在欧洲结构规范(Eurocodes)体系中,EN 1991 承担了一个独特而核心的角色——它不负责设计任何材料的构件,而是专注于定义所有作用在结构上的荷载。可以将其理解为整个欧码体系的"荷载输入端":无论是混凝土梁(EN 1992)、钢结构(EN 1993)还是木结构(EN 1995),其设计过程必须以 EN 1991 提供的荷载数据为起点。
EN 1990(设计基础)定义极限状态与可靠性框架,EN 1991 填充实际荷载数值,两者共同构成欧码"顶层"标准。
该标准的正式名称为 Eurocode 1: Actions on Structures(结构上的作用),由欧洲标准化委员会(CEN,Comité Européen de Normalisation)第250技术委员会(TC 250)负责制定,目前在欧盟成员国及多个第三方国家采用。
EN 1991 共包含 10 个分项标准,涵盖从日常楼面活荷载到极端偶然作用的所有荷载类型:
其中 EN 1991-1-1 至 1-7 属于"第一部分"(通用建筑),EN 1991-2/3/4 属于针对特定结构类型的专项标准。
EN 1991 将所有结构作用按时间特征分为三大类,每类对应不同的设计极限状态与荷载组合策略:
楼面面层重
固定设备重
土压力
预应力
雪荷载
风荷载
温度作用
交通荷载
吊车荷载
爆炸
车辆撞击
船舶撞击
坠物冲击
地震(EN 1998)
| 作用类型 | 符号 | 典型数值范围 | 设计状态 |
|---|---|---|---|
| 结构自重(混凝土) | Gk | 25 kN/m³ | 持久/短暂 |
| 办公室楼面活荷载 | Qk | 3.0 kN/m² | 持久/短暂 |
| 住宅楼面活荷载 | Qk | 2.0 kN/m² | 持久/短暂 |
| 屋面雪荷载(欧洲中部) | s | 0.5~2.5 kN/m² | 持久/短暂 |
| 基本风压(欧洲中部) | qb | 0.3~0.9 kN/m² | 持久/短暂 |
| 火灾作用 | Ad | 热分析确定 | 偶然 |
| 车辆撞击(立柱) | Fd | 50~500 kN | 偶然 |
EN 1991-1-1 提供了工程中最常用的两类数据:建筑材料密度表和各功能区楼面活荷载。附录A(Annex A)包含超过50种材料的密度值,以下列出常用材料:
| 材料 | 中文名 | 容重 (kN/m³) | 备注 |
|---|---|---|---|
| Reinforced concrete | 钢筋混凝土 | 25.0 | 常用结构材料 |
| Plain concrete | 素混凝土 | 24.0 | |
| Steel | 钢材 | 78.5 | 结构钢/铸铁 |
| Timber (softwood) | 针叶木材 | 5.0~6.0 | 干燥状态 |
| Brick masonry | 砖砌体 | 18.0~20.0 | 取决于砖型 |
| Aluminium | 铝合金 | 27.0 | |
| Glass | 玻璃 | 25.0 | |
| Water | 水 | 10.0 | 液压计算基准 |
楼面活荷载(Imposed Loads)按使用功能分类,Categories A~H对应住宅至屋顶8类用途:
| 类别 | 使用功能 | qk (kN/m²) | Qk (kN) |
|---|---|---|---|
| Category A | 住宅/卧室/公寓 | 1.5~2.0 | 2.0~3.0 |
| Category B | 办公室 | 2.0~3.0 | 2.0~4.0 |
| Category C | 会议、教室、餐厅 | 3.0~5.0 | 4.0~7.0 |
| Category D | 零售商店 | 4.0~5.0 | 3.5~7.0 |
| Category E | 仓库、工业用途 | 6.0~7.5 | 7.0~10.0 |
| Category F | 车辆停车(≤30kN) | 2.5 | 10.0 |
| Category G | 车辆停车(30~160kN) | 5.0 | 45.0 |
| Category H | 不可上人屋面 | 0.4 | 1.0 |
雪荷载(Snow Loads) — EN 1991-1-3 的核心计算公式为:
查欧洲雪区图 → 按海拔修正(A > 1500m 时用公式调整)
单跨平屋面 μ₁ = 0.8;双坡屋面按坡角 α 查表
Ce:暴露系数(0.8 迎风 / 1.0 正常 / 1.2 背风)
Ct:热工系数(高保温屋面 < 1.0)
风荷载(Wind Actions) — EN 1991-1-4 基于"峰值速度压力"方法,流程如下:
查各国 NDP 风速图 → vb = cdir · cseason · vb,0
地形类别 0(海面)~Ⅳ(城区密集)→ 对数律风速剖面
含紊流强度修正 Iv(z),考虑阵风效应
wi = qp(zi) · cpi (内压)
引入结构系数 cscd 考虑动力放大
EN 1991-2 是欧洲公路桥设计的荷载圣经,定义了四种荷载模型(Load Model),满足从常规车流到超重特种运输的全场景需求:
对于铁路桥梁,EN 1991-2 另设 LM71(标准列车)、SW/0、SW/2(重载列车)和 HSLM(高速列车动力荷载)等专用模型,并考虑动力系数 φ(Dynamic factor)放大效应。
偶然作用(Accidental Actions)指发生概率极低但一旦发生后果严重的荷载,EN 1991-1-7 主要涵盖三类:
(Impact)
船舶撞桥墩
飞机撞建筑(概率法)
按能量吸收设计
(Explosion)
车辆炸弹场景
安全距离+结构冗余
Consequence Class定级
(Internal Explosion)
锅炉/压力容器破裂
粉尘爆炸
泄压面积设计
CC1:低后果(单层住宅等)→ 简化规定
CC2a/2b:中等后果(4~15层办公楼等)→ 水平系杆+竖向系杆
CC3:高后果(>15层、体育馆等)→ 专项风险评估
中国对应标准为 GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》(Load Code for the Design of Building Structures),以下为两者核心异同:
| 对比项目 | ENEN 1991 | GBGB 50009 |
|---|---|---|
| 标准框架 | 10个独立分项,与材料标准解耦 | 单本综合标准(含荷载+组合) |
| 荷载类型 | 永久/可变/偶然(G/Q/A) | 永久/可变/偶然 |
| 风荷载基准 | 基本风速 vb,0(m/s) | 基本风压 w₀(kN/m²) |
| 风压重现期 | 50年(可按可靠性调整) | 50年(R₀) |
| 办公活荷载 | 2.0~3.0 kN/m² | 2.0 kN/m²(普通办公) |
| 住宅活荷载 | 1.5~2.0 kN/m² | 2.0 kN/m² |
| 雪荷载基准 | 地面雪压 sk(欧洲分区图) | 基本雪压 s₀(全国分区图) |
| 火灾荷载 | EN 1991-1-2 独立分项 | GB 50009未含,见防火规范 |
| 桥梁荷载 | EN 1991-2 独立分项,4种LM | JTG D60(公路)/TB 10002(铁路) |
| 偶然作用 | EN 1991-1-7,含CC1~CC3分级 | GB 50009 附录F(简要规定) |
| 地震作用 | EN 1998(独立标准) | GB 50011(抗震设计规范) |
| 荷载组合 | EN 1990 规定,ψ因子体系 | GB 50009 规定,γ分项系数体系 |
以下汇总设计中最常查阅的荷载特征值(来自 EN 1991 各分项,供快速参考):
| 荷载项目 | 来源分项 | 典型取值 | 单位 |
|---|---|---|---|
| 钢筋混凝土自重 | EN 1991-1-1 | 25.0 | kN/m³ |
| 住宅楼面活荷载 | EN 1991-1-1 Cat.A | 1.5 ~ 2.0 | kN/m² |
| 办公楼面活荷载 | EN 1991-1-1 Cat.B | 2.0 ~ 3.0 | kN/m² |
| 会议/餐厅活荷载 | EN 1991-1-1 Cat.C | 3.0 ~ 5.0 | kN/m² |
| 仓库活荷载 | EN 1991-1-1 Cat.E | ≥ 6.0 | kN/m² |
| 地面基本雪压(阿尔卑斯) | EN 1991-1-3 | 2.0 ~ 4.0 | kN/m² |
| 平屋面雪形状系数 | EN 1991-1-3 | 0.8 | — |
| 基本风速(西北欧) | EN 1991-1-4 | 25 ~ 35 | m/s |
| 矩形建筑正面风压系数 | EN 1991-1-4 | cpe,10 ≈ +0.8 | — |
| 温度作用(桥梁合拢) | EN 1991-1-5 | ±20 ~ ±30 | °C |
| 桥面LM1轴重(第1车道) | EN 1991-2 | 300 | kN |
| 桥面LM1均布荷载(第1车道) | EN 1991-2 | 9.0 | kN/m² |
| 行人/自行车桥 | EN 1991-2 | 5.0 | kN/m² |
| 车辆撞立柱(普通道路) | EN 1991-1-7 | 50 ~ 100 | kN |
在一个完整的欧码设计项目中,EN 1991 各分项与材料/结构标准的配合关系如下所示:
极限状态
荷载组合
结构设计
设计
设计
(地震荷载)
值得注意的是,地震作用虽属于偶然作用范畴,但欧码将其单独放入 EN 1998(Eurocode 8)处理,EN 1991-1-7 仅处理非地震的偶然荷载。这一分工使每本标准的内容更为聚焦。