舉高消防車登高操作場地荷載取值研究

張玉春

廊坊市消防救援支隊，河北 廊坊 065000

0 引言

近年來，隨著經濟社會的快速發展，高層建筑不斷增多，高層建筑火災也屢有發生。高層建筑火災人員密集、疏散困難，僅依靠內部設施的救援難度大，依托舉高消防車進行的外部救援具有重大意義。而在高層建筑滅火救援過程中，舉高消防車體型龐大、展開困難，對場地要求嚴苛，普通登高操作場地無法滿足舉高消防車作業要求，導致舉高消防車無法順利實施滅火救援。為此，國內多名學者對登高操作場地設置有關問題展開研究。楊震等［1］從41 t舉高消防車性能參數出發，利用模擬軟件對該車在不同情況下（不同車型組合、不同覆土厚度、撲救面等）的均布荷載進行對比研究。萬瑞明［2］結合建設工程消防監督管理要求，建議增加對登高操作場地和消防車道的要求并將其設置為強制性條文。蘇明濤等［3］結合舉高消防車的實際性能，對消防規范中消防車道、登高面、撲救場地的設置以及撲救場地的管理進行補充。青劍［4］結合具體案例，提出登高操作場地設計中應該遵循的防火設計原則和火災防控技術與撲救對策，并對消防設計審查中所涉及的消防登高撲救面、防火分區、人員疏散以及避難層設置等方面存在主要問題進行分析。劉瑞娟［5］從規劃總平面防火設計、建筑單體防火設計及建筑單元戶型防火設計等方面綜合分析，提出登高操作場地設計中應該遵循的防火設計原則及要點。

上述研究多以具體建筑或具體舉高消防車為對象，缺乏普遍適用性。對舉高消防車的性能進行研究，分析計算舉高消防車登高操作場地的荷載取值，對于提高消防救援隊伍高層建筑滅火救援和舉高消防車應用能力具有重要意義。

1 舉高消防車發展概況

舉高消防車最早出現于1875 年，至今已有將近150 年歷史，其目的是開辟滅火救援的“第二戰場”，供救援人員及裝備從高處救援入口進入建筑物內部，以此提高火災中被困人員生還率。

舉高消防車按底盤載重能力可劃分為微型、輕型、中型、重型。舉高消防車種類更多是按照用途劃分，可劃分云梯消防車、登高平臺消防車以及舉高噴射消防車。在這三類舉高消防車中，云梯消防車和舉高噴射消防車質量多介于10～30 t之間，20～30 t舉高噴射消防車占比較多；登高平臺消防車質量多為20～40 t 之間，也有超過40 t 的重型消防車。這三類舉高消防車最大工作高度也不同：云梯消防車最大工作高度多分布于25～50 m 區間內；舉高噴射消防車最大工作高度則多為25 m 以下：登高平臺消防車最大工作高度雖多分布于25～75 m 區間內，但也存在部分工作高度超過75 m 甚至100 m 的登高平臺消防車。

經查閱資料，國內外規范中對于登高操作場地的要求如表1 所示。現階段消防規范中對于登高操作場地的規定多局限于對登高操作場地及消防車通道大小的要求，缺少對于登高操作場地承重能力的要求［6］。

表1 舉高消防車登高操作場地要求

2 舉高消防車登高操作場地荷載分析

舉高消防車在登高操作場地的荷載主要分為兩部分，即消防車輪荷載以及處于工作狀態時整車荷載。影響舉高消防車最大荷載值的主要因素有消防車質量、可攜帶裝備質量、最大工作高度與幅度、車輪著地面積、覆土厚度、樓板尺寸及厚度、簡支板尺寸、簡支板中心間距。

2.1 舉高消防車荷載面積計算

消防車對登高操作場地的荷載受到覆土厚度的影響。當覆土厚度大于零時，覆土的擴散作用會相應地擴大車輪對登高操作場地的壓力受力面積，從而使輪壓荷載減小，覆土厚度越大，受力面積越大，荷載越小。當覆土厚度為零時，登高操作場地的壓力受力面積即為輪胎著地面積。不僅場地覆土對輪壓有擴散作用，而且混凝土樓板本身對車輪壓力也有擴散作用。根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012，以下簡稱《荷載規范》）附錄B，混凝土樓板情況下車輪壓力擴散角通常為45°，如圖1所示。

圖1 單個輪壓擴散示意圖

圖1 中厚度為s的覆蓋層攤鋪后的輪壓長度bsx和寬度bsy計算如式（1）和（2）所示：

式中：btx、bty分別為沒有覆土時的車輪輪壓長度和寬度，s、h分別為樓板上的覆土厚度和樓板厚度；θ為覆土的擴散角，根據《荷載規范》，θ通常取35°。

由此可得出車輪等效荷載面積S=bsxbsy，由于輪胎間距固定，經過一定深度的覆土擴散后，場地上的輪壓面積會有一定程度的重疊，使得重疊區域內的壓力較大。重疊次數越多，重疊區域的壓力越大。然而，由于主戰消防車車輪間距相對較大，輪壓重疊的情況可忽略不計。同理，消防車工作狀態時伸臂下所鋪墊的簡支板等效面積也可采用上述方法計算。

2.2 舉高消防車操作場地荷載

2.2.1 舉高消防車靜荷載

根據《荷載規范》附錄C，可確定舉高消防車荷載有效寬度b，從而確定單位均布荷載q，求出X 和Y方向兩跨中間彎矩之和Mx和My如式（3）和（4）所示：

式中：ν為混凝土的泊松比，工程計算中取0.2；Mx0、My0是ν為0時，四邊簡支雙向板上X、Y 方向的彎矩。對于均布荷載作用下正方形的四邊簡支雙向板Mx0=My0，故式（3）可以轉換成：Mx0=Mx/(1 +ν)。

進而可求出彎矩計算系數β=Mx0/ql2，l為樓板跨度。然后求出消防車最不利布置時，輪壓局部荷載作用下四邊簡支雙向板X、Y 方向的跨中彎矩值M1和M2，取兩者的較大值為Mmax，其對應的等效均布荷載qe=Mmax/[βl2(1 +ν)]。

2.2.2 舉高消防車荷載偏心放大系數

在舉高消防車處于工作狀態時，工作臂通常處在舉高消防車的左右兩側，工作臂所在側的簡支板荷載較另一側大。當工作臂與車輛行駛方向垂直時，工作臂所在側簡支板荷載與工作臂未展開荷載之比即為荷載偏心放大系數k。

下面以芬蘭博浪濤F78HLA 登高平臺消防車為例，計算其工作時荷載偏心放大系數。F78HLA登高平臺消防車整車長15.8 m，寬2.5 m，高4 m，臂展采用曲臂型式，最大登高高度78 m，最大工作幅度30 m。整車質量為46 t，可攜帶最多質量為400 kg 的裝備。F78HLA登高平臺消防車處于工作狀態時，整車重量支撐在展開的四個工作臂上，每個工作臂與地面之間采用墊板。當工作臂與車輛行駛方向垂直且工作幅度最大時，消防車最容易傾覆，此時，工作臂一側的支架對地面造成的荷載值最大，其工作狀態簡圖如圖2所示，通過以下計算可得出F78HLA 登高平臺消防車荷載偏心放大系數k。

圖2 工作臂最大工作幅度受力圖

根據圖2，設重心距消防車中心點水平距離為xm，可列出方程式為：

經整理計算得到：Y1= 214.76 kN，Y2=249.24 kN。因此，F78HLA 的荷載偏心放大系數k=Y2/230 = 1.08。

2.2.3 舉高消防車輪荷載的動力放大系數

當舉高消防車啟動和制動時，車輪的載荷會相應增加，這就是消防車的動力效應。根據覆土厚度的不同，車輪荷載應放大相應的倍數，該倍數μ稱為動力放大系數。當土層厚度不小于0.7 m 時，車輪荷載的動力效應可以忽略不計。根據《荷載規范》，搬運和裝卸重物以及車輛起動和剎車的動力系數，可采用1.0～1.3。

3 某酒店舉高消防車登高操作場地荷載實測分析

3.1 酒店概況

該酒店總建筑面積140 666 m2，地下1 層，地上21 層，建筑高度93 m。主要使用功能為客房、商業中心、餐廳、KTV、會議中心等，屬于一類高層公共建筑。該建筑除第二層設置室外平臺以外，整體采用下大上小的設計，建筑逐層向上收緊。本案例選取104 m 的登高平臺消防車F104HLA 作為該高層建筑救援用消防車。

3.2 F104HLA登高平臺消防車最大荷載

3.2.1 工作狀態荷載

F104HLA 消防車整車長16.9 m，寬2.55 m，高3.96 m，臂展采用曲臂型式，最大登高高度104 m，最大工作幅度29.6 m。整車質量為62 t，可攜帶最多質量為500 kg 的裝備。F104HLA 消防車共有6 對車輪，其中2 對為前輪，4 對為后輪。前軸重2×90 kN，后軸重4×112.5 kN，輪壓荷載尺寸及車輪距（單位：mm）如圖3所示。

圖3 F104HLA消防車輪距與輪壓荷載面積示意圖

由前文可知，當覆土厚度為0 時，輪壓荷載與工作狀態荷載最大。當覆土厚度為0 時，設簡支板長1.0 m，寬1.0 m，地下室頂板選用6 m×6 m 樓板，厚度為0.1 m。

3.2.1.1 最大荷載偏心放大系數

當F104HLA 登高平臺消防車處于工作狀態時，整車重量支撐在展開的四個工作臂上，每個工作臂與地面之間采用簡支板連接，當工作臂方向與舉高消防車行駛方向垂直且工作幅度最大時，舉高消防車最容易傾覆，其對地荷載的偏心放大系數最大，此工作狀態受力簡圖如圖4所示。

圖4 F104HLA工作最大時受力簡圖

此時，設F104HLA 登高平臺消防車重心距消防車中心點水平距離為xm，可得出方程式為：620x-Y1(4.05 +x) = 5(29.6 -x) -Y2(4.05 -x)。經整理計算可得：Y1= 294.23 kN，Y2= 330.77 kN。因此，F104HLA 登高平臺消防車最大荷載偏心放大系數k=Y2/310 = 1.067。

3.2.1.2 F104HLA 登高平臺消防車工作狀態對地最大荷載

簡支板在工作狀態時對地荷載等效作用面長度為：bcx=btx+ 2stanθ+h= 1.1 m，bcy=bty+ 2stanθ+h= 1.1 m，因為bcx= bcy，bcx＜l，bcy＜0.6l，可得出：b=bcy+ 0.7l= 5.3 m。當荷載中心距樓板非支承邊距離d＜b/2 = 2.65 m 時，即0.5 ≤d＜2.65 時，等效分布寬度b，=b/2 +d，即3.15 ≤b，＜5.3 m。

作用樓板表面的均布荷載q= 155/(1.0 ×b，)=155/b，，最大彎矩值當b，= 3.15 m時，彎矩Mmax最大，為7.32 kN·m。

由此可知M0=Mmax/(1 +ν) = 6.1 kN·m，彎矩計算系數β=M0/ql2= 3.44 × 10-3，等效均布活荷載qe=Mmax/[βl2(1 +ν)]= 49.26 kN·m-2。當d≥b/2時，即2.65 ≤d≤3 時，等效分布寬度即為b= 5.3 m，作用樓板表面的均布荷載q= 155/(1.0 × 5.3) =29.25 kN·m-2。此時，最大彎矩值4.35 kN·m。因此，彎矩計算系數β=M0/ql2= 3.44 × 10-3，等效均布活荷載qe=Mmax/[βl2(1 +ν)]= 29.27 kN·m-2。由此，最大等效均布活荷載qemax= 49.26 kN·m-2，單個簡支板工作狀態最大荷載qmax=kqemax= 52.56 kN·m-2。

3.2.2 F104HLA登高平臺消防車車輪荷載

3.2.2.1 前后輪荷載

該車前輪等效作用面長寬分別為：bsx1=btx1+ 2stanθ+h= 0.4 m，bsy1=bty1+ 2stanθ+h= 0.3 m。由于bsx1＞bsy1，bsx1＜0.6l，bsy1＜l，等效分布寬度b=bsy1+0.7l= 4.5 m，因為相鄰兩個車輪局部荷載間距e=1.4 m ＜b，所以等效分布寬度b，=(b+e)/2 =2.95 m。作用樓板表面的均布荷載q= 45/2.95 ×0.3 = 50.85 kN·m-2，最大彎矩值7.56 kN·m，M0=Mmax/(1 +ν) = 6.30 kN·m，彎矩計算系數β=M0/ql2= 3.44 × 10-3，因此，前輪等效均布活荷載qe1=Mmax/[βl2(1 +ν)]= 50.87 kN·m-2。同理求得后輪等效均布活荷載qe2=Mmax/[βl2(1 +ν)]= 31.83 kN·m-2。

3.2.2.2 輪壓荷載最大值

根據上述計算，得到最大靜輪壓荷載為qe=50.87 kN·m-2，輪壓荷載最大動力系數為1.3，因此，最大單個輪壓荷載qmax=μqemax= 66.13 kN·m-2。

3.3 F104HLA登高平臺消防車場地最大荷載

在覆土厚度為0 時，F104HLA 對6 m×6 m×0.1 m的場地最大荷載為66.13 kN·m-2。在設計登高操作場地時，應選擇型號為6 m×6 m×0.1 m 時，強度不低于66.13 kN·m-2的材料。根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）第4.1.4 條，應選擇強度不低于C15 的混凝土。根據上述計算過程并以此類推，可得出F104HLA 在地下室頂板選擇3 m×3 m×0.1 m、4 m×4 m×0.1 m、5 m×5 m×0.1 m 樓板時最大荷載值，并匯總如表2所示。

表2 F104HLA消防車在不同樓板上的最大荷載值

4 結束語

現階段國內外對于高層建筑舉高消防車登高操作場地的研究多涉及消防撲救面、消防車道的設計，對于舉高消防車登高操作場地的荷載值缺少明確要求。舉高消防車的荷載與消防車質量、可攜帶裝備質量、最大工作高度與幅度、車輪著地面積、覆土厚度、樓板尺寸及厚度、簡支板尺寸、簡支板中心間距等因素有關。對于舉高消防車的輪壓荷載，應考慮其動力效應，在靜荷載的基礎上乘以動力放大系數；對于消防撲救面的荷載，應考慮登高平臺攜帶設備對車輛產生的荷載偏心放大效應，在工作狀態最大荷載基礎上乘以荷載偏心放大系數［7］。對于具體高層建筑物，應根據其高度所需使用的消防車，從而計算出其登高操作場地荷載，進而對場地材料選擇提出建議。計算舉高消防車登高操作場地荷載時，應以簡支板和車輪面積之和作為等效荷載面積，即消防車在最不利設置情況下的荷載值，將簡支板和車輪面積分開計算取較大值，此時計算結果可靠。