劉工帶你讀 EN 1991-1-5（一）【轉載】

2016-11-06  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

首先申明,此文是劉工的同事曹工原創,劉工只是略做修改,加入了一些與國標的對比而已,所以感謝曹工對此公眾號做出的貢獻。(此處應有掌聲)

話說,如果剛開始學習歐標,又想有點成就,那就必須專找軟柿子貼,而EN 1991-1-5不幸成為第一個目標。簡單來說一下,EN 1991-1-5是專門寫溫度效應的,等同于GB 50009第9章和JTG D60 4.3.10這兩部分。即使是這么簡單的一個溫度應力,也不是很好搞,所以有必要把此本歐標通讀一下,有個整體的概念。

歐標里介紹了三種不同結構的溫度分布,包括建筑物;橋梁;工業建筑(如煙筒、管道、水池、冷卻塔等),但規范并沒有明確給出計算溫度作用大小的公式(不會的同學可以自行翻閱材料力學)。在結構軟件中(如Midas,SAP2000),可以直接輸入溫度分布,軟件會根據材料的線性膨脹系數計算得出熱力作用大小。規范的附錄C列出了一些材料的線性膨脹系數。本人曾經做過驗證,用midas civil算得得橋梁截面豎向非線性溫差的熱力作用大小,和手算的結果完全一致。

規范正文里給出了如何確定結構部件的溫度分布。一個部件上的溫度分布由以下四個部分組成:

(a)均勻溫度,ΔTU;

(b)關于z-z軸線性溫差,ΔTMy; 

(c)關于y-y軸線性溫差,ΔTMz;

(d)非線性溫差,ΔTE。

這四個組成部分如圖所示:

歐標中規定,當結構受溫度影響而有可能超過極限狀態(Ultimate limit state)或者正常使用極限狀態(Serviceability limit state)時,要考慮溫度作用。所以在溫度作用很小的時候,不需考慮溫度作用。

當劉工看到這一條的時候,還是非常吃驚的,什么?ULS居然不要考慮溫度作用???但是,規范確確實實是這樣說的,劉工把原版的條款列出來供大家討論:

1. 首先講建筑物怎么確定其溫度分布。

建筑物上的溫度分布有以下三部分。

(a) 均勻溫度,ΔTU=平均溫度T -初始溫度T0

(b) 線性溫度,ΔTM,由橫截面內側和外側溫差造成,或者是同一面上不同層上的溫差造成

(c) 溫差,ΔTP,代表一個結構中不同部件的溫差

通常在計算時建筑物的熱力作用時,只需考慮均勻溫度(ΔTU)。規范里只介紹了怎么計算均勻溫度(ΔTU)。線性溫度(ΔTM)和溫差(ΔTP)只在特定的項目中給出具體數值時才考慮。

對于平均溫度(T),規范里給了兩種計算方法。一種是比較簡單的用(室內溫度Tin- 室外溫度Tout)得到;另一種方法在附錄D中有介紹,要用到很多公式來計算出準確的數值。如果對溫度荷載的精度要求不是特別高,推薦用第一種簡便方法。室內溫度(Tin)和室外溫度(Tout)規范里面有推薦數值,對于冬季,夏季,地上建筑和地下建筑都有不同的數值。如果有國家附件,則需要參考國家附件。下面是規范里的推薦值。

初始溫度T0從國家附件得到。如果沒有國家附件,可以取建筑物完成時的氣溫。如果不能預測完成時的氣溫,規范推薦使用100作為初始溫度(T0)。

所以,比起GB 50009, 歐標里面考慮了構件截面溫度的線性變化,但是只有在特定的情況下才會使用,其他的和GB的計算原理是一樣的(畢竟是軟柿子嘛)

 

 

2. 建筑物上的熱力作用講完了,接下來講橋梁上的熱力作用。

歐標里給出了橋面和橋墩上的溫度變化。首先是橋面上的溫度分布,由三部分組成,分別為

1. 均勻溫度作用;

2. 豎向溫差作用;

3. 橫向溫差作用。

均勻溫度作用有兩種形式,一種是起收縮作用,一種是起膨脹作用,

收縮作用的均溫分量特征值,ΔTN,CON= 初始溫度T0- 最小均溫分量Te.min

膨脹作用的均溫分量特征值,ΔTN,EXP= 最大均溫分量Te.max- 初始溫度T0

最小結構溫度Te.min和最大結構溫度Te.max規范里有簡單明了的公式來算得。對于不同類型的橋面,有不同的系數。

所以,此處需要注意的是,在計算橋梁的均勻溫度作用時,并不是查出場地的溫差就可以使用的,需要換算成為所謂的橋梁結構的最高溫和最低溫,類似于JTG D60表4.3.10(2)的概念,但是交規中沒有講得非常明確。

其中Type1是鋼橋, Type 2是鋼混復合結構橋,Type 3是混凝土橋。遮蔭處最小/最大氣溫值(Tmin/Tmax) 應從國家附錄或者國家標準等溫線圖中取得。

初始溫度T0在國家附件里有定義。如果沒有國家附件,可以取建筑物完成時的氣溫。如果不能預測完成時的氣溫,規范推薦使用100作為初始溫度(T0)。

舉個例子,一座混凝土橋,回歸年限100年,應用新加坡國家附錄,如何確定ΔTN,CON和ΔTN,EXP呢?

查國家附錄得,遮蔭處最小/最大氣溫值(Tmin/Tmax)為19.20作和360。最小均溫分量Te.min和最大均溫分量Te.max分別為27.20作和380。初始溫度(T0)為270。所以ΔTN,CON和ΔTN,EXP分別為-0.20作和110。

豎向溫差分量有兩種計算方法,一種是線性,一種是非線性。

線性的溫差有兩種,一種是頂部溫度高于底部,另一種相反,底部高于頂部。這兩種情況要分別考慮。規范里給了這兩種情況的推薦值。

以上的表中的數據是假設橋面50mm鋪裝,對于其他厚度的鋪裝,需要乘上一個系數ksur。

非線性的溫差也有加熱和冷卻兩種情況。規范里對于三種類型的橋梁的非線性溫差有明確的說明。舉個例子,一個混凝土橋,梁加板共2.2m高,橋面鋪裝100mm,使用歐洲規范新加坡國家附錄進行設計,非線性的溫差應該怎么考慮呢。根據混凝土橋的規定,

在加熱狀態下,

h1 =0.15m,

h2 =0.25m,

h3 =0.2m,

ΔT1= 130C,

ΔT2= 30C,

ΔT3= 2.50C。

按照新加坡國家附錄,初始溫度(T0)為270C,所以在軟件中輸入:

T0=270C,

T1= 400C,

T2= 300C,

T3= 29.50C。

冷卻狀態下的步驟是一樣的,要注意的是,新加坡的國家附錄中,對冷卻狀態的溫度規定有調整。(這個很可能是一個規范的印刷錯誤,主要是在降溫狀態下h3所代表的高度)

橫向溫差分量通常不需要考慮,只有當橋面的一側和另一側光照條件有很大不同時才需要考慮。

對于一個部件,均溫分量和豎向溫差分量是同時存在的,不過在相加時有一個系數存在。

均溫分量+ 0.75 x 豎向溫差分量

或者為,

0.35x 均溫分量 + 豎向溫差分量

 

如果考慮了兩個作用,那么按照概率設計法,必須要有折減,而在橋梁的設計中,我們同時考慮了均勻溫差與截面溫差兩個作用,所以歐標規定了以下組合:

組合之后,可以作為一個溫度的荷載代入到最后的組合系數當中。這點與交規還是有些差別的,交規好像是沒有區分這兩個作用,所以是沒有折減一起考慮的,此處我認為歐標更為恰當。

以上是橋面的溫度分布確定方法。橋墩的溫度分布比較簡單。對于橋墩,相反兩面的溫差是5度,并且呈線性分布。對于空心橋墩,內側和外側溫差為15度,呈線性分布。如果有國家規范,需要查國家規范的數值。

 

以上是歐標熱力作用講解的前半部分。后半部分將介紹歐標中如何考慮工業建筑(如煙筒、管道、水池、冷卻塔)的熱力作用。如果有任何問題,或任何建議,歡迎討論。

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