消防車荷載取值問題探討

龔昌基

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

消防車荷載取值問題探討

龔昌基

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

本文分析了目前部分設計人員未按建筑結構荷載規范(GB 50009-2012)[1]確定消防車活荷載，不適當地沿用一些習慣做法而帶來的安全隱患；同時就荷載規范[1]在考慮覆土層對消防車活荷載折減作用時，未考慮其對消防車啟動和剎車沖擊力的緩沖作用提出疑問。

消防車荷載；動力系數；覆土層；荷載的擴散與疊加；折減系數

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按《建筑結構荷載規范》GB 50009-2012[1]第5.1.1條，當單向板板跨不小于2m，或雙向板板跨不小于3m×3m時，消防車通道及車庫的樓板活荷載標準值應取35.0kN/m2；當雙向板板跨(或無梁樓蓋柱網)不小于6m×6m時，上述活荷載標準值應取20.0kN/m2。當雙向板板跨介于3m×3m～6m×6m之間時，應按跨度插值確定。以上是“強制性條文”。

當考慮覆土影響時，消防車活荷載的折減系數，按覆土厚度和性質(覆土應力擴散角θ)，根據荷載規范[1]附錄表B.0.1、B.0.2的規定采用。

上述“按跨度插值”和“考慮覆土厚度的折減系數”是荷載規范GB 50009-2012新增的，此前的荷載規范GB 50009-2006沒有給出明確規定。這方面的研究工作可參看《建筑結構》2011年第3期發表的范重先生(中國建筑設計研究院教授級高工,《建筑結構荷載規范》GB 50009-2012主要起草人之一)等的文章《消防車等效均布活荷載取值研究》[2]。

但是目前，有些設計單位仍沿用2011年以前流行的、據說是按荷載規范GB 50009-2006附錄B(樓面等效均布活荷載的確定方法)推算的消防車在不同覆土厚度(包括0覆土)、不同板跨(單向板3m～6m、雙向板3m×3m～8m×8m)條件下的等效均布活荷載表，見(表1、表2)，進行地下室頂板及頂板梁的設計計算。

經對照發現，在跨度3m單向板、覆土0～1.2m條件下，(表1、表2)所列等效均布活荷載比2012年荷載規范規定的35.0kN/m2還大得多；而跨度6m×6m雙向板、覆土0～1.2m時，(表1、表2)所列數值又太小，只有規范規定20kN/m2的44%～42%。究其原因，大體有以下幾點(為便于比較，以下(1)～(5)點原因分析中所取的消防車總重力荷載及覆土應力擴散角均按推算(表1、表2)時的原取值)：

表1 2006～2011年曾流行的《消防車荷載取值》(單向板)

表2 2006～2011年曾流行的《消防車荷載取值》(雙向板)

備注：1. 按規范[1]取值中，對應于覆土0～1m間及1～1.5m間的折減系數，分別按規范表B.0.2線性插值。 2. 雙向板跨度7m×7m、8m×8m，規范[1]未給出數據。

(1) 單向板情況下，(表1、表2)把消防車4個后輪的總壓力260kN視為線荷載，平行于板支座邊，而作用在板跨中，因此得出Mmax=PL/4，qe=8Mmax/(bL2)=2P/(bL)的結論。實際上，消防車后輪是4個輪子，分為相距1.4m的兩排，每排左右兩個輪子又相距1.8m，而每個輪子的著地面積是0.3m×0.6m，當L=3m時，按荷載最不利排列，可算得Mmax=0.1417PL，qe=8Mmax/(bL2)=1.133P/(bL)，僅為(表1、表2)推算值的57%。即使乘以動力系數1.3，也僅為(表1、表2)推算值的74%。把多點分布荷載看作集中的線荷載，這是(表1、表2)跨度5m以下單向板等效均布荷載值總體偏大，跨度越小誤差越大的主要原因。

(2)另一方面，按(表1、表2)的推算方法，不論跨度大小，一概只考慮一輛消防車的作用；然而，隨著跨度L的增大，板的計算寬度b也增大，如(圖1)所示：

圖1 單向板的情況

其中bcy=bty+2s×tgθ+h

消防車后輪著地總寬度bty取2.0m

填土厚度s取1.0m

壓力擴散角θ取13.5°

樓板厚度取250mm

當L=3m時，代入得：bcy=2.73m，b=4.01m； 而當L=6m時，b=6.2m.

顯然，在計算寬度b=4.01m或6.2m范圍內，都可能出現第2輛消防車，計算等效活荷載時必須考慮它的疊加影響。不計第2輛消防車的荷載疊加影響，將使得跨度較大時，按(表1、表2)推算所得單向板等效活荷載偏小。而且，跨度越大，這項誤差越大；填土厚度越大，這項誤差也越大。

(3)2012年荷載規范第5.6.2條規定：“車輛啟動和剎車的動力系數，可采用1.1～1.3；其動力荷載只傳至樓板和梁。”2006年荷載規范第4.6.2條也有同樣的規定。從(表1、表2)推算的公式及例題看，消防車重量未乘以動力系數。所帶來的誤差使按(表1、表2)推算得的單向板等效活荷載偏小。

綜上(1)～(3)點原因，單向板跨度3m～5m時，(表1、表2)所給數據偏安全；而當跨度達6.0m以上時，顯著偏不安全。

(4) 對于雙向板，(表1、表2)所給數據的由來不明確，既沒有介紹計算公式，也未舉例說明。但從跨度6m×6m～8m×8m無覆土的表列數據看，約等于一輛消防車的總重量(32t)除以一塊板平面面積的商；而從跨度5m×5m至3m×3m，表列數據小于這個“商”，且其比值隨跨度的減小而減小；覆土厚度由0～1.2m對表列數據的影響，總的來說是隨覆土厚度增大而減小，但對于跨度小的板影響較大。

出現這種現象，可能是受到2006年荷載規范附錄B的影響，該附錄B.0.8條規定：“當荷載分布比較均勻時，主梁上的等效均布活荷載可由全部荷載總和除以全部受荷面積求得。”然而，消防車荷載分布是極不均勻的，后輪總荷載是前輪的4倍，因此它不適用這條規定。這可能是(表1、表2)雙向板部分數據遠小于規范規定的主要原因。同時，上述第(3)點(漏乘動力系數)也是造成誤差的重要原因。以致(表1、表2)所給的雙向板等效均布荷載偏不安全。

總之，2012年版荷載規范既已發布并實施，在涉及消防車荷載的工程設計計算中還是予以遵守為妥；不應沿用已廢止的2006年版荷載規范，也不應沿用與現行規范相悖的習慣做法。

需要注意的是：與2006年版的荷載規范比較，2012年版荷載規范表5.1.1規定，消防車活荷載的頻遇值系數由0.7降低為(不應小于)0.5，準永久值系數由0.6降低為(不應小于)0.0，當要求按荷載的頻遇組合或準永久組合進行某些構件(例如地基基礎)的正常使用極限狀態驗算時，消防車活荷載的作用效應，實際上已有所調低。

近日，還有的設計者主張，當消防車道只占某板塊的一部分時，消防車道荷載可按車道所占面積與該板塊的總面積之比折減。例如，某板塊尺寸為6m×6m，消防車道占寬3m，面積比為50%，于是消防車道荷載可取20×0.5=10kN/m2。

這樣折減顯然偏不安全。即以面積比50%為例，空載的半個板塊，其承載力固然是有富余的，但無法彌補另半個板塊之不足。至于對板塊周邊梁的導荷，顯然也是不真實的。再說，在消防這樣的緊急條件下，消防車并不謹守消防車道范圍，必要時駛入旁邊草坪也是難免的，所以劃分消防車荷載作用區域不宜摳得那么緊。

此外，規范表5.1.1所列消防車荷載已是“等效均布荷載”，再來一次“等效”是否合理？也值得推敲。

關于覆土厚度對消防車活荷載的折減影響系數，荷載規范[1]附錄B作了明確規定，見該附錄的表B.0.1和表B.0.2。然而，文獻[2]所引《給水排水工程埋地玻璃纖維增強塑料夾砂管管道結構設計規程》(CECS 190:2005)第4.2.5條規定，消防車動力系數隨覆土厚度而變化，如(表3)所示：

表3 不同覆土厚度下的動力系數

當覆土厚度大于0.70m時，即可不考慮動力系數的影響。筆者理解這是由于覆土的阻尼遠大于鋼筋砼結構，覆土的存在猶如在路面與地下室頂板之間加上一個緩沖層，當覆土厚度足夠大時，消防車啟動、剎車等的沖擊影響便降低到可以忽略的程度。現在讓我們再返觀荷載規范[1]表B.0.1和表B.0.2，特別是表B.0.2(表4)，當樓板寬度6.0×6.0m，覆土厚度1.5m以內，折減系數都是1.00，顯而易見，該表所示折減系數只是考慮活荷載在覆土層內的擴散和疊加影響，而不考慮它的緩沖作用。

表4 雙向板樓蓋樓面消防車活荷載折減系數

注：板頂折算覆土厚度應按下式計算：

這是否荷載規范[1]的百密一疏，抑或另有考慮？

[1]GB 50009-2012，建筑結構荷載規范[S].

[2]范重，鞠紅梅，彭中華. 消防車等效均布活荷載取值研究[J]. 建筑結構. 2011,41(3):1-6，10.

The Discussion on the Fire Engine Load Value Problems

GONGChangji

(Fujian Province Architectural Design and Research Institute, Fuzhou, 350001)

This article analyzes the potential safety risk of some designers who improperly used past practices to determine the live load of the fire engine，instead of following the Load code for the design of building structures (GB 50009-2012) but using some regular practices improperly；and it raises a question that the Load code for the design of building structures just considers the diffusion effect of the covered soil to the live load of fire truck but does not consider the buffer function of the covered soil to the impact force of start and brake of fire engine.

Load of fire engine;Dynamic coefficient; Cover soil; The diffusion and superimposed load; The reduction coefficient

龔昌基(1935.7- )，教授級高工，一級注冊結構工程師。

2015-03-30

TU3

A

1004-6135(2015)05-0027-03