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刘工带你读 EN 1990(一)

by 邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer |2017年7月1日 | 欧洲规范
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从今天开始,刘工要与大家正式步入欧标的学习与应用了,现阶段刘工还只是与大家分享欧标的设计规范与相关的补充文件,即EN 1990至EN 1999,大家一定要记着,欧标不仅仅有设计规范,还有材料和施工规范,以后有机会与大家慢慢分享。

首先排除大家心中的一个疑惑,关于规范的编号1990至1999并不是说这些规范发布的年限,只是看起来特别像而已。下表是每一本规范大体的编写与发布的年限,给大家一个基本的印象。

从上图大家可以看到,EN 1990是最早的一本规范,一切欧标的根本,就像太阳照射着万物。所以刘工就先帮大家总结一下这本EN 1990,看看里面到底有什么有用的东西需要大家掌握。

EN 1990是所有欧标设计规范的纲领,它规定了整个设计当中的准则,以及对安全、使用和耐久性最基本的要求,同时也讲述了如何设计和验证结构可靠性。当然,EN 1990配合其他的规范可以完成各种各样的设计啦,从基本的设计到防火、施工阶段设计等等……大家记住,在EN 1992到EN 1999当中是找不到荷载组合和各种分项系数的,所以一定要配合EN 1990使用。

刘工将以章节为单元,与大家分享其中的重点与自己的心得:

Section 1 - General

  1. 从1.1可以得到,欧标没有对既有结构进行评估的规范(其实这块已经日益成为设计的一个主要部分了),大家可以参照ISO 13822去了解如何对既有结构进行评估,另外还推荐一本英国结构工程师协会 (IStructE) 的一本手册——Appraisal of Existing Structures

  2. 条款里面带P的就类似于国标当中的黑体字,是必须遵守的,其他的条款不是强制性的,但是应用当中还是要遵守的啦;

  3. 关于欧标的下角标,是要倒着读的,比如Fwk,就是characteristic value (k)of the wind (w) force (F)。而且欧标所有的缩写都是通用的,大家读一遍EN1990当中的符号,基本就全部了解了。

Section 2 - Requirement

欧标在EN 1990当中已经明确规定要避免连续性倒塌,所以要有一定的构造性要求,详见各个规范。

Section 3 - Principles of limit states designs

这一章刘工就是想重新强调一下承载力极限状态 (Ultimate Limit State, ULS) 和正常使用极限状态 (Serviceability Limit State, SLS) 这两个概念。大家都明白,整个设计的基本逻辑就是极限状态法,人为地把一个建筑分成不同的极限状态,在每种极限状态下要保证满足相应的要求。而在大多数设计中,我们都分为ULS和SLS两个状态(欧标有时会强加一个疲劳极限状态,即Fatigue Limit State, FLS),ULS就是要保证人的安全,结构不会倒塌下来;而SLS就是要保证结构在日常使用中不会丧失其基本功能、人的舒适度等。举个简单的例子,比萨斜塔虽然不满足SLS(相信没有人喜欢在一个倾斜的世界生活),但是因为它在全世界精英科学家的精确计算下不会倒塌,所以是满足ULS的。

当然,大家也不必死板的认为任何一个结构都要验算这两个状态,有时只要验算其中一个,另外一个也许就自动满足了,举两个例子:

  1. 对于梁,大家一般会验算ULS状态下配筋是否满足要求,而在SLS下对挠度的控制,只要满足一定的跨高比即可,无需去计算梁的变形;

  2. 再比如对于基础,只要地基的沉降,即SLS满足一定的要求,那土也基本是不会破坏的,不用再去计算土的承载力了。

再多说一句,某个指标在大多数情况下是用SLS来验算,但在某些特殊情况下也许就变成了ULS。比如对于铁路桥面板变形的控制,对于一个基本的工程师来讲,这肯定是正常使用极限状态的验算。但是!桥面板变形过大会引起铁轨的变形,既而造成列车的脱轨,那么影响的就是人的生命,所以呢,必须要在极限状态下去验算!所以大家一定要抓住ULS与SLS的本质,然后去灵活变通。

Section 4 - Basic variables

首先给大家明确一个概念——特征值 (characteristic value)

任何的荷载在设计当中都需要引入一个代表值 (representative value)来进行计算,而其中最重要的一种代表值就是特征值(其余的如组合值、频遇值、准永久值等代表值均是以特征值为基础转化而来的),特征值的取法有四种——平均值、上限值、下限值以及名义值。前三种都是建立在统计规律的基础上,而最后一个是因为没有统计规律可循而人为规定的一个值,更多存在于岩土部分。

例如结构自重,这是一个可以建立起统计规律的指标,所以特征值的取法就选择前三种,一般情况下,因为材料的重度变化很小,所以可以选用平均值作为特征值(国标也是这样选取的),但对于某些情况,比如超长跨度的预应力混凝土结构,自重对于结构就会比较敏感,此时,需要分别选用自重的上限值(95%保证率)和下限值(5%保证率)来验证不同工况下的内力,这一点需要大家注意。

以上讲的仅仅是荷载,我相信大多数像刘工一样的人也仅仅是停留在荷载的层次,但是在设计工作中,除了荷载这个基本变量之外,还有材料和尺寸。

对于材料,其取值方法与荷载几乎是一样的,也是建立在统计基础上,欧标特别强调材料这块是因为整个岩土部分全部采用了概率设计法,所以如何取土的各种参数将变成一大难题!

而对于尺寸,欧标在钢结构部分允许采用了直接设计法,那么结构的尺寸也成为一个变量,引入了整体缺陷和局部缺陷。

今天刘工先带大家了解了EN 1990前四章的内容,希望大家有空去认真读一下,有问题可以提出来,大家一起讨论。一言以蔽之,EN 1990就是先给大家讲了各种概念,而这些概念将会在EN 1991到EN 1999中反复使用。想起了一句歌词——我种下一颗种子,终于长出了果实,今天是个伟大日子。希望大家把欧标的这颗种子种好,会对以后的学习以及设计有非常大的帮助!

最后留一个有意思的问题:大家知道特征值、组合值、频遇值和准永久值最后的含义分别是什么吗?(小提示,欧标此处与国标是一致的,倒是与英标大大不同。)

邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer

建筑一网(www.jianzhu1.com)是一群同济大学毕业建筑和土木相关专业毕业的研究生和博士组成的技术团体。我们自2011年始即开始从事结构设计和研究工作, 积累了大量的研究成果和创新技术,并整理了对中国规范、FIDIC合同、欧洲规范和美国规范的总结笔记。此外, 团队还在结构产品领域有所研究,并推出了超薄夹层、板桁架、无檩网架、装配式厂房和装配式酒店等相关装配式产品。

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