大型車輛荷載在水利水電工程中的分析與應用

韓少玄

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

隨著經濟的發展、社會的進步，越來越多的水利水電工程正在規劃與建設，而在工程建設中往往因為施工、管理、用地受限等方面的考慮，需與城市公路聯合布置[1- 2]。城市道路上車輛眾多，車輛荷載作為一種移動循環荷載[3]，具有輪壓荷載數值大、作用位置不確定及一般作用時間較短等特點，一直是困擾結構設計的關鍵問題，也是結構設計中首先遇到且必須要解決的問題[4]。

汽車荷載作為交通結構的重要荷載之一，由于沒有明確的規范規定，其取值的精確性在結構工程中，往往容易被忽略[5]。現行SL 744—2016《水工建筑物荷載設計規范》[6]中沒有明確汽車荷載的取值，實際設計時通常依據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[7]，如楊軍等[8]確定與復核了水電站安裝場樓面的活荷載；或者依據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》[9]，如陳宜健[10]對箱涵設計中的車輛荷載進行了計算分析。

GB 50009—2012對300kN級消防車的雙向板的活荷載做了規定：板跨不小于3m×3m時，活荷載標準值應不小于35kN/m2，板跨不小于6m×6m，活荷載標準值應不小于20kN/m2。對于超過300kN的車輛或者板跨不滿足規范要求的雙向板，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。通過分析將實際受荷情況轉化為等效均布荷載進行構件驗算，可以保證工程安全[11- 12]。JTG D60—2015將車輛荷載分為了車道荷載和集中荷載作用，受力相對比較明確，但需借助結構分析軟件進行計算。

基于以上問題，本文結合工程實例利用有限元分析軟件SAP2000對兩種規范中汽車荷載的取值方法進行對比分析研究，指導在工程設計中能夠合理采用荷載值，以滿足工程設計需要。

1 概況

八里湖賽城湖控制樞紐工程攔污柵閘上部結構柱網尺寸為3.85m×4.3m，柱截面尺寸為600mm×600mm，框架梁截面尺寸為400mm×800mm，次梁尺寸為300mm×700mm，結構平面布置如圖1所示。

圖1 結構平面布置圖(單位：mm)

運輸車輛按公路-1級汽車荷載考慮[9]，軸長12.8m，寬2.5m，輪距1.8m，滿載總重550kN，最大前輪壓15kN，最大后輪壓70kN，前輪作用面積為0.2m×0.3m，后輪作用面積為0.2m×0.6m。運輸車輛參數如圖2所示。

圖2運輸車輛參數(單位：mm)

2 規范中對車輛荷載取值的規定

2.1 GB 50009—2012

(1)雙向板

雙向板的等效均布活荷載，按四邊簡支板的絕對最大彎矩等值來確定。雖然規范明確規定了等效均布荷載的計算原則和方法，但是由于車輛輪壓位置的不確定，實際計算比較復雜，難以掌握。結合國內許多專家、學者進行的相關研究[13- 16]，確定雙向板等效均布活荷載計算方法：首先在跨度為l的板面上施加1kN/m2的均布面荷載，得到板中最大彎矩Mmax0；然后對機動車輛不利位置組合下的內力進行計算，得到板中最大彎矩Mmax；由此可以得到雙向板的車輛等效均布活荷載qe見公式(1):

(1)

式中，qe—等效均布活荷載，kN/m2;Mmax,Mmax0—板中最大彎距，kN·m。

(2)次梁

次梁的等效均布活荷載，可按單跨簡支計算，取按彎矩和剪力等效的均布活荷載中的較大者，按彎矩和剪力等效的均布活荷載公式計算分別見公式(2)、公式(3)：

(2)

(3)

式中，S—次梁間距，m；l—次梁跨度，m；Mmax—簡支次梁的絕對最大彎矩，kN·m；按設備的最不利布置確定；Vmax—簡支次梁的絕對最大剪力，kN；按設備的最不利布置確定。

(3)框架梁

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。

2.2 JTG D60- 2015

(1)汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。整體計算采用車道荷載；局部加載等的計算采用車輛荷載。

(2)公路-1級車道荷載均布荷載標準值為qk=10.5kN/m；集中荷載計算跨徑≤5m，取270kN。

(3)車道荷載的均布荷載標準值滿布于使結構產生最不利效應的同號影響線上；集中荷載標準值只作用于相應影響線中一個影響線峰值處。

3 按等效均布活荷載計算

3.1 雙向板

車輛在板面上行駛，考慮啟動和剎車且頂板上無覆土，車輛動力系數取為1.3，則最大輪壓為1.3×70kN=91kN，板面局部活荷載為758.3kN/m2。計算模型為四邊簡支板，跨度大小為4.10m×3.70m，采用有限元軟件SAP2000中的殼單元模擬雙向板。根據車輛參數尺寸及板跨度，最不利位置是車輛后軸的最大輪壓按局部荷載作用在板內，布置方式如圖3所示。

圖3 機動車不利位置示意圖(單位：mm)

按以上兩種局部荷載作用在板內的情況分別計算出板跨中最大彎矩，計算結果見表1。

表1 雙向板等效均布活荷載計算

從表1可以看出，板面的等效均布活荷載標準值為42.82kN/m2，是規范給出300kN級消防車雙向板均布活荷載值的1.22倍。根據GB 50009—2012，300kN級消防車最大輪壓為60kN，與本工程選用的車輛最大輪壓相差1.16倍。在允許誤差范圍內，雙向板的等效均布活荷載可以按規范取值后乘以最大輪壓比值的放大系數，能夠滿足工程計算精度。

3.2 次梁

次梁按簡支梁進行計算，跨度為4.1m，最不利位置為后輪直接作用于次梁上，采用有限元軟件SAP2000中的框架單元建立簡支梁進行計算，集中荷載為1.3×70=91kN，等效均布荷載計算結果見表2。

表2 次梁等效均布活荷載計算

從表2可以看出，次梁的等效均布活荷載標準值取為13.50kN/m2，其值顯著小于板面的等效均布活荷載值。因此，在進行次梁設計時，可以采用與板不同的等效均布活荷載值。

3.3 框架梁

當車輛行駛時，最大荷載為中軸和后軸重力全部落于結構內，則框架梁柱的等效均布活荷載為16.62kN/m2。

計算結果表明框架梁的等效均布活荷載與次梁的等效均布荷載值相差不大，在設計次梁和框架梁時，可以統一采用16.62kN/m2荷載標準值進行計算。

4 按車道荷載計算

在SAP2000中建立整體模型，采用殼單元模擬板，框架單元模擬框架梁和柱，柱底與混凝土基礎固結。框架寬4.30m，根據JTG D60—2015，車道荷載為1個。考慮最不利位置布置車道荷載10.5kN/m2，集中荷載270kN只作用于相應影響線中一個影響線峰值處，整體模型及荷載作用位置，如圖4所示。同時，利用已建立的整體模型施加等效荷載42.82kN/m2和等效荷載16.62kN/m2，提取板、次梁和框架梁等內力結果匯總見表3。

圖4 整體模型及荷載作用位置

從表3可以看出，與車道荷載相比，采用板等效均布活荷載進行計算板的內力，水平向彎矩和豎直向彎矩分別減少了8.86%、5.89%，相差較小；次梁的內力顯著減少；框架梁的內力顯著增大。

5 結語

(1)水利水電工程結構設計中，對大型車輛荷載的取值，采用有限元軟件分析時建議采用車道荷載進行計算，能夠準確模擬實際受力，保障結構安全。

(2)采用等效均布活荷載進行結構設計分析時，樓板面采用等效均布活荷載進行內力分析是合理可行的；

(3)雙向板的等效均布活荷載可以按規范取值然后乘以最大輪壓比值的放大系數快速取值，能夠滿足工程計算精度。

(4)樓面梁采用梁等效均布活荷載時，差異較大，建議結構分析時采用板等效均布活荷載按規范進行折減后進行計算。

(5)雙向板等效均布活荷載的取值與板跨度、車輛作用方向、板長寬比以及覆土厚度等因素有關，因此，計算時應綜合考慮結合工程實際情況，按照荷載最不利布置原則確定車輛位置。