歐洲規范在水泥工廠結構設計中的實踐

常　斌

歐洲規范在水泥工廠結構設計中的實踐

常斌

本文基于近年來歐洲規范在海外多個水泥工程EPC項目中的應用實踐，針對水泥工廠的結構特點，總結了相關歐洲規范的應用范圍，對影響結構設計的若干關鍵問題進行了分析和總結，并與中國規范的設計進行了一些比對，得出一些概念上的結論，可為相關的海外工程項目結構設計提供參考。

歐洲規范；水泥工廠；結構設計

1　前言

天津水泥工業設計研究院有限公司自2011年開始著手歐洲規范的研究和應用工作，2013年以來，已在東南亞、中東、西北非等地區的幾個重點項目成功應用，歐洲規范的研究應用已取得階段性的成果。本文基于多個項目的實踐經驗，對規范應用、荷載取值計算、抗震設計及歐標與國標的差異等多個關鍵問題進行了分析和總結，以期為相關設計提供參考。

2　水泥工廠結構特點及相關歐洲規范

水泥工廠結構按照材料可分為混凝土結構和鋼結構；按照結構類型大致可分為混凝土框架結構、鋼框架（排架、平臺）結構、地基基礎結構、大塊式混凝土結構、鋼筋混凝土筒倉結構等。在各結構類型設計中應用到的歐洲規范見表1。

3　影響結構設計的關鍵問題

3.1歐洲規范結構設計原則及方法

（1）采用極限狀態設計原則，對結構的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行檢驗。

（2）采用分項系數檢驗法，承載能力極限狀態應用荷載效應的基本組合，正常使用極限狀態分別應用荷載效應的標準組合、頻遇組合和準永久組合，與中國規范類似。

3.2設計荷載

3.2.1地震荷載

（1）設計地面加速度確定

歐洲規范根據不同地域的地震危害程度劃分地震區，每個地震區用一個簡單的系數描述，即A類場地基準地面峰值加速度agR，該數值由國家規范或項目地質報告給出，設計地面加速度ag等于agR乘以重要性系數γⅠ，即ag=γⅠ·agR，γⅠ建議取值見表2。

（2）設計反映譜確定

歐洲規范給出了兩種設計反應譜，一般采用類別1反應譜，確定了ag及場地類別后即可確定反應譜曲線，不同場地類別的設計反應譜曲線如圖1。

（3）同等地震加速度條件下歐中規范設計反應譜線對比

將歐洲規范B類場地、ag=0.1g、DCM框架系統（q= 3.9）的設計反應譜線與中國規范設防烈度7度、設計基本地震加速度0.1g、二類場地的設計反應譜線對比，如圖2所示。

從圖2可以看出，在同等地面加速度的作用下，歐洲規范DCM框架系統（q=3.9）的反應譜值與中國規范反應譜值變化趨勢基本相同，且數值接近。

（4）反應譜曲線計算公式中的性能系數q取值

q值是考慮到結構延性對地震作用的削減而對地震作用采取的縮減系數，按照經驗其一般取值見表3。

（5）鋼筋混凝土結構抗震延性等級的選擇

歐洲規范規定：在低地震影響區域（ag≤0.08g或agS≤0.1g），結構可以設計為DCL系統。除低地震影響區域外的鋼筋混凝土結構應設計為DCM或DCH系統，歐洲規范中沒有給出DCM及DCH的選擇與場地地震影響或結構重要性的關系，并指出結構最終設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，使結構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行了總結，并分別進行了多種設計條件（多種風荷載、地震加速度）下的計算，對框架結構延性等級的選取給出了建議。

多種設計條件下的計算結果見表4。

從表4可看出：

表1　各結構類型設計中應用到的歐洲規范

圖1　不同場地類別的設計反應譜曲線

表2　γⅠ建議取值

（1）當風荷載起控制作用時，DCH的高延性構造會導致工程量增加，此類車間應采用DCM延性等級設計。

（2）當地震加速度逐漸提高，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的高延性構造仍有可能導致工程量增加，選取何種延性體系應該結合計算和構造綜合考慮。

3.2.2風荷載

（1）各種結構形式的風荷載均可依照EN1991-1-4中的規定及步驟進行計算，歐洲規范確定基本風速時的時距為10min，重現期為50年，與中國規范相同。

圖2　同等地震加速度條件下歐中規范設計反應譜線對比

表3　性能系數q取值

表4　多種設計條件下車間鋼筋量比較

（2）在基本風速和風壓相同的條件下，按歐洲規范計算的風荷載與按中國荷載規范計算的風荷載存在明顯差異，這是導致中、歐規范設計工程量差異的主要原因之一，需要引起結構設計工程師的注意。以下以水泥廠窯尾結構為例進行說明，計算結果見表5、表6、表7。

從表7可以看出，在結構底層歐洲規范的風荷載是中國規范的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）的不利情況進行荷載組合。為了在滿足規范的前提下盡量降低工程造價，一般采用式（2）和式（3）進行荷載組合。規范條文如下：

或者，在承載極限能力狀態及正常使用極限狀態驗算中，可以采用下列兩式的不利情況：

中、歐規范的荷載效應組合（基本組合、標準組合、準永久組合）除地震荷載參與的基本組合外，雖存在一些差異但并不大，以基本組合為例進行說明，見表8。

表8　歐中規范荷載組合差異

表5　按歐洲規范計算的風荷載

表6　按中國規范計算的風荷載

表7　歐中規范風荷載比較

4　歐標與國標在構件承載力方面的主要差別

4.1鋼筋混凝土構件

以梁構件截面b=300mm、h=600mm，歐洲規范材料混凝土強度fck=30MPa、鋼筋強度fyk=400MPa，中國規范材料C45混凝土HRB400鋼筋為例，說明兩種規范在構件承載能力計算方面的主要差別。

4.1.1抗彎計算

構件抗彎承載力方面的主要差別見表9。

表9　中歐規范鋼筋混凝土構件抗彎承載力主要差別

從表9可以看出，當采用相同的材料時，歐洲規范的構件最大受彎能力低于中國規范，相同荷載作用下配筋面積高于中國規范，其原因在于歐洲規范對構件延性的要求以及材料的保證率系數γc、γs比中國規范高，說明歐洲規范在構件抗彎計算方面的安全度高于中國規范。

4.1.2抗剪計算

構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，歐洲規范構件的抗剪能力低于中國規范，相同剪力作用下歐洲規范的抗剪鋼筋配置明顯高于中國規范。這種差別的原因是，歐洲規范材料的保證率系數比中國規范高及歐洲規范不計入混凝土的抗剪能力，說明歐洲規范在構件抗剪計算方面的安全度高于中國規范。

4.2鋼結構構件

4.2.1軸心受壓構件

中、歐規范關于軸心受壓構件強度和穩定性計算的方法基本一致，按歐洲規范計算的構件受壓承載力略高于按中國規范計算（10%以內），其原因是中歐規范采用的材料分項系數不同，歐洲規范采用1.0，中國規范采用Q235鋼1.087，Q345鋼1.11。

4.2.2受彎構件

以簡支鋼梁為例來說明兩種規范的主要差別。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范對比結果見表11。

表10　中歐規范鋼筋混凝土構件抗剪承載力主要差別

表11　歐中規范鋼構件抗彎承載力對比

由表11可以看出，歐洲規范構件受彎承載力高于中國規范，相同荷載作用下，即使由于荷載組合的不同，構件內力設計值歐洲規范比中國規范大4.4%，但穩定應力歐洲規范仍比中國規范少5%。

4.2.3受剪構件

構件抗剪承載力對比見圖3。

由圖3的曲線可以看出，當腹板高厚比＜67時，歐洲規范構件抗剪承載力大于中國規范，當腹板高厚比＞67時，歐洲規范構件抗剪承載力略小于中國規范。

圖3　歐中規范鋼構件抗剪承載力對比

5　結語

歐洲規范是一個龐大的技術體系，且在不斷發展中，中國公司對于歐洲規范的應用仍處于起步階段，還有很多課題有待進一步研究和實踐。相信隨著中國對外經貿的不斷發展，中國設計走出去的步伐也會逐漸加快，歐洲規范的應用必將會達到新的高度，為中國企業的海外發展提供技術支持。

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Engineering Practice of Euro Codes in Cement Plant Structure Design

TU318.4

A

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