劉工帶你讀 EN 1991-1-5（一）【轉(zhuǎn)載】

2016-11-06 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

首先申明,此文是劉工的同事曹工原創(chuàng),劉工只是略做修改,加入了一些與國(guó)標(biāo)的對(duì)比而已,所以感謝曹工對(duì)此公眾號(hào)做出的貢獻(xiàn)。(此處應(yīng)有掌聲)

話說,如果剛開始學(xué)習(xí)歐標(biāo),又想有點(diǎn)成就,那就必須專找軟柿子貼,而EN 1991-1-5不幸成為第一個(gè)目標(biāo)。簡(jiǎn)單來說一下,EN 1991-1-5是專門寫溫度效應(yīng)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(jiǎn)單的一個(gè)溫度應(yīng)力,也不是很好搞,所以有必要把此本歐標(biāo)通讀一下,有個(gè)整體的概念。

歐標(biāo)里介紹了三種不同結(jié)構(gòu)的溫度分布,包括建筑物;橋梁;工業(yè)建筑(如煙筒、管道、水池、冷卻塔等),但規(guī)范并沒有明確給出計(jì)算溫度作用大小的公式(不會(huì)的同學(xué)可以自行翻閱材料力學(xué))。在結(jié)構(gòu)軟件中(如Midas,SAP2000),可以直接輸入溫度分布,軟件會(huì)根據(jù)材料的線性膨脹系數(shù)計(jì)算得出熱力作用大小。規(guī)范的附錄C列出了一些材料的線性膨脹系數(shù)。本人曾經(jīng)做過驗(yàn)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(jié)果完全一致。

規(guī)范正文里給出了如何確定結(jié)構(gòu)部件的溫度分布。一個(gè)部件上的溫度分布由以下四個(gè)部分組成:

(a)均勻溫度,ΔTU;

(b)關(guān)于z-z軸線性溫差,ΔTMy;

(c)關(guān)于y-y軸線性溫差,ΔTMz;

(d)非線性溫差,ΔTE。

這四個(gè)組成部分如圖所示:

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歐標(biāo)中規(guī)定,當(dāng)結(jié)構(gòu)受溫度影響而有可能超過極限狀態(tài)(Ultimate limit state)或者正常使用極限狀態(tài)(Serviceability limit state)時(shí),要考慮溫度作用。所以在溫度作用很小的時(shí)候,不需考慮溫度作用。

當(dāng)劉工看到這一條的時(shí)候,還是非常吃驚的,什么?ULS居然不要考慮溫度作用???但是,規(guī)范確確實(shí)實(shí)是這樣說的,劉工把原版的條款列出來供大家討論:

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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(nèi)側(cè)和外側(cè)溫差造成,或者是同一面上不同層上的溫差造成

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

對(duì)于平均溫度(T),規(guī)范里給了兩種計(jì)算方法。一種是比較簡(jiǎn)單的用(室內(nèi)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(jì)算出準(zhǔn)確的數(shù)值。如果對(duì)溫度荷載的精度要求不是特別高,推薦用第一種簡(jiǎn)便方法。室內(nèi)溫度(Tin)和室外溫度(Tout)規(guī)范里面有推薦數(shù)值,對(duì)于冬季,夏季,地上建筑和地下建筑都有不同的數(shù)值。如果有國(guó)家附件,則需要參考國(guó)家附件。下面是規(guī)范里的推薦值。

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初始溫度T0從國(guó)家附件得到。如果沒有國(guó)家附件,可以取建筑物完成時(shí)的氣溫。如果不能預(yù)測(cè)完成時(shí)的氣溫,規(guī)范推薦使用100作為初始溫度(T0)。

所以,比起GB 50009, 歐標(biāo)里面考慮了構(gòu)件截面溫度的線性變化,但是只有在特定的情況下才會(huì)使用,其他的和GB的計(jì)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(biāo)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

均勻溫度作用;
豎向溫差作用;
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(jié)構(gòu)溫度Te.min和最大結(jié)構(gòu)溫度Te.max規(guī)范里有簡(jiǎn)單明了的公式來算得。對(duì)于不同類型的橋面,有不同的系數(shù)。

所以,此處需要注意的是,在計(jì)算橋梁的均勻溫度作用時(shí),并不是查出場(chǎng)地的溫差就可以使用的,需要換算成為所謂的橋梁結(jié)構(gòu)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(guī)中沒有講得非常明確。

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其中Type1是鋼橋, Type 2是鋼混復(fù)合結(jié)構(gòu)橋,Type 3是混凝土橋。遮蔭處最小/最大氣溫值(Tmin/Tmax) 應(yīng)從國(guó)家附錄或者國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等溫線圖中取得。

初始溫度T0在國(guó)家附件里有定義。如果沒有國(guó)家附件,可以取建筑物完成時(shí)的氣溫。如果不能預(yù)測(cè)完成時(shí)的氣溫,規(guī)范推薦使用100作為初始溫度(T0)。

舉個(gè)例子,一座混凝土橋,回歸年限100年,應(yīng)用新加坡國(guó)家附錄,如何確定ΔTN,CON和ΔTN,EXP呢?

查國(guó)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(jì)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(guī)范里給了這兩種情況的推薦值。

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以上的表中的數(shù)據(jù)是假設(shè)橋面50mm鋪裝,對(duì)于其他厚度的鋪裝,需要乘上一個(gè)系數(shù)ksur。

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非線性的溫差也有加熱和冷卻兩種情況。規(guī)范里對(duì)于三種類型的橋梁的非線性溫差有明確的說明。舉個(gè)例子,一個(gè)混凝土橋,梁加板共2.2m高,橋面鋪裝100mm,使用歐洲規(guī)范新加坡國(guó)家附錄進(jìn)行設(shè)計(jì),非線性的溫差應(yīng)該怎么考慮呢。根據(jù)混凝土橋的規(guī)定,