劉工帶你讀 EN 1991-1-5（一）【轉(zhuǎn)載】

2016-11-06  by:CAE仿真在線(xiàn)  來(lái)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(huà)說(shuō),如果剛開(kāi)始學(xué)習(xí)歐標(biāo),又想有點(diǎn)成就,那就必須專(zhuān)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(lái)說(shuō)一下,EN 1991-1-5是專(zhuān)門(mén)寫(xiě)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(méi)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(xiàn)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(xiàn)性膨脹系數(shù)。本人曾經(jīng)做過(guò)驗(yàn)證,用midas civil算得得橋梁截面豎向非線(xiàn)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(xiàn)性溫差,ΔTMy; 

(c)關(guān)于y-y軸線(xiàn)性溫差,ΔTMz;

(d)非線(xiàn)性溫差,ΔTE。

這四個(gè)組成部分如圖所示:

歐標(biāo)中規(guī)定,當(dāng)結(jié)構(gòu)受溫度影響而有可能超過(guò)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(shuō)的,劉工把原版的條款列出來(lái)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(xiàn)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

(c) 溫差,ΔTP,代表一個(gè)結(jié)構(gòu)中不同部件的溫差

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(xiàn)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(lái)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。

初始溫度T0從國(guó)家附件得到。如果沒(méi)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(xiàn)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(lái)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

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(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(lái)算得。對(duì)于不同類(lèi)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(lèi)似于JTG D60表4.3.10(2)的概念,但是交規(guī)中沒(méi)有講得非常明確。

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(xiàn)圖中取得。

初始溫度T0在國(guó)家附件里有定義。如果沒(méi)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(xiàn)性,一種是非線(xiàn)性。

線(xiàn)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。

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。

非線(xiàn)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(lèi)型的橋梁的非線(xiàn)性溫差有明確的說(shuō)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(xiàn)性的溫差應(yīng)該怎么考慮呢。根據(jù)混凝土橋的規(guī)定,

在加熱狀態(tài)下,

h1 =0.15m,

h2 =0.25m,

h3 =0.2m,

ΔT1= 130C,

ΔT2= 30C,

ΔT3= 2.50C。

按照新加坡國(guó)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(tài)下的步驟是一樣的,要注意的是,新加坡的國(guó)家附錄中,對(duì)冷卻狀態(tài)的溫度規(guī)定有調(diào)整。(這個(gè)很可能是一個(gè)規(guī)范的印刷錯(cuò)誤,主要是在降溫狀態(tài)下h3所代表的高度)

橫向溫差分量通常不需要考慮,只有當(dāng)橋面的一側(cè)和另一側(cè)光照條件有很大不同時(shí)才需要考慮。

對(duì)于一個(gè)部件,均溫分量和豎向溫差分量是同時(shí)存在的,不過(guò)在相加時(shí)有一個(gè)系數(shù)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(gè)作用,那么按照概率設(shè)計(jì)法,必須要有折減,而在橋梁的設(shè)計(jì)中,我們同時(shí)考慮了均勻溫差與截面溫差兩個(gè)作用,所以歐標(biāo)規(guī)定了以下組合:

組合之后,可以作為一個(gè)溫度的荷載代入到最后的組合系數(shù)當(dāng)中。這點(diǎn)與交規(guī)還是有些差別的,交規(guī)好像是沒(méi)有區(qū)分這兩個(gè)作用,所以是沒(méi)有折減一起考慮的,此處我認(rèn)為歐標(biāo)更為恰當(dāng)。

以上是橋面的溫度分布確定方法。橋墩的溫度分布比較簡(jiǎn)單。對(duì)于橋墩,相反兩面的溫差是5度,并且呈線(xiàn)性分布。對(duì)于空心橋墩,內(nèi)側(cè)和外側(cè)溫差為15度,呈線(xiàn)性分布。如果有國(guó)家規(guī)范,需要查國(guó)家規(guī)范的數(shù)值。

 

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

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