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EC7系列讲座(二)——欧标岩土规范的设计准则概述

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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国庆要来了,先祝伟大的祖国母亲生日快乐,国内的小伙计们国庆浪起来~~~

 

1. 欧标通用设计准则回顾

 

刘工先带大家回顾一下欧标的发展史,欧标的发展有五个关键的节点:

 

1)     20世纪80年代 (1980s)——欧洲共同体委员会提出建立一个在欧洲范围内普通的建筑技术规程;

2)     1989——欧标标准化委员会(European Committee for Standardization, CEN)正式接手欧标的编纂工作,所有的欧标封面都会印有如下的标志:


 

从这个标志中,大家也可以看到欧标其实是用三种语言编写的,分别是英语、德语和法语。当然,刘工最希望看到的是这样的:(刘工又不由自主地祝伟大的祖国生日快乐!)

 

欧标标准化委员会

 

3)     20世纪90年代(1991-1999)CEN推出了一系列的欧标的非正式版本(即相当于国标的征求意见稿),代号为ENV,有效期三年。

4)     1998——2006年,CEN陆续发行正式的欧洲标准,代为从ENV变成EN,比如EC7-1的封面就写着这样一行字:Supersedes ENV 1997-1:1994:.5)     各国使用EN代替本国的标准,比如英标就发行了BS EN,新加坡也发行了SS EN等等等等。

 

欧标从EN1990EN1999共有十大分类,下面这幅图可以清晰地说明这十本的关系:

EN1990是整个欧标体系的基本原则,就像太阳,有了太阳才有了万物;EN1991是荷载,而EN1992EN1996分别代表了不同建筑材料的结构设计规范,EN1999是铝的设计规范,主要是用于建筑幕墙,以及非结构组件;而EN1997是各种建筑的基础设计规范;最后EN1998是抗震规范。

在欧标中,所有条文分为两类:PrinciplesApplication Rules即等同于国内的强条和非强条,所有的强条之前全标着一个P,里面的用语是是Shall,而非强条的用语为may, should, can…

刘工在之前讲解EC0的时候特地强调过几种值的区别:代表值、特征值、标准值、设计值等等,里面涉及到两个系数:伴随系数和分项系数,一定要明白这两个系数和那些值的相对关系,下面一个表可以较明显比说明这几者的关系,请大家即时复习回顾。

刘工简单带大家回忆了一下欧标,请大家可以搜索历史纪录,再去详读一下关于EN1990这本规范的一些要点。

 

2.      欧标岩土设计准则

1)     极限状态法

在讲欧标的岩土规范之前,刘工先带大家回忆一下国标基础的设计准则,国标总共分三种设计方法:极限状态法,允许应力法以及安全系数法,分别举个例子:在计算基础和承台的配筋时,使用的是极限状态法,即承载能力极限状态下的基本组合;在计算地基承载力时,使用的是容许应力法,虽然规范上说是使用极限状态法,但是所有的分项系数全要取1,与地基承载力比较大小,其实本质上是容许应力法;而在计算挡土墙的抗倾覆以及抗滑移时,又使用了安全系数法。

熟练了的小朋友们,觉得这没什么啊,非常好,但是,刘工默默上一张图:

 

据说此题是今年的注册岩土工程师考题,在考生界引起广泛的争论(刘工一脸不知道发生了什么的表情),与其说是要不要乘1.35的争论,不如说是各种设计状态混乱的体现。具体到此题,即当我们用安全系数法计算出了一个弯矩值,那要不要把这个值乘以1.35来配筋?其实就是在安全系数法身上叠加了一个极限状态法,对于这种四不像的方法,当然是公说公有理,婆说婆有理,所以刘工也不好下结论,但可以肯定的,这个只是特定时期的特定产物。这不,如果使用欧标,这种问题将不复存在,因为在欧标中,只有一种设计方法,即极限状态法!

 

极限状态法,本质上就是各种极限状态下都不超过相应的限值。这个对于搞结构的同学应该不难理解,但是搞岩土的,因为已经习惯了安全系数法和允许应力法,所以可能理解还不透彻,继续上面那道题的例子,抗滑桩在正常情况下的极限状态只有一种,就是桩废了、坡垮了,而废了、垮了的原因无外乎两种:一是桩被拔出来了,锚固深度不够;二是桩被挤段了,断面太小或者是配筋不够。所以明确了这两个极限状态,只要找与其极限状态相对应的荷载和材料的分项系数,计算出外力和抗力就搞定啦!

 

上面就是非常简单的一个极限状态法的设计思路,如果你看起来有点吃力的话,建议结合刘工之前的讲解重读一下EN1990

传统的设计方法(安全系数法和允许应力法,本质上允许应力法也是安全系数法)虽然使用了几十年,而且有相当多的经验,但是使用一个单一的安全系数来考虑所有的不确定因素,并不能非常准确地控制设计当中各个部分的不确定性大小。你说设计中有多少不确定性?刘工又选出一本书的封面送给大家,让大家看看做一个结构工程师有多难:

这段话从另一方面也看出了整个设计中有多少的不确定因素,这个在岩土工程中尤其明显。所以极限状态法更合理让设计者分别设计不同的极限状态,每一种极限状态又通过不同的分项系数保证结构有一个相同的安全度,这就是极限状态法的精髓所在!

 

(插播小广告:看完上面那段话,如果现在有人觉得结构工程师很伟大,想找工程师的朋友们可以给刘工留言,刘工手头很多优良潜力股,各种年龄段)

 

而这样做的另一个好处就是,从此结构和岩土统一了,结构工程师再也不用专门为了岩土工程师专门设置岩土专属的荷载组合,而岩土工程师也必须要多了解一些荷载组合的原则来适应新的设计方法。

 

2) 极限状态分类

关于极限状态,总共有两大类,分别是承载能力极限状态和正常使用极限状态。

对于承载能力极限状态,如果大家有印象,EC0当中说明在结构设计中,承载力极限状态共有三类:EQU(倾覆破坏)、STR(结构构件破坏)、GEO(地基破坏),而在岩土设计中,又增加了两种UPL(抗浮稳定性)和HYD(流土、管涌等水力破坏),这两种在国标中也有对应的条文,分别可参见地基规范的5.4.3条和附录W,但是刘工提醒一下,他们用的全部都是安全系数法,而不是极限状态法。

而对于正常使用极限状态,和普通的结构设计没有太大区别,只是检查没有过大的沉降、隆起,以及过大的振动等。

 

3 岩土工程等级

岩土工程等级分类方法和国标的地基规范是类似的,大家可以自行参考EC7-1 2.11421款。刘工强调一下,在同一个工程中可以有不同的等级,比如下面这幅图就非常形象经说明了这个问题:

 

非常主观地说,对于等级为1的结构,基本也不用什么欧洲规范了,根据当地的一些经验足够了,而对于等级为3的结构,欧标又有点不够,需要更加专业的规程来辅助。

 

下期预告:

极限状态法中有三大变量:荷载、材料和几何尺寸,下一讲,刘工就和大家聊聊岩土规范中与这三大变量相关的一些东西。

 

 

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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