關(guān)于地下車庫頂板消防車荷載以及無梁樓板計算探討

【摘要】近年來，隨著國民生活水平提高以及城市化進(jìn)程，越來越多的綜合體項目，大型小區(qū)項目，都設(shè)有地下車庫以充分利用地下空間，地下車庫頂板又因為種植綠化物或埋設(shè)外網(wǎng)管道而設(shè)有一定厚度的覆土，且因消防要求往往在車庫頂板局部又設(shè)有消防車道，甚至有時還有人防荷載。這就給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員帶來一定的挑戰(zhàn)：在如此大的荷載之下要保證經(jīng)濟(jì)合理安全的設(shè)計準(zhǔn)則，既滿足業(yè)主的功能需求，又要滿足結(jié)構(gòu)正常使用安全指標(biāo)。這些年來經(jīng)過房地產(chǎn)行業(yè)以及設(shè)計行業(yè)的共同實踐和探討，無梁樓板以其不可替代的優(yōu)勢被越來越多的業(yè)主青睞，比如萬達(dá)，萬科等大型地產(chǎn)商，會直接指定設(shè)計院采用無梁樓板形式設(shè)計地下車庫，可見地庫無梁樓板的技術(shù)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計師的重要性。無梁樓板具有構(gòu)造簡單，板底平整，建筑空間高，結(jié)構(gòu)高度小，施工速度快的優(yōu)點，但與梁板式相比，也具有抗震性能差，混凝土用量稍高的缺點，但用于地下車庫這種抗震要求不高的結(jié)構(gòu)，綜合經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)勢極其明顯。本文系統(tǒng)的討論了無梁樓板頂部覆土下消防車輪壓荷載的計算，并且對比了無梁樓板幾種計算方法，總結(jié)出在實際設(shè)計中，結(jié)構(gòu)設(shè)計師宜采用何種方法更實用更準(zhǔn)確的進(jìn)行輪壓荷載計算以及無梁樓板的計算。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；消防車荷載；無梁樓板

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]GB50009-2012（以下簡稱《荷規(guī)》）附錄B中規(guī)定了消防車活荷載考慮覆土厚度影響的折減系數(shù)，主要針對4米跨以內(nèi)的單向板和6米跨以內(nèi)的雙向板，而地下車庫無梁樓板往往柱網(wǎng)為8.1mx8.1m以上，故無法直接采用本表格。《荷規(guī)》表5.1.1規(guī)定了消防車活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，即單向板時為35kN/m2，雙向板以及無梁樓板時為20kN/m2，這樣大的活荷載如果不經(jīng)過覆土輪壓折減的話，勢必會造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和配筋都極大。《荷規(guī)》表5.1.1注1規(guī)定：“本表所給荷載適用于一般使用條件，當(dāng)使用荷載較大、情況特殊或有專門要求時，應(yīng)按實際情況采用”。注3規(guī)定：“消防車活荷載是適用于滿載總重為300kN的大型車輛；當(dāng)不符合本表的要求時，應(yīng)將車輪的局部荷載按結(jié)構(gòu)效應(yīng)的等效原則，換算為等效均布荷載。”

可見，根據(jù)以上規(guī)定，根據(jù)實際工程情況，應(yīng)充分利用覆土擴(kuò)散作用，對消防車活荷載進(jìn)行折減，既能保證結(jié)構(gòu)安全又能實現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)效益。

1、無梁樓板消防車荷載計算

1.1計算依據(jù)

根據(jù)《荷規(guī)》條文說明5.1.1：“計算中選用的消防車為重型消防車，全車總重300kN，前軸重為60kN，后軸重為2x120kN，有2個前輪與4個后輪，輪壓作用尺寸均為0.2mx0.6m.” 參照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》【2】中的規(guī)定，如圖1所示：

依據(jù)《城市供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》【3】（CJJ105-2005）的規(guī)定，輪壓在土中的擴(kuò)散按深度每增加 1m，單邊擴(kuò)散寬度增加 0.7m 考慮，即相當(dāng)于擴(kuò)散角 α =35°。

1.2輪壓覆土擴(kuò)散計算方法

以本人曾經(jīng)做過的廊坊韓村農(nóng)民回遷樓項目中的地下車庫做實例來計算。柱網(wǎng)8.1mx8.1m，頂板覆土1.5m厚，雙向消防車道，考慮兩輛消防車并行輪壓荷載。考慮輪壓最不利布置，如圖2。

很明顯，輪壓經(jīng)擴(kuò)散后，等效荷載為q=（4x60kN）/（3.7mx4.5m）=14.4kN/m2

值得說明的是，本文著重考察覆土層厚度即墊層厚度對局部荷載的擴(kuò)散折減作用，所以，只取用《荷規(guī)》附錄 B規(guī)定的局部荷載計算寬度的概念，從計算結(jié)果可看出，考慮覆土層厚度的擴(kuò)散作用所得到的消防車輪壓的計算寬度即可在很多情況下作為地下室頂板的均布活荷載（滿布或接近滿布板跨） ，而無須再按《荷載規(guī)范》附錄 B 的規(guī)定將該荷載再等效為樓面均布活荷載。一般情況下，要精確計算輪壓的等效均布荷載是比較困難的，且從工程設(shè)計角度看，也沒有必要。“等效”和“折減”的本質(zhì)都是“近似”，且其次數(shù)越多，誤差就越大。

2、無梁樓板計算方法

前面講述了無梁樓板頂部消防車荷載在覆土作用下的等效折減計算，荷載有了，下面我們討論一下無梁樓板的計算方法。目前國內(nèi)存在三種計算方法，下面我一一介紹。

2.1經(jīng)驗系數(shù)法

經(jīng)驗系數(shù)法是從國外引進(jìn)的計算無梁樓板最原始的方法。表1為經(jīng)驗系數(shù)法計算無梁樓板時，柱上板帶和跨中板帶彎矩分配比例。引自《鋼筋混凝土升板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》【4】GBJ130-90。

但是，經(jīng)驗系數(shù)法計算無梁樓板必須要滿足以下條件：

（1）每個方向至少有三個連續(xù)跨。

（2）任一區(qū)格長邊與短邊之比不大于1.5。

（3）同一方向相鄰跨度跨長變化不超過較長跨的1/3。

（4）所有荷載均為豎向均布荷載，活荷載與恒載之比≤3。

而在現(xiàn)實工程設(shè)計中，往往很難滿足這四個前提條件，仍然以本人所設(shè)計的廊坊韓村農(nóng)民回遷樓項目為例，如上圖：

很明顯，因地下車庫坡道的設(shè)置，與地下室外墻之間，僅僅剩了一跨，不能滿足連續(xù)三跨的條件，且柱網(wǎng)設(shè)置AB跨與BC跨的差距（8100-4700）/8100=1/2.38>1/3，亦不能滿足第（3）條要求，7，8軸與B，C軸之間的板塊，8100/4700=1.73>1.5，不滿足第（2）條。

可見，現(xiàn)實工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，經(jīng)驗系數(shù)法，有很大的局限性。

2.2等代框架法

無梁樓板為支撐在柱頂?shù)牡却海紤]支撐柱（墻）對等代梁的約束作用，將等代梁與支撐柱（墻）視為連續(xù)結(jié)構(gòu)，則構(gòu)成了平面等代框架，豎向荷載下可求解無側(cè)移等代框架各桿件的內(nèi)力。等代框架法在豎向荷載作用下，不受經(jīng)驗系數(shù)法限制條件的局限，被大量用于工程設(shè)計中。接下來仍以本人設(shè)計廊坊農(nóng)民回遷樓項目為實例，利用理正軟件進(jìn)行等代框架法計算。

消防車輪壓荷載經(jīng)之前計算為14.4kN/m2，考慮將來使用過程中業(yè)主在頂板覆土上庭院綠化及建筑小品等靈活位置堆載，活荷載做適當(dāng)增加，按20kN/m2。

1.2x43.4+1.4x20=80kN/m2

1.35x43.4+0.7x1.4x20=78.2kN/m2

頂板荷載設(shè)計值取80kN/m2

理正軟件設(shè)置中，恒載直接輸入荷載設(shè)計值。恒載分項系數(shù)取1.0，活載及其分項系數(shù)取0，板重取0。柱帽尺寸：3000（托板寬）x3000（托板寬）。取5跨進(jìn)行等代框架計算。計算結(jié)果如下：

2.3精細(xì)有限元計算法

精細(xì)有限元計算法，就是不再對無梁樓板進(jìn)行人為簡化和等代，而是利用MIDAS，SAP2000，以及PKPM中的SLABCAD模塊，進(jìn)行真實的三維建模進(jìn)行有限元分析，本方法計算出來的結(jié)果，柱帽位置局部會有應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)配筋值極大現(xiàn)象，故當(dāng)柱網(wǎng)及板塊極不規(guī)則時，可用有限元計算方法進(jìn)行復(fù)核計算。

結(jié)論：

本文討論了地下車庫頂板的覆土對消防車輪壓荷載的擴(kuò)散作用，分析結(jié)果表明，覆土深度對消防車荷載有極大的折減作用，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可忽視的要點。文章對比了無梁樓板三種計算方法的原理及計算方式，得出結(jié)論，最適合目前工程現(xiàn)狀的設(shè)計方法為等代框架法，當(dāng)遇到極其復(fù)雜且不規(guī)則的柱網(wǎng)及板塊時，須采用有限元法進(jìn)行精細(xì)計算。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[2]JTGD60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范.北京：人民交通出版社.

[3]CJJ105-2005城市供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[4]GBJ130-90鋼筋混凝土升板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

作者簡介：

王金（身份證：130282198202233314）。

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