同，且數(shù)值接近。

（4）反應(yīng)譜曲線計(jì)算公式中的性能系數(shù)q取值

q值是考慮到結(jié)構(gòu)延性對(duì)地震作用的削減而對(duì)地震作用采取的縮減系數(shù)，按照經(jīng)驗(yàn)其一般取值見表3。

（5）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震延性等級(jí)的選擇

歐洲規(guī)范規(guī)定：在低地震影響區(qū)域（ag≤0.08g或agS≤0.1g），結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)為DCL系統(tǒng)。除低地震影響區(qū)域外的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為DCM或DCH系統(tǒng)，歐洲規(guī)范中沒有給出DCM及DCH的選擇與場地地震影響或結(jié)構(gòu)重要性的關(guān)系，并指出結(jié)構(gòu)最終設(shè)計(jì)為何種耗能體系由工程師決定。

為了確定合理的延性等級(jí)，使結(jié)構(gòu)能有效抵抗地震作用，同時(shí)做到盡可能降低工程量，筆者對(duì)多個(gè)工程項(xiàng)目進(jìn)行了總結(jié)，并分別進(jìn)行了多種設(shè)計(jì)條件（多種風(fēng)荷載、地震加速度）下的計(jì)算，對(duì)框架結(jié)構(gòu)延性等級(jí)的選取給出了建議。

多種設(shè)計(jì)條件下的計(jì)算結(jié)果見表4。

從表4可看出：

表1　各結(jié)構(gòu)類型設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的歐洲規(guī)范

圖1　不同場地類別的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線

表2　γⅠ建議取值

（1）當(dāng)風(fēng)荷載起控制作用時(shí)，DCH的高延性構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致工程量增加，此類車間應(yīng)采用DCM延性等級(jí)設(shè)計(jì)。

（2）當(dāng)?shù)卣鸺铀俣戎饾u提高，地震荷載起控制作用時(shí)，DCH的計(jì)算配筋面積可能小于DCM的計(jì)算配筋面積，但DCH的高延性構(gòu)造仍有可能導(dǎo)致工程量增加，選取何種延性體系應(yīng)該結(jié)合計(jì)算和構(gòu)造綜合考慮。

3.2.2風(fēng)荷載

（1）各種結(jié)構(gòu)形式的風(fēng)荷載均可依照EN1991-1-4中的規(guī)定及步驟進(jìn)行計(jì)算，歐洲規(guī)范確定基本風(fēng)速時(shí)的時(shí)距為10min，重現(xiàn)期為50年，與中國規(guī)范相同。

圖2　同等地震加速度條件下歐中規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜線對(duì)比

表3　性能系數(shù)q取值

表4　多種設(shè)計(jì)條件下車間鋼筋量比較

（2）在基本風(fēng)速和風(fēng)壓相同的條件下，按歐洲規(guī)范計(jì)算的風(fēng)荷載與按中國荷載規(guī)范計(jì)算的風(fēng)荷載存在明顯差異，這是導(dǎo)致中、歐規(guī)范設(shè)計(jì)工程量差異的主要原因之一，需要引起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師的注意。以下以水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明，計(jì)算結(jié)果見表5、表6、表7。

從表7可以看出，在結(jié)構(gòu)底層歐洲規(guī)范的風(fēng)荷載是中國規(guī)范的3倍左右，從下至上差異逐漸減小，但最頂層的差異也在2倍左右。

3.3.3荷載組合

EN1990中規(guī)定的荷載組合公式見式（1），但允許按照式（2）和式（3）的不利情況進(jìn)行荷載組合。為了在滿足規(guī)范的前提下盡量降低工程造價(jià)，一般采用式（2）和式（3）進(jìn)行荷載組合。規(guī)范條文如下：

或者，在承載極限能力狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算中，可以采用下列兩式的不利情況：

中、歐規(guī)范的荷載效應(yīng)組合（基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合、準(zhǔn)永久組合）除地震荷載參與的基本組合外，雖存在一些差異但并不大，以基本組合為例進(jìn)行說明，見表8。

表8　歐中規(guī)范荷載組合差異

表5　按歐洲規(guī)范計(jì)算的風(fēng)荷載

表6　按中國規(guī)范計(jì)算的風(fēng)荷載

表7　歐中規(guī)范風(fēng)荷載比較

4　歐標(biāo)與國標(biāo)在構(gòu)件承載力方面的主要差別

4.1鋼筋混凝土構(gòu)件

以梁構(gòu)件截面b=300mm、h=600mm，歐洲規(guī)范材料混凝土強(qiáng)度fck=30MPa、鋼筋強(qiáng)度fyk=400MPa，中國規(guī)范材料C45混凝土HRB400鋼筋為例，說明兩種規(guī)范在構(gòu)件承載能力計(jì)算方面的主要差別。

4.1.1抗彎計(jì)算

構(gòu)件抗彎承載力方面的主要差別見表9。

表9　中歐規(guī)范鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎承載力主要差別

從表9可以看出，當(dāng)采用相同的材料時(shí)，歐洲規(guī)范的構(gòu)件最大受彎能力低于中國規(guī)范，相同荷載作用下配筋面積高于中國規(guī)范，其原因在于歐洲規(guī)范對(duì)構(gòu)件延性的要求以及材料的保證率系數(shù)γc、γs比中國規(guī)范高，說明歐洲規(guī)范在構(gòu)件抗彎計(jì)算方面的安全度高于中國規(guī)范。

4.1.2抗剪計(jì)算

構(gòu)件抗剪承載力方面的主要差別見表10。

從表10可以看出，相同抗剪鋼筋配置下，歐洲規(guī)范構(gòu)件的抗剪能力低于中國規(guī)范，相同剪力作用下歐洲規(guī)范的抗剪鋼筋配置明顯高于中國規(guī)范。這種差別的原因是，歐洲規(guī)范材料的保證率系數(shù)比中國規(guī)范高及歐洲規(guī)范不計(jì)入混凝土的抗剪能力，說明歐洲規(guī)范在構(gòu)件抗剪計(jì)算方面的安全度高于中國規(guī)范。

4.2鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件

4.2.1軸心受壓構(gòu)件

中、歐規(guī)范關(guān)于軸心受壓構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算的方法基本一致，按歐洲規(guī)范計(jì)算的構(gòu)件受壓承載力略高于按中國規(guī)范計(jì)算（10%以內(nèi)），其原因是中歐規(guī)范采用的材料分項(xiàng)系數(shù)不同，歐洲規(guī)范采用1.0，中國規(guī)范采用Q235鋼1.087，Q345鋼1.11。

4.2.2受彎構(gòu)件

以簡支鋼梁為例來說明兩種規(guī)范的主要差別。截面為軋制762×267×173UB，梁跨中分別作用有集中恒荷載150kN和集中活荷載400kN。梁側(cè)向無支撐計(jì)算長度為5.1m，鋼材等級(jí)S235，其抗彎承載力的中歐規(guī)范對(duì)比結(jié)果見表11。

表10　中歐規(guī)范鋼筋混凝土構(gòu)件抗剪承載力主要差別

表11　歐中規(guī)范鋼構(gòu)件抗彎承載力對(duì)比

由表11可以看出，歐洲規(guī)范構(gòu)件受彎承載力高于中國規(guī)范，相同荷載作用下，即使由于荷載組合的不同，構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計(jì)值歐洲規(guī)范比中國規(guī)范大4.4%，但穩(wěn)定應(yīng)力歐洲規(guī)范仍比中國規(guī)范少5%。

4.2.3受剪構(gòu)件

構(gòu)件抗剪承載力對(duì)比見圖3。

由圖3的曲線可以看出，當(dāng)腹板高厚比＜67時(shí)，歐洲規(guī)范構(gòu)件抗剪承載力大于中國規(guī)范，當(dāng)腹板高厚比＞67時(shí)，歐洲規(guī)范構(gòu)件抗剪承載力略小于中國規(guī)范。

圖3　歐中規(guī)范鋼構(gòu)件抗剪承載力對(duì)比

5　結(jié)語

歐洲規(guī)范是一個(gè)龐大的技術(shù)體系，且在不斷發(fā)展中，中國公司對(duì)于歐洲規(guī)范的應(yīng)用仍處于起步階段，還有很多課題有待進(jìn)一步研究和實(shí)踐。相信隨著中國對(duì)外經(jīng)貿(mào)的不斷發(fā)展，中國設(shè)計(jì)走出去的步伐也會(huì)逐漸加快，歐洲規(guī)范的應(yīng)用必將會(huì)達(dá)到新的高度，為中國企業(yè)的海外發(fā)展提供技術(shù)支持。

[1]EN 1990，Basis of structural design[S].

[2]EN 1991-1-1,Action on structures-General actions-Densities, self-weight,imposed loads for buildings[S].

[3]EN 1991-1-3,Action on structures-General actions-Snow loads[S].

[4]EN 1991-1-4,Action on structures-General actions-Wind actions[S].

[5]EN 1992-1-1,Design of concrete structure-General rules and rules for buildings[S].

[6]EN1993-1-1,Design of steel structure-General rules and rules for buildings[S].

[7]EN1993-1-8,Design of steel structure-Design of joints[S].

[8]EN1997-1,Geotechnicaldesign-General rules[S].

[9]EN 1998-1,Design of structures for earthquake resistance-General rules,seismic actions and rules for buildings[S].

[10]Victor Gioncu.Earthquake Engineering For Structural Design[M], SPON PRESS NEW YORK,2011.

[11]Wai-fah Chen,Charles Scawthorn.Earthquake engineering hand?book[M],CRC PRESS Washington,D.C,2003.

[12]Dr L.Gardner.Eurocode load combinations for steel structure[M], British Constructional Steelwork Association Ltd，2010.

[13]Charles E.Reynolds.Reynolds reinforced concrete designer hand?book 11th edition[M],Taylor and Francis,2008.

[14]A J Bond.How to design concrete structures using EC2[M],The Con?crete Centre,2009.

[15]Dr D Pike.Manual for the design of concrete building structures to Eurocode2[M],The Institution of Structural Engineers,2006.

[16]Buick Davison,Graham W.Owens.Steel designer manual-6th ed[M], Blackwell,2003.

[17]BRE,SCI.Worked examples for the design of steel structures[M], Crown SCI,1994.

[18]Mark Fintel.Handbook of concrete engineering[M],VanNostrand Re?inhold Company,1985.

[19]天津院歐洲規(guī)范項(xiàng)目組.歐洲規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)[K]，2011.■

Engineering Practice of Euro Codes in Cement Plant Structure Design

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通訊地址：天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；2016-04-15；編輯：呂光