常　斌

歐洲規(guī)范在水泥工廠結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實踐

常斌

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

歐洲規(guī)范；水泥工廠；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1　前言

天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司自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)的幾個重點項目成功應(yīng)用，歐洲規(guī)范的研究應(yīng)用已取得階段性的成果。本文基于多個項目的實踐經(jīng)驗，對規(guī)范應(yīng)用、荷載取值計算、抗震設(shè)計及歐標(biāo)與國標(biāo)的差異等多個關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析和總結(jié)，以期為相關(guān)設(shè)計提供參考。

2　水泥工廠結(jié)構(gòu)特點及相關(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）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)計中應(yīng)用到的歐洲規(guī)范見表1。

3　影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題

3.1歐洲規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計原則及方法

（1）采用極限狀態(tài)設(shè)計原則，對結(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。

（2）采用分項系數(shù)檢驗法，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)計荷載

3.2.1地震荷載

（1）設(shè)計地面加速度確定

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)，每個地震區(qū)用一個簡單的系數(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)范或項目地質(zhì)報告給出，設(shè)計地面加速度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)計反映譜確定

歐洲規(guī)范給出了兩種設(shè)計反應(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)計反應(yīng)譜線對比

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)計反應(yīng)譜線與中國規(guī)范設(shè)防烈度7度、設(shè)計基本地震加速度0.1g、二類場地的設(shè)計反應(yīng)譜線對比，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)延性對地震作用的削減而對地震作用采取的縮減系數(shù)，按照經(jīng)驗其一般取值見表3。

（5）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震延性等級的選擇

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)計為何種耗能體系由工程師決定。

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

多種設(shè)計條件下的計算結(jié)果見表4。

從表4可看出：

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

圖1　不同場地類別的設(shè)計反應(yīng)譜曲線

表2　γⅠ建議取值

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

（2）當(dāng)?shù)卣鸺铀俣戎饾u提高，地震荷載起控制作用時，DCH的計算配筋面積可能小于DCM的計算配筋面積，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)行計算，歐洲規(guī)范確定基本風(fēng)速時的時距為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)計反應(yīng)譜線對比

表3　性能系數(shù)q取值

表4　多種設(shè)計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)范計算的風(fēng)荷載與按中國荷載規(guī)范計算的風(fēng)荷載存在明顯差異，這是導(dǎo)致中、歐規(guī)范設(shè)計工程量差異的主要原因之一，需要引起結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師的注意。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，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)范計算的風(fēng)荷載

表6　按中國規(guī)范計算的風(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)范材料混凝土強度fck=30MPa、鋼筋強度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)件承載能力計算方面的主要差別。

4.1.1抗彎計算

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，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)件抗彎計算方面的安全度高于中國規(guī)范。

4.1.2抗剪計算

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)范不計入混凝土的抗剪能力，說明歐洲規(guī)范在構(gòu)件抗剪計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)件強度和穩(wěn)定性計算的方法基本一致，按歐洲規(guī)范計算的構(gòu)件受壓承載力略高于按中國規(guī)范計算（10%以內(nèi)），其原因是中歐規(guī)范采用的材料分項系數(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)向無支撐計算長度為5.1m，鋼材等級S235，其抗彎承載力的中歐規(guī)范對比結(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)件抗剪承載力對比見圖3。

由圖3的曲線可以看出，當(dāng)腹板高厚比＜67時，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，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)件抗剪承載力對比

5　結(jié)語

歐洲規(guī)范是一個龐大的技術(shù)體系，且在不斷發(fā)展中，中國公司對于歐洲規(guī)范的應(yīng)用仍處于起步階段，還有很多課題有待進(jìn)一步研究和實踐。相信隨著中國對外經(jīng)貿(mào)的不斷發(fā)展，中國設(shè)計走出去的步伐也會逐漸加快，歐洲規(guī)范的應(yīng)用必將會達(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。

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Engineering Practice of Euro Codes in Cement Plant Structure Design

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