多层混凝土结构初步设计阶段应用中欧规范时主要参数设定对比

程 浩

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司， 上海 200092)

多层混凝土结构初步设计阶段应用中欧规范时主要参数设定对比

程 浩*

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司， 上海 200092)

从上部混凝土结构初步设计相关的主要参数设定上，比较中欧规范的异同。中欧规范对结构重要性的分类、设计使用年限的分类基本一致，各类极限状态下的组合表达式形式基本一致，但在荷载分项系数上有差异。同中国规范相比，欧洲规范的活荷载整体取值更高，对雪荷载的计算更为细致，对风荷载的计算有一定区别。中欧规范对普通钢筋的强度和延性的要求类似，混凝土强度设计值差别不大，但欧洲规范对耐久性要求更高。在参考欧洲规范设计时，应注意基本组合的选择和国家附录对部分参数取值的变化。

混凝土结构, 欧洲规范, 初步设计, 参数设定

1 研究背景

本工程为中国在欧洲的一个新建项目，多层混凝土结构，结构形式为异形柱框架-剪力墙结构和框架结构，最大建筑高度20 m，无抗震设防要求。按照业主要求，初步设计阶段按照中国规范进行设计，在参数设定上尽量兼顾欧洲规范，以避免按照欧洲规范复核时出现大的修改。

中国规范和欧洲规范均为完整而严密的体系，在设计理念、设计原则以及设计要求上有明显的区别。欧洲规范从2000年开始颁布至今一直受到广泛的关注，也是国内院校的研究重点。文献[1-5]较为完整地研究了欧洲规范EN1990，EN1991和EN1992对设计基本规定、作用和混凝土结构的要求。上述文献侧重从研究的角度，对比和分析了中国规范和欧洲规范(以下简称“中欧规范”)，较少从设计的角度去处理中欧规范的区别。

部分涉外项目在设计过程中采用的办法是在ETABS等通用设计软件中直接选取欧洲规范进行设计[6]，但在这些通用设计软件中仍然有部分参数需要输入。例如在ETABS中需要人工输入计算风荷载的结构系数cs和cd。因此，涉外项目在结构初步设计阶段，至少要在一些技术要点上明确中欧规范的区别。

本项目在初步设计阶段，首先面临的难点是结构安全等级、荷载取值、材料强度等参数的确定。本文尝试在结构初步设计阶段，在同上部结构有关的主要参数的设定上对比分析中欧规范，并给出设计建议，以供涉外工程技术人员参考。

下文依次从结构设计基本规定、作用和混凝土结构材料及其耐久性方面进行对比分析。按照设计习惯，下文将EN1990简称为EC0[7]，EN1991简称为EC1[8]，依次类推EC2[9]，EC3[10]。常用的中国规范，如GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(以下简称“混规”)。除注明外，所涉及的中国规范均为最新版本。

2 结构设计基本规定

2.1 结构安全等级

重要性分类依据上，中欧规范基本一致[5]。

混规3.3.2条规定了承载能力极限状态设计表达式γ0S≤R0 EC0[7]在Annex B中规定了失效后果等级，按照重要性从低到高依次为CC1，CC2，CC3，及与之对应的可靠度等级RC1，RC2，RC3。EC0有两种设计方法，第一种是“作用”，根据可靠度等级乘以KFI(见EC0的Table B3)，第二种是“抗力”，根据可靠度等级乘以γM，EC3[10]中的钢结构疲劳验算采用了这一方法。从表1可知，第一种方法与混规一致。

表1 重要性系数

Table 1 Coefficients for importance of structures

2.2 设计使用年限

EC0对普通的房屋建筑，设计使用年限为50年，同中国的可靠度统一标准[11]基本一致。但EC0国家附录的要求稍有变化，见表2。如果设计临时结构或农用结构时，应注意欧洲规范及其国家附录的要求。

表2 结构设计使用年限对比

Table 2 Comparison of design working life

注：“英”引用英国国家附录[16]，“中”引用可靠度统一标准和桥涵通用规范[17]。

2.3 极限状态与分项系数

中欧规范均分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。由于欧洲规范基本涵盖了建筑与土木工程的所有材料、荷载和结构体系，EC0将承载能力极限状态分为EQU，STR，GEO和FAT，依次对应静力平衡状态、结构承载力极限状态、岩土承载力极限状态和疲劳极限状态，对四种极限状态的详细解释见文献[3]和文献[5]。正常使用极限状态下的标准组合、频遇组合和准永久组合，中欧规范基本一致[5]。

EC0对承载力极限状态下“作用”Ed的基本组合见式(1)(EC0的式(6.10))，也允许在式(2)和式(3)(EC0的式(6.10a)、式(6.10b))中取大值。ξ为恒载折减系数，ψ为活载组合值系数。

(1)

(2)

(3)

部分文献对于EC0这一条文的理解并不一致。

文献[2]给出STR极限状态B组下的常用组合是：

1.35×恒载+1.5×活载

文献[4]给出的STR常用组合是(二者取大)：

1.35×恒载+1.5ψ0,L×活载；

1.35×0.85×恒载+1.5×活载

EC0的Annex A中Table A1.2(B)的注1明确指出：在国家附录中选择式(1)或式(2)、式(3)。EC0的英国国家附录[12]中这两组公式均可。

通常式(2)、式(3)的结果比式(1)小，可用折减参数χ来衡量其差距[13]，见表3。

表3 折减参数χ

Table 3 Reduction factor χ

注：γG=1.35，γQ=1.35，ψ0=0.7，ξ=0.925。

另外，恒载折减系数ξ不一定是0.85。EC0给出的建议值是0.85～1.0，通常国家附录中会给出取值大小，例如英国取0.925。

在ETABS的首选项定义中，需要选择按照式(1)还是按照式(2)、式(3)计算。本项目在计算时，按照EC0自定义荷载组合，承载力极限状态基本组合按照式(1)执行。

3 作用

3.1 活荷载

楼面和屋面活荷载，EC1-1-1的Table 6.1和Table 6.2给出了取值范围和建议值，所取的最小值一般低于中国荷载规范[14]，但建议值一般高于或等于中国荷载规范。典型的取值对比见表4。

表4 典型的活荷载取值对比

Table 4 Typical comparison of live load kN/m2

注：有下划线的值为建议值。

EC1的6.3.1.2节给出了墙柱活荷载折减系数αn的建议算法(式(4))，同中国荷载规范的对比见表5。EC1较荷载规范偏于保守。

(4)

式中，n为计算截面以上层数，荷载种类相同。

表5 活荷载折减系数αn

Table 5 Reduction factor of live load

本项目活荷载根据业主的需求，参照中欧规范取包络值确定，活荷载折减系数按照欧洲规范执行。

3.2 雪荷载

EC1-1-3[15]是欧洲规范中专门针对雪荷载的一本规范。式(5)为荷载规范对雪荷载标准值的计算式。而EC1-1-3更为细致，要求计算三种状况下的雪荷载：式(6)对应持久短暂设计状况，式(7)对应罕遇雪荷载参与的偶然组合，式(8)对应罕遇漂积雪荷载参与的偶然组合。更详细的对比见文献[13,19-20]。

sk=μrs0

(5)

s=μiCeCtsk

(6)

s=μiCeCtCeslsk

(7)

s=μisk

(8)

式中，Ce为暴露系数；Ct为热系数；μi为屋面形状系数；Cesl为罕遇雪荷载系数，通常取2.0。

中欧规范的雪荷载重现期均为50年，概念上EC1-1-3中的屋面形状系数类似于荷载规范中的雪荷载分布系数。

EC1-1-3对斜屋面角度α<30°时，μi均取0.8，但英国的国家附录[16]中增大了15°～30°时的μi。荷载规范对平屋面斜屋面角度α<25°时，μi均取1.0。

本工程雪荷载特征值sk由外方咨询公司提供。由于基本为平屋面，因此按照欧规的计算工作大大简化，取Ce=1.2，Ct=1.0，μi=0.8。在基本组合下，雪荷载标准值按照EC1-1-3的计算结果和荷载规范接近，不考虑漂积。对于偶然组合，采用单独建模，修改材料强度及荷载组合的方法处理。

3.3 风荷载

EC1-1-4[17]是欧洲规范中专门针对风荷载的一本规范。作用在建筑物上的风压力，基本计算思路是根据方向、季节、粗糙度和地形修正基本风速，计算基本风压，考虑瞬时脉动影响得到动压力峰值qp，引入结构系数cs和cd反映建筑物上风压值出现的时间(cs)与紊流引起的结构振动(cd)的不同步[3]，再乘以压力系数cpe和表面积，即得到风压力标准值。

EC1-1-4对风荷载标准值的计算见式(9)、式(10)(为方便对比，同原文稍有变化)，荷载规范的计算见式(11)。

qec=cscdcpeqp(ze)

(9)

qp(ze)=ce(z)qb

(10)

ωk=βzμsμzω0

(11)

式中cscd——结构系数；

cpe——外表面风压压力系数，类似于荷载规范的体型系数μs；

qp——计算高度ze处的动压力峰值，对应平均风速和湍流分量之和产生的风压；

qb——按照地面粗糙度、地形调整后的基本风压，一定程度上近似于荷载规范的ω0。

中欧规范度对风荷载的重现期和时距是一致的，不需要进行换算。按照文献[16]的结论，同一高度、粗糙度下，100m以下建筑高度，按照06版荷载规范计算得到的风荷载标准值小于欧洲规范。12版荷载规范[18]对风振系数的计算，由以脉动增大系数为主要参数，改为以背景分量和共振分量为主要参数。国内暂没有12版荷载规范同EC1-1-4之间的对比研究。

在ETABS中定义风荷载，除风速和场地类别外，还需要输入结构系数cs和cd、地形系数c0、湍流系数kI。

结构系数cs和cd为欧规特有参数，其手算过程见文献[19]。EC1-1-4的Annex D给出了cs和cd的安全取值包络图。例如对于多层混凝土结构，其取值在1.0左右(图1)。

地形系数c0的算法见EC1-1-4的4.3节和Annex A2，默认值1.0。湍流系数kI的算法见EC1-1-4的4.4节，默认值1.0。ETABS中定义风荷载的选项卡误将kI标识为k1。

图1 底部四边形，竖直外墙且刚度和质量分布均匀的多层混凝土结构的cscd值

由于风荷载的计算参数、计算步骤以及风剖面上，中欧规范区别较大，本工程采用通用计算软件ETABS进行结构复核，同时根据外方咨询公司提供的动压力峰值qp，手算复核风荷载作用下的底部总剪力。

4 混凝土结构材料及其耐久性

4.1 混凝土的材料取值

EC2-1-1[9]基本同中国混规相对应。EC2采用圆柱体抗压强度作为抗压设计的力学指标，其混凝土材料分项系数为1.5(偶然状况下为1.2)。中欧规范的混凝土强度设计值对比见表6，区别不大。

表6 混凝土强度设计值

Table 6 Design values of concrete strength N/mm2

注：① C20/25斜线前数值为圆柱体抗压强度，斜线后数值为立方体抗压强度; ② 抗压强度EC2-1-1一栏计算式为αccfck/1.5，αcc取0.85，fck为圆柱体抗压强度特征值；③ 抗拉强度EC2-1-1一栏计算式为αctfctk,0.05/1.5，αct取1.0，fctk,0.05为95%保证率的抗拉强度特征值。

指“考虑抗压强度长期效应及加载方式不利影响的的系数”。E2-1-1中3.1.6条的建议值是1.0。英国国家附录中Table NA.1[20]的建议是“压弯和轴压时取0.85，其他情况取1.0，也可偏保守的所有情况下均取0.85”。文献[13]对其的解释是“取0.85是对预测强度和试验获得强度之间差距的校准”。准确的讲，αcc取0.85时中欧规范的混凝土强度设计值才接近。在ETABS中，αcc和αct的设定是开放的，默认是1.0。

EC2-1-1的3.1.7节给出了两种简化的应力应变关系，供正截面承载力计算，分别是抛物线和双直线两种形式。提供的抛物线形应力应变关系见式(12)。以C25/30为例，n=2，εc=0.002，εc2=0.0035。同混规相比，较低标号的混凝土受压应力应变关系基本一致。

(12)

由于混凝土拟从当地泵站购买，本项目的混凝土强度参照EC2-1-1取值。αcc取0.85。

4.2 普通钢筋的材料取值

对钢筋材性的要求主要见EC2-1-1的Annex C，对钢筋的检测要求见EN10080。中欧规范对普通钢筋的强度取值对比见表7。混规4.2.3条的条文说明指出，热轧钢筋的材料分项系数γs取1.10，新列入的HPB500取1.15，EC2的2.4.2.4条建议γs均取1.15(偶然状况下为1.0)。

表7 普通钢筋强度设计值

Table 7 Design strength of reinforced steel N/mm2

注：HRB为中国规范钢筋符号，B为欧洲规范钢筋符号

EC2-1-1采用极限应变εuk和强屈比来控制钢筋延性，从低到高依次为A，B，C三级，相比较，混规采用总伸长率来控制钢筋延性。EC2-1-1的Table C.1中A，B，C三个延性等级的强屈比，依次为≥1.05、≥1.08、1.35>k≥1.15(C级k的建议值为1.25，同抗震规范[12]要求一致)。Annex C要求普通钢筋的实际屈服强度不超过屈服强度特征值的1.3倍，同抗震规范[12]要求一致。

由于钢材本身是一种匀质材料，中欧规范对其的规定区别不大。本项目拟采用的钢筋，根据外方咨询公司的意见确定。

4.3 耐久性要求

EC2-1-1中的章节4对混凝土耐久性和钢筋保护层提出了要求。文献[21]对比了耐久性设计规范[22]同EC2-1-1在耐久性设计上的异同。由于EC2的国家附录之间，以及国家附录同EC2-1-1相比，也有一定的差异，且10版混规在耐久性方面有明显修改，因此本节在混规同EC2-1-1、英国国家附录之间做了简要的对比。

表8 混凝土耐久性要求对比

Table 8 Comparison of durability requirements for concrete

注：① 英国国家附录中，最低混凝土强度等级是同保护层厚度相关的，越厚则要求的强度越低，甚至可以比EC2-1-1的要求还低，最大水胶比和最小水泥用量，英国国家附录中的取值也是同保护层厚度有关的；② 本表中的最小保护层厚度没有考虑钢筋直径，且不考虑附加安全厚度，不锈钢和钢筋涂层等情况；③ 本表仅针对梁柱进行对比。

按照EC2-1-1执行耐久性要求时，首先确定暴露等级(类似混规的环境类别)和结构等级，后者用来按照设计使用年限、混凝土强度等级、楼板等因素修正保护层厚度。

中欧规范均用最外层钢筋至混凝土边缘的距离确定最小保护层厚度。无特殊情况时EC2-1-1的最小保护层厚度定义见式(13)。

cnom=max(cmin,b,cmin,dur,10 mm)+Δcdev

(13)

式中cmin,b——使用普通钢筋时，即为钢筋直径；

cmin,dur——按照环境条件规定的最小保护层厚度；

Δcdev——保护层偏差，一般取10 mm。

当结构等级为S4，设计使用年限50年时，耐久性要求对比见表8。在最小保护层厚度、最低强度等级上EC2的要求均比混规高。另一区别是，当设计使用年限为100年时，混规8.2.1条规定“最外层钢筋的保护层厚度不应小于表8.2.1中数值的1.4倍”，而EC2-1-1中Table 4.3N的要求是提高结构等级2级。试算表明，这一点上EC2仍比混规要求略高。

总的来说，EC2-1-1对耐久性的要求远比混规详细，其国家附录也更为细致而灵活。本项目计算时，梁柱保护层厚度取25mm(对应EC2规定的暴露等级XC1，结构等级S4)，楼板保护层厚度取20mm(对应EC2规定的暴露等级XC1，结构等级S3)，最低混凝土强度等级为C25/30。

5 结 论

本文尝试在结构初步设计阶段，针对上部结构相关的主要参数的设定，比较中欧规范的异同：

(1)对于结构设计基本规定，就普通的混凝土结构而言，中欧规范对重要性的定义，和重要性等级在承载力极限状态基本组合中的体现基本一致。承载力极限状态(仅指欧洲规范中STR)和正常使用极限状态下的基本组合、标准组合、频遇组合和准永久组合表达式，中欧规范基本一致，但荷载分项系数不同。执行欧规时注意基本组合是否选择EC0的式(6.10)。

(2)欧洲规范的活荷载整体取值比中国高，雪荷载的定义考虑了环境遮挡和采暖的影响，更加细致。风荷载的计算参数、计算步骤以及风剖面上，中欧规范区别较大。

(3)中欧规范对普通钢筋的强度和延性要求接近，欧规允许使用的钢筋强度等级更高。混凝土抗压强度设计值接近，低标号混凝土的抛物线形受压应力应变关系接近。执行欧规时注意参数αcc和αct的设定。欧洲规范在混凝土耐久性上的要求比中国的混凝土规范细致，钢筋保护层厚度略大。

(4)在执行欧洲规范时，需注意参考国家附录的规定，尤其是荷载取值和耐久性要求。

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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

*联系作者，Email: bianjinghuash@sina.com