多層混凝土結構初步設計階段應用中歐規范時主要參數設定對比

程 浩

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司， 上海 200092)

多層混凝土結構初步設計階段應用中歐規范時主要參數設定對比

程 浩*

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司， 上海 200092)

從上部混凝土結構初步設計相關的主要參數設定上，比較中歐規范的異同。中歐規范對結構重要性的分類、設計使用年限的分類基本一致，各類極限狀態下的組合表達式形式基本一致，但在荷載分項系數上有差異。同中國規范相比，歐洲規范的活荷載整體取值更高，對雪荷載的計算更為細致，對風荷載的計算有一定區別。中歐規范對普通鋼筋的強度和延性的要求類似，混凝土強度設計值差別不大，但歐洲規范對耐久性要求更高。在參考歐洲規范設計時，應注意基本組合的選擇和國家附錄對部分參數取值的變化。

混凝土結構, 歐洲規范, 初步設計, 參數設定

1 研究背景

本工程為中國在歐洲的一個新建項目，多層混凝土結構，結構形式為異形柱框架-剪力墻結構和框架結構，最大建筑高度20 m，無抗震設防要求。按照業主要求，初步設計階段按照中國規范進行設計，在參數設定上盡量兼顧歐洲規范，以避免按照歐洲規范復核時出現大的修改。

中國規范和歐洲規范均為完整而嚴密的體系，在設計理念、設計原則以及設計要求上有明顯的區別。歐洲規范從2000年開始頒布至今一直受到廣泛的關注，也是國內院校的研究重點。文獻[1-5]較為完整地研究了歐洲規范EN1990，EN1991和EN1992對設計基本規定、作用和混凝土結構的要求。上述文獻側重從研究的角度，對比和分析了中國規范和歐洲規范(以下簡稱“中歐規范”)，較少從設計的角度去處理中歐規范的區別。

部分涉外項目在設計過程中采用的辦法是在ETABS等通用設計軟件中直接選取歐洲規范進行設計[6]，但在這些通用設計軟件中仍然有部分參數需要輸入。例如在ETABS中需要人工輸入計算風荷載的結構系數cs和cd。因此，涉外項目在結構初步設計階段，至少要在一些技術要點上明確中歐規范的區別。

本項目在初步設計階段，首先面臨的難點是結構安全等級、荷載取值、材料強度等參數的確定。本文嘗試在結構初步設計階段，在同上部結構有關的主要參數的設定上對比分析中歐規范，并給出設計建議，以供涉外工程技術人員參考。

下文依次從結構設計基本規定、作用和混凝土結構材料及其耐久性方面進行對比分析。按照設計習慣，下文將EN1990簡稱為EC0[7]，EN1991簡稱為EC1[8]，依次類推EC2[9]，EC3[10]。常用的中國規范，如GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(以下簡稱“混規”)。除注明外，所涉及的中國規范均為最新版本。

2 結構設計基本規定

2.1 結構安全等級

重要性分類依據上，中歐規范基本一致[5]。

混規3.3.2條規定了承載能力極限狀態設計表達式γ0S≤R0 EC0[7]在Annex B中規定了失效后果等級，按照重要性從低到高依次為CC1，CC2，CC3，及與之對應的可靠度等級RC1，RC2，RC3。EC0有兩種設計方法，第一種是“作用”，根據可靠度等級乘以KFI(見EC0的Table B3)，第二種是“抗力”，根據可靠度等級乘以γM，EC3[10]中的鋼結構疲勞驗算采用了這一方法。從表1可知，第一種方法與混規一致。

表1 重要性系數

Table 1 Coefficients for importance of structures

2.2 設計使用年限

EC0對普通的房屋建筑，設計使用年限為50年，同中國的可靠度統一標準[11]基本一致。但EC0國家附錄的要求稍有變化，見表2。如果設計臨時結構或農用結構時，應注意歐洲規范及其國家附錄的要求。

表2 結構設計使用年限對比

Table 2 Comparison of design working life

注：“英”引用英國國家附錄[16]，“中”引用可靠度統一標準和橋涵通用規范[17]。

2.3 極限狀態與分項系數

中歐規范均分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。由于歐洲規范基本涵蓋了建筑與土木工程的所有材料、荷載和結構體系，EC0將承載能力極限狀態分為EQU，STR，GEO和FAT，依次對應靜力平衡狀態、結構承載力極限狀態、巖土承載力極限狀態和疲勞極限狀態，對四種極限狀態的詳細解釋見文獻[3]和文獻[5]。正常使用極限狀態下的標準組合、頻遇組合和準永久組合，中歐規范基本一致[5]。

EC0對承載力極限狀態下“作用”Ed的基本組合見式(1)(EC0的式(6.10))，也允許在式(2)和式(3)(EC0的式(6.10a)、式(6.10b))中取大值。ξ為恒載折減系數，ψ為活載組合值系數。

(1)

(2)

(3)

部分文獻對于EC0這一條文的理解并不一致。

文獻[2]給出STR極限狀態B組下的常用組合是：

1.35×恒載+1.5×活載

文獻[4]給出的STR常用組合是(二者取大)：

1.35×恒載+1.5ψ0,L×活載；

1.35×0.85×恒載+1.5×活載

EC0的Annex A中Table A1.2(B)的注1明確指出：在國家附錄中選擇式(1)或式(2)、式(3)。EC0的英國國家附錄[12]中這兩組公式均可。

通常式(2)、式(3)的結果比式(1)小，可用折減參數χ來衡量其差距[13]，見表3。

表3 折減參數χ

Table 3 Reduction factor χ

注：γG=1.35，γQ=1.35，ψ0=0.7，ξ=0.925。

另外，恒載折減系數ξ不一定是0.85。EC0給出的建議值是0.85～1.0，通常國家附錄中會給出取值大小，例如英國取0.925。

在ETABS的首選項定義中，需要選擇按照式(1)還是按照式(2)、式(3)計算。本項目在計算時，按照EC0自定義荷載組合，承載力極限狀態基本組合按照式(1)執行。

3 作用

3.1 活荷載

樓面和屋面活荷載，EC1-1-1的Table 6.1和Table 6.2給出了取值范圍和建議值，所取的最小值一般低于中國荷載規范[14]，但建議值一般高于或等于中國荷載規范。典型的取值對比見表4。

表4 典型的活荷載取值對比

Table 4 Typical comparison of live load kN/m2

注：有下劃線的值為建議值。

EC1的6.3.1.2節給出了墻柱活荷載折減系數αn的建議算法(式(4))，同中國荷載規范的對比見表5。EC1較荷載規范偏于保守。

(4)

式中，n為計算截面以上層數，荷載種類相同。

表5 活荷載折減系數αn

Table 5 Reduction factor of live load

本項目活荷載根據業主的需求，參照中歐規范取包絡值確定，活荷載折減系數按照歐洲規范執行。

3.2 雪荷載

EC1-1-3[15]是歐洲規范中專門針對雪荷載的一本規范。式(5)為荷載規范對雪荷載標準值的計算式。而EC1-1-3更為細致，要求計算三種狀況下的雪荷載：式(6)對應持久短暫設計狀況，式(7)對應罕遇雪荷載參與的偶然組合，式(8)對應罕遇漂積雪荷載參與的偶然組合。更詳細的對比見文獻[13,19-20]。

sk=μrs0

(5)

s=μiCeCtsk

(6)

s=μiCeCtCeslsk

(7)

s=μisk

(8)

式中，Ce為暴露系數；Ct為熱系數；μi為屋面形狀系數；Cesl為罕遇雪荷載系數，通常取2.0。

中歐規范的雪荷載重現期均為50年，概念上EC1-1-3中的屋面形狀系數類似于荷載規范中的雪荷載分布系數。

EC1-1-3對斜屋面角度α<30°時，μi均取0.8，但英國的國家附錄[16]中增大了15°～30°時的μi。荷載規范對平屋面斜屋面角度α<25°時，μi均取1.0。

本工程雪荷載特征值sk由外方咨詢公司提供。由于基本為平屋面，因此按照歐規的計算工作大大簡化，取Ce=1.2，Ct=1.0，μi=0.8。在基本組合下，雪荷載標準值按照EC1-1-3的計算結果和荷載規范接近，不考慮漂積。對于偶然組合，采用單獨建模，修改材料強度及荷載組合的方法處理。

3.3 風荷載

EC1-1-4[17]是歐洲規范中專門針對風荷載的一本規范。作用在建筑物上的風壓力，基本計算思路是根據方向、季節、粗糙度和地形修正基本風速，計算基本風壓，考慮瞬時脈動影響得到動壓力峰值qp，引入結構系數cs和cd反映建筑物上風壓值出現的時間(cs)與紊流引起的結構振動(cd)的不同步[3]，再乘以壓力系數cpe和表面積，即得到風壓力標準值。

EC1-1-4對風荷載標準值的計算見式(9)、式(10)(為方便對比，同原文稍有變化)，荷載規范的計算見式(11)。

qec=cscdcpeqp(ze)

(9)

qp(ze)=ce(z)qb

(10)

ωk=βzμsμzω0

(11)

式中cscd——結構系數；

cpe——外表面風壓壓力系數，類似于荷載規范的體型系數μs；

qp——計算高度ze處的動壓力峰值，對應平均風速和湍流分量之和產生的風壓；

qb——按照地面粗糙度、地形調整后的基本風壓，一定程度上近似于荷載規范的ω0。

中歐規范度對風荷載的重現期和時距是一致的，不需要進行換算。按照文獻[16]的結論，同一高度、粗糙度下，100m以下建筑高度，按照06版荷載規范計算得到的風荷載標準值小于歐洲規范。12版荷載規范[18]對風振系數的計算，由以脈動增大系數為主要參數，改為以背景分量和共振分量為主要參數。國內暫沒有12版荷載規范同EC1-1-4之間的對比研究。

在ETABS中定義風荷載，除風速和場地類別外，還需要輸入結構系數cs和cd、地形系數c0、湍流系數kI。

結構系數cs和cd為歐規特有參數，其手算過程見文獻[19]。EC1-1-4的Annex D給出了cs和cd的安全取值包絡圖。例如對于多層混凝土結構，其取值在1.0左右(圖1)。

地形系數c0的算法見EC1-1-4的4.3節和Annex A2，默認值1.0。湍流系數kI的算法見EC1-1-4的4.4節，默認值1.0。ETABS中定義風荷載的選項卡誤將kI標識為k1。

圖1 底部四邊形，豎直外墻且剛度和質量分布均勻的多層混凝土結構的cscd值

由于風荷載的計算參數、計算步驟以及風剖面上，中歐規范區別較大，本工程采用通用計算軟件ETABS進行結構復核，同時根據外方咨詢公司提供的動壓力峰值qp，手算復核風荷載作用下的底部總剪力。

4 混凝土結構材料及其耐久性

4.1 混凝土的材料取值

EC2-1-1[9]基本同中國混規相對應。EC2采用圓柱體抗壓強度作為抗壓設計的力學指標，其混凝土材料分項系數為1.5(偶然狀況下為1.2)。中歐規范的混凝土強度設計值對比見表6，區別不大。

表6 混凝土強度設計值

Table 6 Design values of concrete strength N/mm2

注：① C20/25斜線前數值為圓柱體抗壓強度，斜線后數值為立方體抗壓強度; ② 抗壓強度EC2-1-1一欄計算式為αccfck/1.5，αcc取0.85，fck為圓柱體抗壓強度特征值；③ 抗拉強度EC2-1-1一欄計算式為αctfctk,0.05/1.5，αct取1.0，fctk,0.05為95%保證率的抗拉強度特征值。

指“考慮抗壓強度長期效應及加載方式不利影響的的系數”。E2-1-1中3.1.6條的建議值是1.0。英國國家附錄中Table NA.1[20]的建議是“壓彎和軸壓時取0.85，其他情況取1.0，也可偏保守的所有情況下均取0.85”。文獻[13]對其的解釋是“取0.85是對預測強度和試驗獲得強度之間差距的校準”。準確的講，αcc取0.85時中歐規范的混凝土強度設計值才接近。在ETABS中，αcc和αct的設定是開放的，默認是1.0。

EC2-1-1的3.1.7節給出了兩種簡化的應力應變關系，供正截面承載力計算，分別是拋物線和雙直線兩種形式。提供的拋物線形應力應變關系見式(12)。以C25/30為例，n=2，εc=0.002，εc2=0.0035。同混規相比，較低標號的混凝土受壓應力應變關系基本一致。

(12)

由于混凝土擬從當地泵站購買，本項目的混凝土強度參照EC2-1-1取值。αcc取0.85。

4.2 普通鋼筋的材料取值

對鋼筋材性的要求主要見EC2-1-1的Annex C，對鋼筋的檢測要求見EN10080。中歐規范對普通鋼筋的強度取值對比見表7?；煲?.2.3條的條文說明指出，熱軋鋼筋的材料分項系數γs取1.10，新列入的HPB500取1.15，EC2的2.4.2.4條建議γs均取1.15(偶然狀況下為1.0)。

表7 普通鋼筋強度設計值

Table 7 Design strength of reinforced steel N/mm2

注：HRB為中國規范鋼筋符號，B為歐洲規范鋼筋符號

EC2-1-1采用極限應變εuk和強屈比來控制鋼筋延性，從低到高依次為A，B，C三級，相比較，混規采用總伸長率來控制鋼筋延性。EC2-1-1的Table C.1中A，B，C三個延性等級的強屈比，依次為≥1.05、≥1.08、1.35>k≥1.15(C級k的建議值為1.25，同抗震規范[12]要求一致)。Annex C要求普通鋼筋的實際屈服強度不超過屈服強度特征值的1.3倍，同抗震規范[12]要求一致。

由于鋼材本身是一種勻質材料，中歐規范對其的規定區別不大。本項目擬采用的鋼筋，根據外方咨詢公司的意見確定。

4.3 耐久性要求

EC2-1-1中的章節4對混凝土耐久性和鋼筋保護層提出了要求。文獻[21]對比了耐久性設計規范[22]同EC2-1-1在耐久性設計上的異同。由于EC2的國家附錄之間，以及國家附錄同EC2-1-1相比，也有一定的差異，且10版混規在耐久性方面有明顯修改，因此本節在混規同EC2-1-1、英國國家附錄之間做了簡要的對比。

表8 混凝土耐久性要求對比

Table 8 Comparison of durability requirements for concrete

注：① 英國國家附錄中，最低混凝土強度等級是同保護層厚度相關的，越厚則要求的強度越低，甚至可以比EC2-1-1的要求還低，最大水膠比和最小水泥用量，英國國家附錄中的取值也是同保護層厚度有關的；② 本表中的最小保護層厚度沒有考慮鋼筋直徑，且不考慮附加安全厚度，不銹鋼和鋼筋涂層等情況；③ 本表僅針對梁柱進行對比。

按照EC2-1-1執行耐久性要求時，首先確定暴露等級(類似混規的環境類別)和結構等級，后者用來按照設計使用年限、混凝土強度等級、樓板等因素修正保護層厚度。

中歐規范均用最外層鋼筋至混凝土邊緣的距離確定最小保護層厚度。無特殊情況時EC2-1-1的最小保護層厚度定義見式(13)。

cnom=max(cmin,b,cmin,dur,10 mm)+Δcdev

(13)

式中cmin,b——使用普通鋼筋時，即為鋼筋直徑；

cmin,dur——按照環境條件規定的最小保護層厚度；

Δcdev——保護層偏差，一般取10 mm。

當結構等級為S4，設計使用年限50年時，耐久性要求對比見表8。在最小保護層厚度、最低強度等級上EC2的要求均比混規高。另一區別是，當設計使用年限為100年時，混規8.2.1條規定“最外層鋼筋的保護層厚度不應小于表8.2.1中數值的1.4倍”，而EC2-1-1中Table 4.3N的要求是提高結構等級2級。試算表明，這一點上EC2仍比混規要求略高。

總的來說，EC2-1-1對耐久性的要求遠比混規詳細，其國家附錄也更為細致而靈活。本項目計算時，梁柱保護層厚度取25mm(對應EC2規定的暴露等級XC1，結構等級S4)，樓板保護層厚度取20mm(對應EC2規定的暴露等級XC1，結構等級S3)，最低混凝土強度等級為C25/30。

5 結 論

本文嘗試在結構初步設計階段，針對上部結構相關的主要參數的設定，比較中歐規范的異同：

(1)對于結構設計基本規定，就普通的混凝土結構而言，中歐規范對重要性的定義，和重要性等級在承載力極限狀態基本組合中的體現基本一致。承載力極限狀態(僅指歐洲規范中STR)和正常使用極限狀態下的基本組合、標準組合、頻遇組合和準永久組合表達式，中歐規范基本一致，但荷載分項系數不同。執行歐規時注意基本組合是否選擇EC0的式(6.10)。

(2)歐洲規范的活荷載整體取值比中國高，雪荷載的定義考慮了環境遮擋和采暖的影響，更加細致。風荷載的計算參數、計算步驟以及風剖面上，中歐規范區別較大。

(3)中歐規范對普通鋼筋的強度和延性要求接近，歐規允許使用的鋼筋強度等級更高?；炷量箟簭姸仍O計值接近，低標號混凝土的拋物線形受壓應力應變關系接近。執行歐規時注意參數αcc和αct的設定。歐洲規范在混凝土耐久性上的要求比中國的混凝土規范細致，鋼筋保護層厚度略大。

(4)在執行歐洲規范時，需注意參考國家附錄的規定，尤其是荷載取值和耐久性要求。

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Parameter Comparison Between Chinese and European Codes for Multistory Concrete Structures

CHENG Hao*

(Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

Parameters in Chinese and European codes for multistory concrete structures were compared. Specifications related to consequence definition, design life, and load combination in Chinese code are similar to those in European code. However, the values of loading factors are different between two codes. Comparing to Chinese code, the values of the uniformly distributed live loads are larger in the European code. The calculating methods about snow loads are simialr but the specification about wind loads are different in two codes. In both codes, steel strength is similar but concrete strength is slightly different. Durability is more demanding in European codes. Therefore, parameter seletion and load combination need to be carefully considered when using the two diffferent codes.

concrete structure, Eurocode, structural design, parameter selection

2013-12-30

*聯系作者，Email: bianjinghuash@sina.com