搜索刘工带你读 EN 1991-1-5（一）【转载】
2016-11-06 by:CAE仿真在线 来源:互联网
首先申明,此文是刘工的同事曹工原创,刘工只是略做修改,加入了一些与国标的对比而已,所以感谢曹工对此公众号做出的贡献。(此处应有掌声)
话说,如果刚开始学习欧标,又想有点成就,那就必须专找软柿子贴,而EN 1991-1-5不幸成为第一个目标。简单来说一下,EN 1991-1-5是专门写温度效应的,等同于GB 50009第9章和JTG D60 4.3.10这两部分。即使是这么简单的一个温度应力,也不是很好搞,所以有必要把此本欧标通读一下,有个整体的概念。
欧标里介绍了三种不同结构的温度分布,包括建筑物;桥梁;工业建筑(如烟筒、管道、水池、冷却塔等),但规范并没有明确给出计算温度作用大小的公式(不会的同学可以自行翻阅材料力学)。在结构软件中(如Midas,SAP2000),可以直接输入温度分布,软件会根据材料的线性膨胀系数计算得出热力作用大小。规范的附录C列出了一些材料的线性膨胀系数。本人曾经做过验证,用midas civil算得得桥梁截面竖向非线性温差的热力作用大小,和手算的结果完全一致。
规范正文里给出了如何确定结构部件的温度分布。一个部件上的温度分布由以下四个部分组成:
(a)均匀温度,ΔTU;
(b)关于z-z轴线性温差,ΔTMy;
(c)关于y-y轴线性温差,ΔTMz;
(d)非线性温差,ΔTE。
这四个组成部分如图所示:
欧标中规定,当结构受温度影响而有可能超过极限状态(Ultimate limit state)或者正常使用极限状态(Serviceability limit state)时,要考虑温度作用。所以在温度作用很小的时候,不需考虑温度作用。
当刘工看到这一条的时候,还是非常吃惊的,什么?ULS居然不要考虑温度作用???但是,规范确确实实是这样说的,刘工把原版的条款列出来供大家讨论:
1. 首先讲建筑物怎么确定其温度分布。
建筑物上的温度分布有以下三部分。
(a) 均匀温度,ΔTU=平均温度T -初始温度T0
(b) 线性温度,ΔTM,由横截面内侧和外侧温差造成,或者是同一面上不同层上的温差造成
(c) 温差,ΔTP,代表一个结构中不同部件的温差
通常在计算时建筑物的热力作用时,只需考虑均匀温度(ΔTU)。规范里只介绍了怎么计算均匀温度(ΔTU)。线性温度(ΔTM)和温差(ΔTP)只在特定的项目中给出具体数值时才考虑。
对于平均温度(T),规范里给了两种计算方法。一种是比较简单的用(室内温度Tin- 室外温度Tout)得到;另一种方法在附录D中有介绍,要用到很多公式来计算出准确的数值。如果对温度荷载的精度要求不是特别高,推荐用第一种简便方法。室内温度(Tin)和室外温度(Tout)规范里面有推荐数值,对于冬季,夏季,地上建筑和地下建筑都有不同的数值。如果有国家附件,则需要参考国家附件。下面是规范里的推荐值。
初始温度T0从国家附件得到。如果没有国家附件,可以取建筑物完成时的气温。如果不能预测完成时的气温,规范推荐使用100作为初始温度(T0)。
所以,比起GB 50009, 欧标里面考虑了构件截面温度的线性变化,但是只有在特定的情况下才会使用,其他的和GB的计算原理是一样的(毕竟是软柿子嘛)
2. 建筑物上的热力作用讲完了,接下来讲桥梁上的热力作用。
欧标里给出了桥面和桥墩上的温度变化。首先是桥面上的温度分布,由三部分组成,分别为
-
均匀温度作用;
-
竖向温差作用;
-
横向温差作用。
均匀温度作用有两种形式,一种是起收缩作用,一种是起膨胀作用,
收缩作用的均温分量特征值,ΔTN,CON= 初始温度T0- 最小均温分量Te.min
膨胀作用的均温分量特征值,ΔTN,EXP= 最大均温分量Te.max- 初始温度T0
最小结构温度Te.min和最大结构温度Te.max规范里有简单明了的公式来算得。对于不同类型的桥面,有不同的系数。
所以,此处需要注意的是,在计算桥梁的均匀温度作用时,并不是查出场地的温差就可以使用的,需要换算成为所谓的桥梁结构的最高温和最低温,类似于JTG D60表4.3.10(2)的概念,但是交规中没有讲得非常明确。
其中Type1是钢桥, Type 2是钢混复合结构桥,Type 3是混凝土桥。遮荫处最小/最大气温值(Tmin/Tmax) 应从国家附录或者国家标准等温线图中取得。
初始温度T0在国家附件里有定义。如果没有国家附件,可以取建筑物完成时的气温。如果不能预测完成时的气温,规范推荐使用100作为初始温度(T0)。
举个例子,一座混凝土桥,回归年限100年,应用新加坡国家附录,如何确定ΔTN,CON和ΔTN,EXP呢?
查国家附录得,遮荫处最小/最大气温值(Tmin/Tmax)为19.20作和360。最小均温分量Te.min和最大均温分量Te.max分别为27.20作和380。初始温度(T0)为270。所以ΔTN,CON和ΔTN,EXP分别为-0.20作和110。
竖向温差分量有两种计算方法,一种是线性,一种是非线性。
线性的温差有两种,一种是顶部温度高于底部,另一种相反,底部高于顶部。这两种情况要分别考虑。规范里给了这两种情况的推荐值。
以上的表中的数据是假设桥面50mm铺装,对于其他厚度的铺装,需要乘上一个系数ksur。
非线性的温差也有加热和冷却两种情况。规范里对于三种类型的桥梁的非线性温差有明确的说明。举个例子,一个混凝土桥,梁加板共2.2m高,桥面铺装100mm,使用欧洲规范新加坡国家附录进行设计,非线性的温差应该怎么考虑呢。根据混凝土桥的规定,
在加热状态下,
h1 =0.15m,
h2 =0.25m,
h3 =0.2m,
ΔT1= 130C,
ΔT2= 30C,
ΔT3= 2.50C。
按照新加坡国家附录,初始温度(T0)为270C,所以在软件中输入:
T0=270C,
T1= 400C,
T2= 300C,
T3= 29.50C。
冷却状态下的步骤是一样的,要注意的是,新加坡的国家附录中,对冷却状态的温度规定有调整。(这个很可能是一个规范的印刷错误,主要是在降温状态下h3所代表的高度)
横向温差分量通常不需要考虑,只有当桥面的一侧和另一侧光照条件有很大不同时才需要考虑。
对于一个部件,均温分量和竖向温差分量是同时存在的,不过在相加时有一个系数存在。
均温分量+ 0.75 x 竖向温差分量
或者为,
0.35x 均温分量 + 竖向温差分量
如果考虑了两个作用,那么按照概率设计法,必须要有折减,而在桥梁的设计中,我们同时考虑了均匀温差与截面温差两个作用,所以欧标规定了以下组合:
组合之后,可以作为一个温度的荷载代入到最后的组合系数当中。这点与交规还是有些差别的,交规好像是没有区分这两个作用,所以是没有折减一起考虑的,此处我认为欧标更为恰当。
以上是桥面的温度分布确定方法。桥墩的温度分布比较简单。对于桥墩,相反两面的温差是5度,并且呈线性分布。对于空心桥墩,内侧和外侧温差为15度,呈线性分布。如果有国家规范,需要查国家规范的数值。
以上是欧标热力作用讲解的前半部分。后半部分将介绍欧标中如何考虑工业建筑(如烟筒、管道、水池、冷却塔)的热力作用。如果有任何问题,或任何建议,欢迎讨论。
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