地下室頂板運渣車等效均布活荷載取值分析

雷　云， 陳文明

(中國建筑西南設計研究院有限公司，四川成都 610041)

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地下室頂板運渣車等效均布活荷載取值分析

雷云， 陳文明

(中國建筑西南設計研究院有限公司，四川成都 610041)

【摘要】針對用作臨時施工通道需要行駛運渣車的地下室頂板，根據荷載效應等效原則計算了2～4 m的單向板、3～8.1 m的雙向板、柱距8.1 m的框架次梁和主梁在不同滿載重量的運渣車輪壓下的等效均布活荷載，為工程設計和現場施工提供參考。

【關鍵詞】地下室頂板；運渣車；等效均布活荷載

在某些施工場地局促或對施工通道有特定要求的工程項目中，經常需要將已經施工完畢的地下室頂板的局部范圍用作現場臨時施工通道，此時地下室頂板上可能行駛各種施工車輛，如混凝土泵車、小型貨車和運渣車，其中車輛荷載變化較大的是運渣車。根據 GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》[1]表5.1.1注3“……當不符合本表的要求時，應將車輪的局部荷載按結構效應的等效原則，換算為等效均布荷載”，應將不同重量的運渣車按照結構效應等效原則換算為等效均布活荷載后驗算地下室頂板的受力性能。在實際工程中，由于等效均布活荷載的計算過程較為繁瑣、設計與施工周期短等各種原因，大都未進行等效均布活荷載的計算。施工時僅采取簡單的措施或未采取任何措施便將運渣車輛行駛至地下室頂板上，設計人員又未進行地下室頂板配筋的復核，對于地下室頂板的結構和構件存在較大的安全風險。

資料表明，現場施工中采用的運渣車多為三車軸式的重型自卸車，軸距、輪距和車輪數等參數變化不大。運渣車的眾多參數中，對地下室頂板等效均布活荷載取值影響最大的是空車重量、貨箱長度、貨箱寬度、貨箱高度和渣土重度。空車重量、貨箱長度、貨箱寬度在車輛出廠時已經確定，變化范圍較小；現場施工時為了增大貨箱容積可能出現增加貨箱高度的情況，且貨箱高度的變化范圍較大；渣土的重度也存在較大的變化，如松散裝載的黏土和密實裝載的飽和含水砂土的重度相差較大。因此本文分析時將三車軸式的渣土車的總重量劃分為300 kN、350 kN、400 kN、450 kN、500 kN、550 kN、600 kN、650 kN和700 kN共9個等級。

本文主要針對跨度為2～4 m的單向板、跨度3～8.1 m的雙向板、柱距8.1 m次梁井字布置的框架的次梁和主梁，綜合考慮運渣車臺數、樓板跨度、板長寬比等因素的影響，按照荷載最不利布置的原則確定運渣車布置，基于ANSYS有限元軟件，采用APDL語言建立高效率的參數化等效均布活荷載研究模型，直接根據構件效應等效原則計算了上述構件的等效均布活荷載，其結果可供結構設計和現場施工參考。

1計算依據

1.1運渣車規格及荷載分布

《建筑結構荷載設計手冊》(第二版)[2]附錄三車輛荷載中詳細介紹了我國現有汽車荷載的主要技術指標。滿載300 kN汽車全車總重300 kN，前軸重60 kN，后軸重2×120 kN，有2個前輪和4個后輪，前輪著地尺寸為0.2 m(縱向)×0.3 m(橫向)，后輪著地尺寸為0.2 m(縱向)×0.6 m(橫向)。車輪的平面尺寸和橫向布置參照《全國民用建筑工程設計技術措施(結構)》[3]，該參數與收集資料中的三車軸式重型自卸車的較為吻合，如圖1所示。結合前文分析以及中國卡車網的收集數據，本文取渣土車的空車重量為120 kN，渣土車的滿載重量為300～700 kN，各根軸的軸重按照前軸20%、后軸40%+40%進行分配。

圖1　運渣車的尺寸和橫向布置(單位:mm)

運渣車在地下室頂板行駛時通常按車隊進行，本文分析時根據可能出現的情況將滿載車輛作為一個車隊和空車作為一個車隊對向行駛，同一車隊內車輛縱向凈距取為1.5 m，兩個車隊之間的車輛橫向凈距取為0.6 m，其平面布置如圖2所示。

圖2　運渣車車隊縱向和橫向布置(單位:mm)

1.2覆土厚度與輪壓擴散

(1)

式中：s為實際覆土厚度；θ為覆土應力擴散角，不大于45°。CJJ 105-2005《城市供熱管網結構設計規范》[4]附錄C中將覆土應力擴散角取為35°，假定輪壓在混凝土板中的應力擴散角為45°，則擴散后受力面積邊長的計算公式為：

(2)

(3)

式中：bx、by為輪壓作用在兩個方向的計算寬度；btx、bty為輪壓作用在兩個方向的寬度，此處則為輪胎著地尺寸；s為實際覆土厚度；h為樓板厚度。

本文分析地下室頂板運渣車等效均布活荷載時，由于實際工程中施工階段地下室頂板通常未進行覆土，因此暫不考慮地下室頂板覆土的影響。

1.3輪壓下的有限元計算模型

本文采用ANSYS中的Shell181殼元模擬樓板，單元網格尺寸為0.05 m×0.05 m，采用Beam188梁元模擬梁柱單元，單元長度為0.05 m。計算樓板等效均布活荷載時單向板跨度為2 m×6 m、3 m×9 m、4 m×12 m，雙向板跨度為3 m×3 m、4 m×4 m、5 m×5 m、6 m×6 m、8.1 m×8.1 m，板厚取為0.16 m，樓板四邊簡支。計算次梁和主梁等效均布活荷載時采用1跨×5跨框架，柱距為8.1 m，次梁井字布置，次梁間距為2 700，板厚取為0.16 m，次梁截面為0.3 m×0.7 m，主梁截面為0.4 m×0.9 m，柱截面為0.6 m×0.6 m，柱底固定。混凝土的彈性模量取Ec=30 000 MPa，泊松比取0.2。計算運渣車等效均布荷載時首先在模型上施加1 kN/m2的單位均布荷載，求得此時最大的剪力V1和最大的彎矩M1，再通過最不利布置計算得到構件的最大剪力Vmax和最大彎矩Mmax。等效均布荷載按下式計算：

(4)

2樓板計算

2.1單向板

以3 m×9 m的單向板計算為例，經過多種比較計算得到的運渣車最不利布置如圖3所示。3 m×9 m的單向板在單位荷載作用下的彎矩如圖4所示，在300 kN運渣車輪壓作用下的彎矩如圖5所示。

圖3　3 m×9 m樓板計算時的運渣車最不利布置

根據圖4、圖5和公式(4)計算3 m×9 m單向板300 kN運渣車的等效均布活荷載，如下式：

24.51kN/m2

(a) X向彎矩　　　　　　　　　(b) Y向彎矩圖4　3 m×9 m樓板在單位荷載作用下的彎矩

(a) X向彎矩　　　　　　　　　(b) Y向彎矩圖5　3 m×9 m樓板在300 kN運渣車輪壓作用下的彎矩

參照上述計算原則，得到2 m×6 m、3 m×9 m和4 m×12 m單向板在300～700 kN運渣車下的等效均布荷載，如表1和圖6所示。

表1　單向板的運渣車等效均布活荷載　kN/m2

圖6　單向板運渣車等效均布活荷載

從表1和圖6可以看出，隨著樓板跨度的增大，運渣車的等效均布活荷載逐漸減小；隨著運渣車滿載重量的增大，運渣車的等效均布活荷載逐漸增大。因假定車輪的荷載按照固定比例進行分配，等效均布活荷載隨滿載重量增大基本呈線性增大。

2.2雙向板

雙向板的計算方法與單向板相同，計算結果如表2和圖7所示。

表2　雙向板的運渣車等效均布活荷載　kN/m2

從表2和圖7可以看出，雙向板運渣車的等效均布活荷載規律與單向板相同，隨跨度的增大而減小，隨滿載重量的增大基本呈線性增大。表1和表2進行比較可以發現，同樣的計算跨度，3 m×9 m的單向板等效均布活荷載要小于3 m×3 m的雙向板等效均布活荷載，是因為讓運渣車輪壓使長向長度更長的單向板內達到等效荷載對應的效應值的概率要小。

圖7　雙向板運渣車等效均布活荷載

3次梁計算

以滿載重量為300 kN的運渣車為例，經過多種比較計算得到的運渣車最不利布置如圖8所示。

8.1 m柱距1跨×5跨框架在單位荷載下的彎矩和剪力計算結果如圖9所示，在最不利布置下的彎矩和剪力計算結果如圖10所示。

根據公式(1)得到8.1 m柱距1跨×5跨框架次梁的不同滿載重量運渣車等效均布荷載，如表3所示。

圖8　8.1 m柱距1跨×5跨框架次梁計算時的最不利布置

(a) 彎矩圖　　　　　　　　　(b) 剪力圖圖9　8.1 m柱距1跨×5跨框架梁在單位荷載下的內力圖

kN/m2

4主梁計算

主梁的計算方法與次梁計算方法相同。

以滿載重量為300 kN的運渣車為例，經過多種比較計算得到的運渣車最不利布置如圖8所示。8.1 m柱距1跨×5跨框架主梁的不同滿載重量運渣車等效均布荷載如表4所示。

(a) 彎矩圖　　　　　　　　　(b) 剪力圖圖10　8.1 m柱距1跨×5跨框架梁在300 kN運渣車下的內力圖

kN/m2

將8.1 m柱距1跨×5跨框架次梁和主梁的運渣車等效荷載繪制在同一表格中如圖11所示。

圖11　主梁與次梁運渣車等效均布荷載

從表3、表4和圖11可以看出，8.1 m柱距1跨×5跨框架的次梁和框架梁的運渣車等效均布荷載隨滿載重量的增大基本呈線性增大，次梁的等效均布荷載大于主梁的等效均布荷載。

5動力系數K的取值

按GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》[1]第5.6.2條“搬運和裝卸重物以及車輛啟動和剎車的動力系數，可采用1.1～1.3；其動力系數只傳至樓板和梁”。對于運渣車而言，起動和剎車隨時都可能存在，且用作施工通道的地下室頂板通常未進行覆土，因此運渣車等效均布荷載的動力系數K應根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》[1]進行取值。冷軋帶肋鋼筋、冷拉鋼筋等經冷加工的鋼筋伸長率低、塑性變形能力差，延性不好，而運渣車的起動和剎車均產生的是動力作用，因此地下室頂板用作臨時施工通道需要形式運渣車時，頂板鋼筋不宜采用冷加工處理的鋼筋。

6結論

(1)單向板和雙向板隨著運渣車滿載重量的增大，運渣車等效均布荷載基本呈線性增大；隨著板跨度的增大，運渣車等效均布荷載值逐漸減小；在相同跨度條件下，單向板的

等效均布荷載值較雙向板的小。

(2)8.1 m柱距的1跨×5跨框架的次梁與主梁的運渣車等效荷載值隨著滿載重量的增大基本呈線性增大，次梁的等效均布荷載值要小于主梁的值。

(3)地下室頂板作為臨時施工通道需要行走運渣車時，需要配合施工方案對地下室頂板構件進行驗算復核；現場施工時也應根地下室頂板的設計荷載，選擇合適重量的運渣車進行現場運輸。

參考文獻

[1]GB 50009-2012建筑結構荷載規范[S].

[2]陳基發,沙志國.建筑結構荷載設計手冊[M].2版.北京:中國建筑工業出版社,2006.

[3]中國建筑標準設計研究院. 全國民用建筑工程設計技術措施(結構)[M].中國計劃出版社,2012.

[4]CJJ 105-2005城市供熱管網結構設計規范[S].

[5]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):1-6,10-10.

[6]鄒海莉,鄭妮娜,陳昌松.地下室頂板上消防車活荷載合理取值的探討[J].四川建筑,2006,26(1):105-106.

[7]楊宏.消防車等效均布荷載的計算[J].四川建筑,2008,28(3): 92-94,96.

[8]王昕,胡達敏,李保忠,等.消防車等效均布活荷載參數化研究[J].建筑結構，2013,43(S2):364-370.

[作者簡介]雷云(1983～),男，碩士，工程師，國家一級注冊結構工程師，從事結構設計工作。

【中圖分類號】TU312+.1

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2015-11-04