欧洲规范在水泥工厂结构设计中的实践

常　斌

欧洲规范在水泥工厂结构设计中的实践

常斌

本文基于近年来欧洲规范在海外多个水泥工程EPC项目中的应用实践，针对水泥工厂的结构特点，总结了相关欧洲规范的应用范围，对影响结构设计的若干关键问题进行了分析和总结，并与中国规范的设计进行了一些比对，得出一些概念上的结论，可为相关的海外工程项目结构设计提供参考。

欧洲规范；水泥工厂；结构设计

1　前言

天津水泥工业设计研究院有限公司自2011年开始着手欧洲规范的研究和应用工作，2013年以来，已在东南亚、中东、西北非等地区的几个重点项目成功应用，欧洲规范的研究应用已取得阶段性的成果。本文基于多个项目的实践经验，对规范应用、荷载取值计算、抗震设计及欧标与国标的差异等多个关键问题进行了分析和总结，以期为相关设计提供参考。

2　水泥工厂结构特点及相关欧洲规范

水泥工厂结构按照材料可分为混凝土结构和钢结构；按照结构类型大致可分为混凝土框架结构、钢框架（排架、平台）结构、地基基础结构、大块式混凝土结构、钢筋混凝土筒仓结构等。在各结构类型设计中应用到的欧洲规范见表1。

3　影响结构设计的关键问题

3.1欧洲规范结构设计原则及方法

（1）采用极限状态设计原则，对结构的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行检验。

（2）采用分项系数检验法，承载能力极限状态应用荷载效应的基本组合，正常使用极限状态分别应用荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合，与中国规范类似。

3.2设计荷载

3.2.1地震荷载

（1）设计地面加速度确定

欧洲规范根据不同地域的地震危害程度划分地震区，每个地震区用一个简单的系数描述，即A类场地基准地面峰值加速度agR，该数值由国家规范或项目地质报告给出，设计地面加速度ag等于agR乘以重要性系数γⅠ，即ag=γⅠ·agR，γⅠ建议取值见表2。

（2）设计反映谱确定

欧洲规范给出了两种设计反应谱，一般采用类别1反应谱，确定了ag及场地类别后即可确定反应谱曲线，不同场地类别的设计反应谱曲线如图1。

（3）同等地震加速度条件下欧中规范设计反应谱线对比

将欧洲规范B类场地、ag=0.1g、DCM框架系统（q= 3.9）的设计反应谱线与中国规范设防烈度7度、设计基本地震加速度0.1g、二类场地的设计反应谱线对比，如图2所示。

从图2可以看出，在同等地面加速度的作用下，欧洲规范DCM框架系统（q=3.9）的反应谱值与中国规范反应谱值变化趋势基本相同，且数值接近。

（4）反应谱曲线计算公式中的性能系数q取值

q值是考虑到结构延性对地震作用的削减而对地震作用采取的缩减系数，按照经验其一般取值见表3。

（5）钢筋混凝土结构抗震延性等级的选择

欧洲规范规定：在低地震影响区域（ag≤0.08g或agS≤0.1g），结构可以设计为DCL系统。除低地震影响区域外的钢筋混凝土结构应设计为DCM或DCH系统，欧洲规范中没有给出DCM及DCH的选择与场地地震影响或结构重要性的关系，并指出结构最终设计为何种耗能体系由工程师决定。

为了确定合理的延性等级，使结构能有效抵抗地震作用，同时做到尽可能降低工程量，笔者对多个工程项目进行了总结，并分别进行了多种设计条件（多种风荷载、地震加速度）下的计算，对框架结构延性等级的选取给出了建议。

多种设计条件下的计算结果见表4。

从表4可看出：

表1　各结构类型设计中应用到的欧洲规范

图1　不同场地类别的设计反应谱曲线

表2　γⅠ建议取值

（1）当风荷载起控制作用时，DCH的高延性构造会导致工程量增加，此类车间应采用DCM延性等级设计。

（2）当地震加速度逐渐提高，地震荷载起控制作用时，DCH的计算配筋面积可能小于DCM的计算配筋面积，但DCH的高延性构造仍有可能导致工程量增加，选取何种延性体系应该结合计算和构造综合考虑。

3.2.2风荷载

（1）各种结构形式的风荷载均可依照EN1991-1-4中的规定及步骤进行计算，欧洲规范确定基本风速时的时距为10min，重现期为50年，与中国规范相同。

图2　同等地震加速度条件下欧中规范设计反应谱线对比

表3　性能系数q取值

表4　多种设计条件下车间钢筋量比较

（2）在基本风速和风压相同的条件下，按欧洲规范计算的风荷载与按中国荷载规范计算的风荷载存在明显差异，这是导致中、欧规范设计工程量差异的主要原因之一，需要引起结构设计工程师的注意。以下以水泥厂窑尾结构为例进行说明，计算结果见表5、表6、表7。

从表7可以看出，在结构底层欧洲规范的风荷载是中国规范的3倍左右，从下至上差异逐渐减小，但最顶层的差异也在2倍左右。

3.3.3荷载组合

EN1990中规定的荷载组合公式见式（1），但允许按照式（2）和式（3）的不利情况进行荷载组合。为了在满足规范的前提下尽量降低工程造价，一般采用式（2）和式（3）进行荷载组合。规范条文如下：

或者，在承载极限能力状态及正常使用极限状态验算中，可以采用下列两式的不利情况：

中、欧规范的荷载效应组合（基本组合、标准组合、准永久组合）除地震荷载参与的基本组合外，虽存在一些差异但并不大，以基本组合为例进行说明，见表8。

表8　欧中规范荷载组合差异

表5　按欧洲规范计算的风荷载

表6　按中国规范计算的风荷载

表7　欧中规范风荷载比较

4　欧标与国标在构件承载力方面的主要差别

4.1钢筋混凝土构件

以梁构件截面b=300mm、h=600mm，欧洲规范材料混凝土强度fck=30MPa、钢筋强度fyk=400MPa，中国规范材料C45混凝土HRB400钢筋为例，说明两种规范在构件承载能力计算方面的主要差别。

4.1.1抗弯计算

构件抗弯承载力方面的主要差别见表9。

表9　中欧规范钢筋混凝土构件抗弯承载力主要差别

从表9可以看出，当采用相同的材料时，欧洲规范的构件最大受弯能力低于中国规范，相同荷载作用下配筋面积高于中国规范，其原因在于欧洲规范对构件延性的要求以及材料的保证率系数γc、γs比中国规范高，说明欧洲规范在构件抗弯计算方面的安全度高于中国规范。

4.1.2抗剪计算

构件抗剪承载力方面的主要差别见表10。

从表10可以看出，相同抗剪钢筋配置下，欧洲规范构件的抗剪能力低于中国规范，相同剪力作用下欧洲规范的抗剪钢筋配置明显高于中国规范。这种差别的原因是，欧洲规范材料的保证率系数比中国规范高及欧洲规范不计入混凝土的抗剪能力，说明欧洲规范在构件抗剪计算方面的安全度高于中国规范。

4.2钢结构构件

4.2.1轴心受压构件

中、欧规范关于轴心受压构件强度和稳定性计算的方法基本一致，按欧洲规范计算的构件受压承载力略高于按中国规范计算（10%以内），其原因是中欧规范采用的材料分项系数不同，欧洲规范采用1.0，中国规范采用Q235钢1.087，Q345钢1.11。

4.2.2受弯构件

以简支钢梁为例来说明两种规范的主要差别。截面为轧制762×267×173UB，梁跨中分别作用有集中恒荷载150kN和集中活荷载400kN。梁侧向无支撑计算长度为5.1m，钢材等级S235，其抗弯承载力的中欧规范对比结果见表11。

表10　中欧规范钢筋混凝土构件抗剪承载力主要差别

表11　欧中规范钢构件抗弯承载力对比

由表11可以看出，欧洲规范构件受弯承载力高于中国规范，相同荷载作用下，即使由于荷载组合的不同，构件内力设计值欧洲规范比中国规范大4.4%，但稳定应力欧洲规范仍比中国规范少5%。

4.2.3受剪构件

构件抗剪承载力对比见图3。

由图3的曲线可以看出，当腹板高厚比＜67时，欧洲规范构件抗剪承载力大于中国规范，当腹板高厚比＞67时，欧洲规范构件抗剪承载力略小于中国规范。

图3　欧中规范钢构件抗剪承载力对比

5　结语

欧洲规范是一个庞大的技术体系，且在不断发展中，中国公司对于欧洲规范的应用仍处于起步阶段，还有很多课题有待进一步研究和实践。相信随着中国对外经贸的不断发展，中国设计走出去的步伐也会逐渐加快，欧洲规范的应用必将会达到新的高度，为中国企业的海外发展提供技术支持。

[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]天津院欧洲规范项目组.欧洲规范结构设计指导手册[K]，2011.■

Engineering Practice of Euro Codes in Cement Plant Structure Design

TU318.4

A

1001-6171（2016）06-0077-05

通讯地址：天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；2016-04-15；编辑：吕光