某場地結構頂板施工車輛走行論證

周 成 龍

(蘇華建設集團有限公司上海分公司，上海 200021)

1 項目概況

擬使用的結構位于南方某特大城市標志性建筑旁邊，為城市旅游目的地之一。該處游客如織，是大型廣告發布活動舉行的理想地。該結構地上部分共2層，設計功能為辦公、商業，地下1層停車庫。2層頂板(即3層平臺)設計功能為普通停車場。

根據原土建設計單位提供的結構設計資料，3層平臺柱跨均為8.4 m×8.4 m，采用井字梁梁板結構，板跨2.8 m×2.8 m，為現澆混凝土結構，混凝土梁板柱強度等級C40。主梁截面500×800，次梁截面300×600，樓板厚150 mm，設計結構活荷載5 kN/m2。建筑面層做法如表1所示。

表1 結構頂板建筑面層做法

現某大型品牌發布會選址該3層平臺，活動方擬在3層平臺上搭建臨時使用的篷房，篷房跨度37 m，進深60 m，施工過程中需要使用吊車、曲臂車、剪刀型升高車以及叉車等施工車輛，施工車輛最大自重為11.9 t的吊車。

根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范(以下簡稱《荷載規范》)，設計使用功能為客車停車場的結構，雙向板板跨不小于6 m×6 m時，可取2.5 kN/m2，該活荷載僅考慮“小轎車、吉普車、小型旅行車(載人少于9人)的車輪局部荷載以及其他必要的維修設備荷載”。根據以上表述判斷，設計活荷載2.5 kN/m2時，可安全承載的車輛重量范圍為1.5 t～2.5 t。

本活動擬使用的結構平臺，設計活荷載為5.0 kN/m2，是否能夠承載總重最大達到11.9 t的施工車輛。

以下分別從結構概念和規范規定的等效均布荷載方法進行論證走行的可行性，并驗算樓板的局部沖切承載力，為活動搭建過程中的結構安全承載提供理論支持。

2 結構概念設計判斷

結構概念設計，顧明思義，不通過計算或僅通過簡單的計算就可作出結論的結構設計過程，是結構設計人員最為重要也是最為基礎的一種設計方法。

本項目中，原設計活荷載的滿鋪局部荷載，施工車輛荷載為各個車輪下的集中荷載。以最大總重11.9 t的吊車為例，其共有前后6個車輪，即6個集中荷載。將集中荷載簡化為簡單的一個11.9 t的集中荷載，則本項目問題簡化為對比一個集中荷載和一個滿鋪的均布荷載所產生的結構效應問題。

考慮最簡單的兩端簡支單跨梁(即：不考慮雙向板的有利作用，不考慮單個柱跨周邊的固結邊界的有利作用)結構概念，同樣跨度下，同樣總荷載作用下，跨中集中荷載產生的彎矩效應(梁板結構非地震非風荷載作用下的主要受力效應)為均布荷載作用下的2倍，如圖1，圖2所示。

原設計活荷載5.0 kN/m2，為結構設計荷載。將其簡單理解為結構可承重滿鋪的500 kg/m2，則我們可得到一個柱跨8.4 m×8.4 m內可承擔的總重量為:

500×8.4×8.4=35 280 kg。

極限情況下，將該柱跨內的均布荷載集中到一個點內施加，變為一個集中荷載，則該集中荷載的總重量為：

35 280×0.5=17 640 kg=17.64 t>1.3×11.9=15.47 t。

其中,0.5為均布荷載和一個集中荷載的彎矩效應轉化系數；1.3為考慮吊車走行的動力系數。

由以上結果可見，本結構柱跨可滿足該吊車行走的安全承載要求。

3 規范方法計算等效均布荷載

根據《荷載規范》5.1.4，樓面結構上的局部荷載可按附錄C，換算為等效均布活荷載。樓板周邊支承情況可考慮為四邊簡支。

吊車自重11.9 t，軸距4.2 m，輪距1.8 m，行走過程中前軸輪壓3.5 t，后軸輪壓8.4 t，單個輪胎著地面積0.2 m×0.4 m。本工程頂板建筑面層厚度為135 mm(根據前述建筑面層做法計算而得，僅考慮剛性面層厚度)，結構板厚150 mm，后軸輪壓作用下，一個2.8×2.8跨內的吊車局部荷載見圖3。

查詢《建筑結構靜力計算實用手冊》(第2版)，面層厚度取擴散角45°，則：

ax=0.4+2×0.135=0.67,ay=0.4+2×0.135=0.67;

插值法得到單個后軸輪壓的彎矩系數:

以上是根據《手冊》查表方法計算得出的板跨內最大彎矩，由于計算機有限元計算的普及，筆者利用國內設計院常用的某設計軟件，進行了有限元分析，其板跨內彎矩分布圖如圖4，圖5所示。

板跨內的最大彎矩取手冊查表計算結果與有限元軟件計算結果的較大值，即:

荷載作用的長邊平行于板跨，則：

bcx=400+2×135+150=820。

bcy=400+2×135+150=820。

bcx>bcy,bcy≤0.6×2 800=1 680,bcx<8 400。

b=820+0.7×2 800=2 780。

則該板跨內等效均布荷載：

考慮車輛走行的動力系數1.3，故吊車行走過程中對頂板產生的等效均布荷載為：

1.3×3.00=3.90<5.0 kN/m2。

梁板柱配筋計算用的等效均布荷載均滿足此11.9 t吊車走行需求。

同理，可根據以上計算過程計算其余施工車輛的等效均布荷載，其結果均小于頂板原設計荷載。

4 局部抗沖切承載力驗算

施工車輛最大局部荷載4.2 t=42 kN，作用面積0.4 m×0.4 m。樓板厚度150 mm，混凝土強度等級C40。根據GB 50010—2010混凝土結構設計規范，以下簡稱《混凝土規》6.5.1，ft=1.71 MPa，h0=150-20=130 mm，長寬比≤2，βs=2，η1=1.0，αs=40，βh=1.0，不考慮屋頂建筑面層的有利擴散作用，則沖切周長:

μ=2×(400+2×130×tan45°+

400+2×130×tan45°)=2 640 mm。

則混凝土板抗沖切承載力：

F1=0.7×1.0×1.71×0.99×

2 240×130=345.92 kN>1.3×42 kN。

其中，1.3為考慮施工車輛走行過程中的動力系數。

故該樓板滿足本施工車輛局部輪壓作用下的抗沖切承載力設計要求。同理可計算其余施工車輛的局部荷載。

5 結論

根據以上概念設計以及等效均布荷載以及樓板抗沖切承載力的計算結果，顯示結構頂板能滿足本次活動施工車輛承載力設計要求。

活動搭建過程中，根據活動承辦方的要求，對頂板結構變形進行了實時監控，結果顯示，在施工車輛正常走行情況下，頂板撓度變形遠遠小于結構撓度變形限值要求，實現了安全承載的既定目標。

6 關于等效均布荷載的思考

1)隨著計算機有限元軟件的普及，使用板跨有限元計算板塊內的最大彎矩效應變得更為簡易，其計算結果比結構手冊的算法要精確。等效的意義本身就是一種近似計算，滿足工程計算需要即可。

2)《荷載規范》5.1.1表內的樓板等效均布荷載嚴格來說是計算樓板效應的依據，當前結構設計軟件普遍根據此等效樓板荷載計算梁柱配筋，實際上是對梁柱配筋的安全余量進一步放大。《荷載規范》5.1.2條規定了各類構件的折減系數，從結構設計的經濟性精細性考慮，應按此條要求對梁柱配筋計算的等效荷載予以折減。

3)結構設計使用的是一個等效均布荷載，實際結構使用過程中不應將結構安全僅限于加載部位均攤荷載小于均布荷載。遇到集中負載較大的情況，可根據《荷載規范》規定方法進行等效均布荷載的計算，以驗證結構是否安全。

4)在驗算集中荷載作用下的等效均布荷載的同時，需要同時考慮樓板抗沖切承載力，該過程可根據《混凝土規》相應條款進行計算。