浅析欧洲规范的截面分类_姚新科
浅析欧洲规范的截面分类
姚新科
（中国建筑第五工程局土木工程公司，长沙410004）
摘
要：截面分类是运用欧洲规范进行钢桥或钢－混凝土组合梁桥设计的重要部分。介绍欧洲规范截
面分类的原则、方法，给出Loukouni 大桥及Djou é大桥的设计过程中截面分类的示例，并对截面分类的目的进行探讨。有助于工程技术人员理解欧洲规范截面分类的内容，从而熟练地运用欧洲规范进行钢桥及钢－混凝土组合梁桥的设计。
关键词：钢桥；钢－混凝土组合桥；截面分类；欧洲规范
A BＲIEF ANALYSIS OF CLASSIFICATION OF CＲOSS
SECTION IS EUＲOCODES
Yao Xinke
（Civil Engineering Company ，China Construction No．5Engineering Bureau ，Changsha 410004，China ）Abstract ：Classification of cross sections is the key part in the design process of steel bridges and steel-concrete composite bridges based on Eurocodes．The article introduces the way and the principle of classification of cross sections ，gives the examples in the design process of the Loukouni bridge and Djou ébridge and analyses the purpose of the classification．The article can help civil engineers to understand the content of classification of cross sections in Eurocodes and design steel bridges and steel-concrete composite bridges based on Eurocodes skillfully．Keywords ：steel bridge ；steel-concrete composite beam bridge ；classification of cross sections ；Eurocodes
作
者：姚新科，男，1985年出生，工学学士，工程师。
电子信箱：32440252@qq．com 收稿日期：2014－02－18
0引言
截面分类是欧洲规范中一个重要内容。运用
欧洲规范进行钢桥设计或钢－混凝土组合桥梁的整体分析，或者进行截面验算时，都必须进行截面分类。
本文介绍了欧洲规范关于截面分类的原则和方法，并结合刚果（布）国家1号公路Loukouni 大桥和Djou é大桥设计过程中截面分类的例子，给出了钢结构和组合结构进行截面分类的具体过程，也给出了带有纵向加劲肋截面的加劲肋之间的子板件及加劲肋的分类示例。文章对欧洲规范中截面分类的实质进行了探讨，有利于工程技术人员更好地理解和掌握欧洲规范截面分类的内容，从而更好地运用欧洲规范进行钢桥和钢－混凝土组合桥梁的设计。
文中引用的符号未一一注明，与欧洲规范中相应符号取用一致。1
各类截面的定义
欧洲规范将钢结构或钢－混凝土组合结构的截
面分为4类，
EN 1993－1－1【1】的5.5.2（1）条对4类截面进行了定义。
1类截面：能够形成塑性铰，塑性铰具有足够的转动能力能够满足塑性分析，并且截面能够保持塑性承载力不降低。
2类截面：能够达到截面的塑性抗弯承载力，但是由于局部屈曲的影响，形成的塑性铰仅具有有限的转动能力。
3类截面：应力按弹性分布，截面最大压应力能够达到屈服强度，但是由于局部屈曲的影响，截面不能发展其塑性抗弯承载力。
4类截面：在截面的某部分或多个部分的应力达到屈服强度之前，就已经发生局部屈曲。2
钢桥截面的分类
钢桥进行截面分类时，按照EN 1993－1－1确定。截面的分类与组成截面的受压板件的边界约束
条件、宽厚比、钢材的屈服强度以及应力分布情况相关。2.1
截面分类的原则
钢结构的截面分类由截面中的受压板件的分类确定，因此，确定截面的分类，必须先确定截面中的各受压板件的分类。
一般情况下，截面的类别与截面中受压板件的最高类别保持一致，即，
1类截面中的所有板件的类别均是1类；2类截面中没有3类或4类的板件，并且截面中至少有一个2类的板件；3类截面中没有4类的板件，并且截面中至少有一个3类的板件；4类截面中至少有一个4类的板件。
需要注意的是，如果截面中带有纵向加劲肋，纵向加劲肋的分类不影响截面的分类。但是4类截面考虑局部屈曲的有效p 面积（注意区别考虑剪力滞效应的有效s 面积），与纵向加劲肋之间的子板件的分类及纵向加劲肋的分类有关。
在遵循上述截面分类的原则时，存在以下两种特殊情况。
1）当截面的腹板为3类而翼缘为1类或2类时，EN 1993－1－1的5.5.2（11）条规定，截面可以被划分为等效的2类截面。因此，可以认为截面能够达到等效的2类截面的塑性抗弯承载力。确定等效的2类截面时，假定腹板的有效受压区为与受压翼缘相邻及与塑性中性轴相邻各20εt w （其中，ε=235/f 槡
y ，t w 为腹板厚度）的范围。等效的2
类截面如图1所示。
图1
等效的2类截面
2）在进行承载能力极限状态（ULS ）下的截面验算时，如果腹板仅考虑承担剪力，而不承担截面的弯矩和轴力，截面的分类可以仅由受压翼缘的分类确定。2.2截面分类的方法
EN 1993－1－1的表5.2给出了板件分类的判
定标准。
表5.2包含3个分表，表1适用于位于内部的受压板件，如图2所示；表2适用于受压的外伸翼缘，如图3所示；表3适用于受压的角钢及圆管。图中的c 代表受压板件的长度（注意
：非板件受压区长度）
。
图2内部受压板件
图3
外伸受压翼缘
按照表5.2确定受压板件的截面分类时，
需要根据板件边界的约束条件选用不同的分表，确定板件的受力性质为受压、受弯或压弯，并确定相应的应力分布图示。此外，还需确定以下参数：
ε为无量纲参数，由钢材的屈服强度确定，ε=235/f 槡
y ；c /t 为板件的宽厚比。
当组成截面的受压板件的分类都确定后，运用前面所述截面分类的原则，就能确定截面的分类。2.3
Loukouni 大桥截面分类示例
Loukouni 大桥主桥为1 86m 上承式钢箱拱桥，拱脚处拱肋断面的尺寸如图4所示
。
图4Loukouni 大桥拱脚处拱肋断面
箱形截面的板件（及子板件）均为内部板件，参照EN 1993－1－1表5.2的第一个分表进行分类。截面的加劲肋为外伸板件，参照EN 1993－1－1表5.2的第二个分表进行分类。
Loukouni 大桥拱肋的钢材采用Q345B ，钢材的屈服强度f y 为345MPa ，由此求出ε槡=235/345=0.825。
由于确定截面的应力分布状况较为繁琐，而且拱肋的截面应力分布状况随截面位置不同而变化，因此，可以偏安全的假定拱肋截面为均匀受压，即取ψ=1。
截面顶板及底板的c =980mm ，t =44mm ，则c /
t =22.3。根据表5.2的第一分表，c /t ＜33ε=27.2，因此，顶板、底板的分类为1类。
腹板的c =1612mm ，t =30mm ，则c /t =53.7。根据表5.2的第一分表，c /t ＞42ε=34.65，因此，腹
板的分类为4类。
根据截面分类与板件最高分类保持一致的原则，则截面为4类截面。对于4类截面，计算截面考虑局部屈曲的有效p 面积时，需要确定纵向加劲肋之间的子板件的分类及纵向加劲肋的分类。
Loukouni 大桥拱脚处拱肋断面顶板及底板加劲肋之间的子板件的c =490－24/2=478mm ，
t =44mm ，则c /t =10.8。根据表5.2的第一分表，c /t ＜33ε=27.2，因此子板件的分类为1类。
顶板、底板加劲肋的c =250mm ，t =24mm ，则
c /t =10.4。根据表5.2的第二分表，c /t ＞10ε=
8.25，且c /t ＜14ε=11.55，因此，加劲肋的分类为3类。
腹板加劲肋之间的子板件的c =430－20=410mm ，t =30mm ，则c /t =13.7。根据表5.2的第一分表，c /t ＜33ε=27.2，因此子板件的分类为1类。
腹板加劲肋的c =150mm ，t =20mm ，则c /t =
7.5。根据表5.2的第二分表，c /t ＞9ε=7.425，且c /t ＜10ε=8.25，因此，加劲肋的分类为2类。
有效p 面积的计算方法，本文未予介绍，具体参
见EN 1993－1－5【2】
相关条文。
3
钢－混凝土组合桥截面的分类钢桥截面分类的原则和方法，同样适用于钢－
混凝土组合桥，同时，钢－混凝土组合桥截面的分类
还须遵守EN 1994－2【3】
中5.5条的相关规定。3.1
截面分类的原则
钢－混凝土组合结构的截面分类由截面中钢结
构部分的受压板件的分类确定。
同样的，一般情况下，截面的类别与截面中钢结构部分受压板件的最高类别保持一致。等效的2类截面的规则也同样适用于钢－混凝土组合结构。3.2
截面分类的方法
钢桥截面分类的方法同样适用于钢－混凝土组合桥。除此之外，钢－混凝土组合桥截面分类时还应注意以下几个方面：
1）当钢－混凝土组合结构中钢结构的受压翼缘与混凝土桥面板形成了有效连接时，受压翼缘的分类可以被划分为1类。钢结构未与混凝土桥面板形成有效连接的部分，按照EN 1993－1－1的表5.2确定板件的分类。
2）确定截面的应力分布（确定中性轴的位置）时，需要考虑混凝土桥面板的影响：当混凝土桥面板受压时，需要考虑混凝土有效截面的影响；当混凝土桥面板受拉时，则忽略混凝土桥面板，但应考虑桥面板内的钢筋。
3）确定截面各板件分类时，应根据材料的设计强度（即，考虑材料的分项系数），先按照塑性应力分布确定受压板件的分类，假如宽厚比大于3类单元与4类单元的界限宽厚比或位于其附近时，则应按弹性应力分布，确定受压板件的分类。3.3
Djou é大桥截面分类示例
Djou é大桥主桥为1 60m 的简支钢－混凝土组合桥，跨中断面如图5所示。
图5Djou é大桥跨中横断面
计算得知，考虑剪力滞影响的混凝土桥面板有效宽度等于桥面板实际宽度。则跨中边梁的截面尺寸如图6所示
。
图6Djou é大桥边梁跨中截面
Djou é大桥钢板梁的钢材采用Q345B ，材料的屈服强度为f y =345MPa ，
在承载能力极限状态下考虑局部屈曲时，材料分项系数取γM =1.0。桥面板混凝土的强度等级为C35/C45（C30代表混凝土圆柱体强度，C45代表混凝土立方体强度），混凝土28d 龄期时的圆柱体抗压强度标准值为f ck =35MPa ，承载能力极限状态下材料分项系数取γC =1.5。
假定截面的应力分布为塑性分布，根据EN 1994－2的6.2.1.2（1）条，可求出混凝土桥面板的塑性承载力为F c =A c ·0.85f ck /γc =17.235MN ，再根据钢板梁受压部分塑性承载力与混凝土桥面板塑性承载力之和等于钢板梁受拉部分塑性承载力的原则，可以求出截面塑性中性轴的位置，得到截面相应的应力分布如图7（图中，以受压为+）。
由于是简支梁，所以钢板梁的下翼缘受拉，不用进行板件的分类。
钢板梁的上翼缘受压，上翼缘通过剪力连接键与桥面板形成了有效连接，因此上翼缘的分类为1类。
截面的腹板为内部板件，按照EN 1993－1－1
表图7Djou é大桥边梁跨中截面塑性应力分布
5.2的第一个分表进行分类。钢板梁的钢材为Q345B ，则ε槡
=235/345=0.825。腹板高度为c =3028mm ，c /t =3028/24=126.2。腹板的受力状态为承受弯矩和轴向力，受压区高度为αc =0.255?3028=773.2mm ，所以α=0.255≤0.5，c /t ＞36ε/α=116.3，且c /t ＜41.5ε/α=134.2，因此，腹板的分类为2类。
根据截面分类与板件最高分类保持一致的原则，则截面为2类截面。4
截面分类的目的
截面的类别代表了截面的纤细程度，欧洲规范通过截面的分类确定局部屈曲对于截面承载能力和转动能力的影响程度，并根据截面类别的不同，确定
不同的结构分析方法和承载力验算的准则，主要的规定如下所述。
1）欧洲规范规定，承载能力极限状态下，结构做整体分析时，无论截面的类别如何，均可以采用弹性分析方法。当采用塑性分析方法时，必须保证塑性铰的位置截面有足够的转动能力，因此，可以认为，仅当塑性铰位置的截面为1类时，才能使用塑性的分析方法。正常使用极限状态（SLS ）下，无论截面的类别如何，均应采用弹性的分析方法。
2）在进行结构整体分析时，1—3类截面的刚度采用整个截面计算，对于4类截面，当截面中受压板件的有效p 截面大于同一板件截面的50%（为推荐值，可根据国家附录选取）时，截面刚度采用整个截面计算，否则，截面刚度采用有效p 截面计算。当然，对于各类截面，在进行分析时，还需要计算有效s 截面以考虑剪力滞效应的影响。
3）进行承载能力极限状态下截面的承载力验算时，
1类、2类截面可以采用塑性承载力或弹性承载力进行验算，
3类截面应采用全截面的弹性承载力进行验算，4类截面采用有效p 截面的弹性承载力进行验算。
（下转第508页）
移峰值为0.119m，因此塔线体系比单塔的位移峰值增大了37.3%。输电线的存在增大了塔线体系的挡风面积，其几何非线性作用产生的动张力增大了塔线体系的塔顶位移反应。
4结论与展望
根据对塔线体系有限元模型进行时域内的风振响应分析，得到了以下结论：
1）建立了考虑导、地线影响的两塔三线空间有限元模型，对单塔和塔线体系的模态分析结果表明，塔线体系的振动频率比单塔的振动频率有所降低，输电线的存在增大了塔线体系的自振周期，表明输电线对塔的影响不可忽略。
2）采用Davenport谱并运用FFT技术模拟了符合所在场地的顺风向脉动风速时程，结合工程实例，将脉动风速时程转化为作用在塔线体系节点的集中力荷载时程。通过比较自相关函数，模拟值与目标值非常吻合，从而验证了风场模拟的准确性和有效性。
3）分别对单塔和两塔三线体系进行了顺风向脉动风振响应分析，结果表明，塔线体系在90?攻角时，塔线体系的塔顶最大位移峰值比单塔增大37.3%，表明我国现行规范将输电线与输电塔单独设计是偏于不安全的。另外，通过对输电线的脉动风振响应分析，中跨输电线的位移峰值过大，故有必要采取措施对输电线的风致振动进行控制。
4）目前对输电塔线体系的风振响应多是基于顺风向的响应分析，而对于格构式塔架结构，横风向的响应在强风环境下的响应也不可忽略，且扭转响应也很严重。因此，有必要对大跨越输电塔线体系开展横风向和扭转响应的研究以及进行强（台）风、裹冰环境下的风振响应分析。
参考文献
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櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴
12－17．
（上接第558页）
5结语
通过以上对欧洲规范截面分类的分析，可以得出以下结论：
1）截面分类是用于考虑局部屈曲影响的，而只有压应力才会引起局部屈曲。因此，如果截面（或板件）仅存在拉应力，则其分类可以按照1类考虑。
2）一般情况下，截面的类别与截面中各受压板件的最不利类别保持一致。在特定情况下，某些3类腹板的截面可以按照等效的2类截面考虑，某些截面的分类可以忽略腹板的类别。
3）钢桥和钢－混凝土组合桥截面的分类方法基本一致。钢－混凝土组合桥截面分类时，除了遵守钢桥截面分类的相关规定，还需遵守EN1994－2的相关规定。
4）钢桥和钢－混凝土组合桥截面的分类确定后，应根据欧洲规范的相关规定，选择合适的结构分析和截面承载力验算方法。
参考文献
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［2］BS EN1993－1－5：2006，Eurocode3：Design of Steel StructuresPart1－5：Plated Structural Elements［S］．
［3］BS EN1994－2：2005，Eurocode4：Design of Composite Steel and Concrete Structures Part2：GeneralＲules andＲules for Bridges ［S］．
·信息·
第11届亚洲及太平洋薄壳与空间结构会议APCS将于2015年5月14—16日在西安召开，会议将由中国钢协空间结构分会承办。
会议主题：空间结构———从东方古迹到现代建筑。
征文时间：摘要投送截止，2014年10月15日，全文投送截止，2015年1月15日。
联系地址：北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学空间结构研究中心。
电话/传真：010－67391496。