分类目录归档:结构手记

欧洲标准-钢结构设计第1-3部分:一般规定——冷成型构件和薄钢板的补充规定 BS EN 1993-1-3:2006 & 英国附件

国家出版基金项目“欧洲结构设计标准翻译与比较研究出版工程(一期)”的成果,本人其中最新的三本译著已正式出版,以下是《欧洲标准-钢结构设计第1-3部分:一般规定——冷成型构件和薄钢板的补充规定 BS EN 1993-1-3:2006》 和其《英国附件》的简介,有需要的朋友可以向交通出版社订购。
译事三难,信、达、雅。求其信,已大难矣。顾言矣不达,虽译犹不译也,则达尚焉。此中辛苦不赘言……



出版说明
包括本指南在内的欧洲结构设计标准(Eurocode)及其英国附件、法国附件和配套设计指南的中文版,是2018年国家出版基金项目“欧洲结构设计标准翻译与比较研究出版工程(一期)”的成果。
在对欧洲结构设计标准及其相关文本组织翻译出版过程中,考虑到指南的特殊性、用户基础和应用程度,我们在力求翻译准确性的基础上,还遵循了一致性和有限性原则。 在此,特就有关事项作如下说明:
1. 本指南中文版根据托马斯·特尔福德有限公司(Thoms Telford Ltd.)提供的英文版进行翻译,仅供参考之用,如有异议,请以原版为准。
2. 中文版的排版规则原则上遵照外文原版。
3. Eurocode(s)是个组合再造词。 本指南范围内,Eurocodes特指一系列共10部欧洲标准(EN1990~EN1999),旨在为房屋建筑和构筑物及建筑产品的设计提供通用方法;Eurocode与某一数字连用时,特指EN1990~EN1999中的某一部,例如,Eurocode8指 EN1998结构抗震设计。 经专家组研究,确定Eurocode(s)宜翻译为“欧洲结构设计标准”,但为了表意明确并兼顾专业技术人员用语习惯,在正文翻译中保留 Eurocode(s)不译。
4. 书中所有的插图、表格、公式的编排以及与正文的对应关系等与外文原版保持一致。
5. 书中所有的条款序号、括号、函数符号、单位等用法,如无明显错误,与外文原版保持一致。
6. 在不影响阅读的情况下书中涉及的插图均使用英文原版插图,仅对图中文字进行必要的翻译和处理;对部分影响使用的英文原版插图进行重绘。
7. 书中涉及的人名、地名、组织机构名称以及参考文献等均保留外文原文。

特别致谢
本标准的译审由以下单位和人员完成。 中国铁建国际集团有限公司的王敬烨、中冶建筑研究总院有限公司的曹志亮承担了主译工作,中冶建筑研究总院有限公司的李志明、重庆交通大学的严仁章承担了主审工作。 他(她)们分别为本标准的翻译工作付出了大量精力。 在此谨向上述单位和人员表示感谢!


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欧洲标准-Eurocode3设计指南:房屋建筑钢结构设计EN1993-1-1、-1-3和 -1-8(第2版)

国家出版基金项目“欧洲结构设计标准翻译与比较研究出版工程(一期)”的成果,本人其中最新的三本译著已正式出版,以下是《欧洲标准-Eurocode3设计指南:房屋建筑钢结构设计EN1993-1-1、-1-3和 -1-8(第2版)》的简介,有需要的朋友可以向交通出版社订购。
译事三难,信、达、雅。求其信,已大难矣。顾言矣不达,虽译犹不译也,则达尚焉。此中辛苦不赘言……

出版说明
包括本指南在内的欧洲结构设计标准(Eurocode)及其英国附件、法国附件和配套设计指南的中文版,是2018年国家出版基金项目“欧洲结构设计标准翻译与比较研究出版工程(一期)”的成果。
在对欧洲结构设计标准及其相关文本组织翻译出版过程中,考虑到指南的特殊性、用户基础和应用程度,我们在力求翻译准确性的基础上,还遵循了一致性和有限性原则。 在此,特就有关事项作如下说明:
1. 本指南中文版根据托马斯·特尔福德有限公司(Thoms Telford Ltd.)提供的英文版进行翻译,仅供参考之用,如有异议,请以原版为准。
2. 中文版的排版规则原则上遵照外文原版。
3. Eurocode(s)是个组合再造词。 本指南范围内,Eurocodes特指一系列共10部欧洲标准(EN1990~EN1999),旨在为房屋建筑和构筑物及建筑产品的设计提供通用方法;Eurocode与某一数字连用时,特指EN1990~EN1999中的某一部,例如,Eurocode8指 EN1998结构抗震设计。 经专家组研究,确定Eurocode(s)宜翻译为“欧洲结构设计标准”,但为了表意明确并兼顾专业技术人员用语习惯,在正文翻译中保留 Eurocode(s)不译。
4. 书中所有的插图、表格、公式的编排以及与正文的对应关系等与外文原版保持一致。
5. 书中所有的条款序号、括号、函数符号、单位等用法,如无明显错误,与外文原版保持一致。
6. 在不影响阅读的情况下书中涉及的插图均使用英文原版插图,仅对图中文字进行必要的翻译和处理;对部分影响使用的英文原版插图进行重绘。
7. 书中涉及的人名、地名、组织机构名称以及参考文献等均保留外文原文。

特别致谢
本设计指南的译审由以下单位和人员完成。 中国铁建国际集团有限公司的王敬烨、中冶建筑研究总院有限公司的黄羿承担了主译工作,重庆大学的狄谨承担了主审工作。 他(她)们分别为本指南的翻译工作付出了大量精力。 在此谨向上述单位和人员表示感谢!

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风速的重现期换算

写在前面的话

熟悉的老伙伴,都知道写在前面的话,经常是题外话,不过似乎感兴趣的人更多。今天也先来点题外话。
一般可以认为,活荷载、风荷载、雪荷载符合极值I型分布(Gumbel分布)。那么股市的估值会是什么分布呢?


注:这是2013年机器喵先生分析的结果。(其实A股分析存在一个问题,上证综指是失真的无法反应全市场的情况。)

感兴趣的可以继续研究一下。话说,数学的确是我们认识世界的好工具。本人惭愧,学艺不精,美好E=MC2的精神境界令人向往。
好了,回到正题。


年最大风速分布可以认为符合极值I型分布(Gumbel分布)

分布函数为
G_I(x)=e^{-e^{-y(x)}}
表示任意年份的极值xi小于任意选定值x的概率。其中,
y=\alpha(x-\mu)
\alpha=\frac{C_1}{\sigma}
\mu=\bar{x}-\frac{C_2}{\alpha}
其中,\bar{x}和σ分别为n个年度极值xi的平均值和标准差。变异系数为 \nu=\frac{\delta}{\bar{x}}
可以看出C1和C2其实分别就是y的标准差和平均值,它与观测序列的长度n有关。

x的年超越概率为
G(x)=1-G_I(x)

重现期为超越概率的倒数
T(x)=\frac{1}{G(x)}

将GI(x)带入,得
\frac{1}{T}=1-e^{-e^{-y}}

两侧取对数,得
y=-\ln(-ln{(1-\frac{1}{T}})
可以看出,重现期T不依赖于x的均值和标准差。
另外,当T比较大时,可由泰勒展开公式简化,y≈lnT

重现期为T的最大风速x可以表达为:
x=\mu-\frac{y}{\alpha}
x=\bar{x}-\frac{\sigma}{C_1}(C_2-y)
x=\bar{x}\left(1+\frac{\delta}{\bar{x}}(\frac{y-C_2}{C_1})\right)
x=\bar{x}\left(1+\nu\frac{y-C_2}{C_1}\right)


K_{sp}=\frac{\nu}{C_1-C_2\nu}

则各重现期与50年重现期的转换系数可以表示为
C_{prob}=\frac{x_T}{x_{50}}=\frac{1-K_{sp}\ln(-\ln{\left(1-\frac{1}{T}\right))}}{1-K_{sp}\ln(-\ln{\left(1-\frac{1}{50}\right))}}
Cprob只与重现期T、变异系数ν、测量序列的长度n(样本年数)有关。


其中关于C1和C2的计算

可以用经验分布函数(它实际就是累积频率直方图的上边)来近似GI(x)。
y\left(x\right)=-\ln(-\ln{\left(G_I\left(x\right)\right)})

则y的值可取为1到n个zi
z_i=-\ln(-ln\frac{i}{n+1})

则有
C_1=\sigma_z=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}{(z_i-\bar{z})}^2=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}{z_i^2-{\bar{z}}^2}
C_2=\bar{z}
当n无限大时, C_1=\frac{\pi}{\sqrt{6}} , C_2=0.57722 (为欧拉常量)


工程实践中各重现期风速与50年重现期的转换可以参考以下情况:

1. 在EN50341-1中,采用上面的推导的公式,其中风速的变异系数取0.12,观测数据取30年,则Ksp=0.114。转换系数为
C_{prob}=0.692-0.079ln(-ln(1-\frac{1}{T}))

2. 在ASCE7中,根据文献Peterka, J.A., and Shahid, S. (1998). Design gust wind speeds in the United States. J. Struct. Eng. 124(2), 207–214.。对于非飓风区转换系数为
C_{prob}=0.36+0.10ln(12T)

3. 在中国规范中,根据文献《结构风工程:理论规范实践》。转换系数为
C_{prob}=\sqrt{\frac{(0.363log{T}+0.463)}{1.08}}

4. 在EN1991-1-4中,风压的变异系数取24,观测数据取无穷。转换系数为
C_{prob}=\sqrt{0.562-0.112ln(-ln(1-\frac{1}{T}))}
(P.S. 对于Euorcode1的如此处理本人存疑?长重现期的风速会明显偏小。有知道原因的大神可以来讲讲)

各重现期风速与50年重现期的转换系数如下所示

重现期 EN50341-1, ν=0.12 GB ASCE7 EN1991-1-4
3 0.76 0.77 0.72 0.81
50 1.00 1.00 1.00 1.00
100 1.06 1.05 1.07 1.04
150 1.09 1.08 1.11 1.06
200 1.11 1.10 1.14 1.08
300 1.14 1.12 1.18 1.10
400 1.17 1.14 1.21 1.11
500 1.18 1.16 1.23 1.12
600 1.20 1.17 1.25 1.13
700 1.21 1.18 1.26 1.14
800 1.22 1.19 1.28 1.15
900 1.23 1.19 1.29 1.15
1000 1.24 1.20 1.30 1.16

小知识:设计基准期、重现期、设计使用年限间的关系。

重现期T为某事件出现或发生的平均时间间隔。

设计基准期N(是衡量基准,选定后不变,一般为50年)内的超越概率为
P_N=1-(1-\frac{1}{T})N
若年超越概率2%即重现期T=50年,设计基准期N=50年,则PN=63%

设计使用年限L(根据业主要求确定,一般为50年或100年)内的超越概率为
P_L=1-(1-\frac{1}{T})L
移项后两边取对数
ln(1-\frac{1}{T})=\frac{ln(1-P_L)}{L}
当T较大时,由泰勒展开公式, ln(1-\frac{1}{T})\approx-\frac{1}{T}
T≈-\frac{L}{ln(1-P_L)}

令,设计使用年限L内的超越概率与50年设计基准期内的超越概率具有相同的水平
T\approx-\frac{L}{ln(1-63\%)}
则有T≈L,即重现期可取为与设计使用年限相同。
例如设计使用年限取100年时,对于风载采用100年重现期的风荷载即可。

中外结构风荷载的转换

对于风速记录,一般取平均风的时距为10min~1h较为稳定。国际上,多数国家(如中国规范、欧洲规范)将平均风时距取为10min,但也有国家将平均风时距取为3s的瞬时风速(如美国规范),也有的国家取1h(如加拿大)。

对于涉外项目,中国的工程师一般除直接采用当地规范设计外,通常还会采用中国规范验算一遍,或概念上用中国规范进行估计。这就涉及到自然荷载的转换问题,经常遇到的是如何将3s阵风风速转换为10min风速的情况。如果不考虑各国规范体系整体的差异,仅从气象学的角度看,这种风时距的转换就是求阵风因子的问题。

风速可以表达为平均风+脉动风
Vt =VT0+u(t)

定义峰值因子g为脉动风分量的最大值与其标准差之比
g=umaxu

定义湍流强度为脉动风标准差与平均风的之比
Iuu/Vt0

相应的阵风风速可以表达为
Vt=VT0+g*σu

定义阵风因子为阵风风速与平均风速的之比
Kt=Vt/VT0=1+g*Iu

为便于直观理解以文献World Meteorological Organization, Guidelines for Converting between Various Wind Averaging Periods in Tropical Cyclone Conditions, 2010中给出的1989年强热带气旋奥森的实测结果为例。

测量点在距澳大利亚西海岸130km的海上钻井平台。

图中给出的结果包括:
V600——10min平均风速
V60——1min平均风速
V60,600——10min内的1min平均最大风速
V3,600——10min内的3s平均最大风速
V3,3600——1小时内的3s平均最大风速
风速时程曲线持续3小时,展现了台风眼经过测量点的全过程。从风速时程曲线可以看到,1min平均风速围绕10min平均风速上下波动,随时间的变化较为频繁。对风速进行平均时选取的时距越小,得到的最大值就越大。

下图是台风条件下,不同时距平均得到的最大风速与1小时平均风速之间的换算系数,该换算系数即为“阵风因子”。可以看出,虽然各组数据的趋势一致,时距越短,阵风因子越大。

工程实践中可以参考美国规范ASCE/SEI 7-16中给出了不同时距的平均最大风速与1小时平均风速的转换曲线进行转换。

上图的实线用于常态风,是文献Durst C. S., Wind speeds over short periods of time, Meteorological Magazine, 89, 181-186, 1960中,根据实测资料给出了1小时平均风速换算为不同时距平均最大风速的换算系数。

上图的虚线用于飓风。该ESDU曲线可按文献Engineering Science Data Unit, Item No. 83045, Strong winds in the atmospheric boundary layer. II: Discrete gust speeds., London, 2002进行计算。

结论:
1、3s阵风风速转换为10min风速的转换系数为1.43。其它风时距也可参考以上内容得到。文中的计算采用MathCAD 15,如有需要源文件可以联系我。

2、另外采用美标ASCE7-16时要注意,它的重现期和ASCE7-05不同了。如果要转为50年的重现期,需要进行重现期的换算。
得到校对的自然荷载后,其实后续的中美风荷载的计算还有三点主要区别:
1) 中国规范不考虑风向折减,在计算主体结构风荷载时也不考虑内部风压;
2) 风速压力的定义不同,中国和美国分别采用了平均风和阵风对应的风速压力;
3) 中国的风振系数代表的是基于平均风荷载的放大倍数,而美国的阵风效应因子则是基于阵风荷载的调整系数。

3、重要的就是要记住,各国规范不能混用,因为规范体系中考虑了各自的可靠度匹配。自然荷载需要校对为,各自规范规定的参考基准的后方可使用。

发展海外装配式建筑的动因

发展海外装配式建筑的动因

当前在非洲、南美洲、东南亚等地区的房建市场需求明显。中资企业在海外的业务主要也是面向这些欠发达地区。但随着海外劳工成本攀升,弱化了中资企业在当地的竞争力。人工成本的提升主要原因是:

  • 一方面,国外大部分国家,基于对本国就业的保护对于海外劳工数量有配额限制。并且在非洲、南美等国家本地劳工素质较差,工效较低,即使采用大量的本地劳工也很难保证施工的有序进行,人工成本和工期可控性差。
  • 另一方面,中国劳工随着国内农民工数量持续的下滑,其工资持续上涨。2008年以来,我国固定资产投资中人工费价格指数上涨幅度显著高于整体固定资产投资价格指数。


图1 建筑业农民工人数与收入变动情况


图2 人工费与固定资产价格指数

发展海外装配式建筑的机遇

建筑行业一直是各国国民经济中工业化水平较低、劳动力成本占比较高的行业。因此,伴随住房建设与基础设施建设的大量开展,紧缺的劳动力通常会引起劳动力成本的快速上涨,从而推动生产效率更高,人力需求更少的装配式建筑行业发展。建筑业工资上涨与住房的预制率呈现明显的正相关关系。


图3 建筑业工资指数与住宅预制率(以日本为例)

从全球范围装配式建筑发展的历程来看,装配式技术发展的驱动因素均是人工成本上涨。 当前中资企业在海外推广装配式建筑的必要性是存在的,在海外应用装配式技术的时机已经出现。

对于海外市场,采用装配式技术带来的海外劳工成本降低、环保和工期优势将对当前预制构件的成本增量有明显的抵消作用。

  • 装配式建筑随着预制率的提高单位人工费不断下行,人工费占建安费的比重持续下滑。当前海外人工成本的持续上涨,装配率提升所带来的人工成本下降有望逐步与单位材料费、机械费的成本增量打平。
  • 另外,装配式建筑的环保和建造周期的优势也可进一步抵消材料费和机械费成本增量的不利影响。
  • 虽然在非洲、南美洲等地区经济欠发达,但受西方影响,节能环保方面的要求确不能忽视。采用装配式技术将在当地具有良好的社会效益。
  • 采用工业化的生产方式的装配式技术,可提高生产效率35%-54%。随着劳动生产率的提高:一方面,可以加快资金周转为企业提前争取资金回流;另一方面,由于人数少、工期短,将降低安全风险、政治风险等出现的几率。并且成本从海外建造阶段向国内生产加工阶段的前移也将有利于成本的稳定。

关于钢结构建筑产业化

建筑业发展到现在这个时点,的确应该开始走工业化的道路。从事蓝领工作工人的数量会急剧下降,环保要求会越来越紧迫。我的判断是,混凝土的路是走不远的,但钢结构技术路径问题还很多。
制约钢结构建筑产业化,实现规模化发展存在的三大问题:

  • 钢结构防火防腐长效性问题;
  • 钢结构建筑现场仍然有大量砼现浇作业,无法实现完全装配化干作业问题;
  • 结构构件和部品部件难以标准化,无法大规模量产降低成本问题。

具体上需要解决:

  • 解决由面向工程施工的设计方法转化为面向制造与装配的设计方法(Design For Manufacture and Assembly – DFMA)的问题。
  • 解决结构体系与住宅产品匹配性问题。目前我国住宅户型平面设计采用适合现浇砼剪力墙结构体系的设计手法,平面凹凸较多,传统的钢结构体系与户型平面匹配度较低。如何选择适宜的装配式钢结构体系,使之与住宅产品户型相适应,是需要解决的问题。同时,如何解决结构体系化多动力参数为一个动力参数,实现结构构件标准化,达到量产的问题。
  • 解决露梁、露柱,结构防火防腐长效性问题。一是钢构件截面较大,常凸出于墙体,占用室内空间,且使得家居摆设和房间布置受到限制。二是解决结构化的防火防腐技术问题,达到长寿命建筑的目的。
  • 解决围护体系与主体结构匹配性及现场仍存在大量湿作业及二次砌筑等问题。目前钢结构楼板为现浇混凝土结构,影响建设工期,无法实现全装配干作业的问题。
  • 解决防火、防水、保温、防腐、隔声等构造细节做法问题。这些由钢材自身的特性决定,对比钢筋混凝土剪力墙体系,有材料方面的不足。
  • 解决主体结构与管线分离问题。目前存在内装体系与结构体系不分离,设备管线与结构体系不分离,水电管线预埋于结构中,管线老化导致要破坏结构修复。
  • 解决成本可控问题。需要充分考虑钢结构建筑系统性的技术解决方案。

最后,归根结底还是人才的问题。但此中万语千言,尽在不言中……