雷　云， 陳文明

(中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041)

?

地下室頂板運(yùn)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(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041)

【摘要】針對(duì)用作臨時(shí)施工通道需要行駛運(yùn)渣車的地下室頂板，根據(jù)荷載效應(yīng)等效原則計(jì)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(yùn)渣車輪壓下的等效均布活荷載，為工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

【關(guān)鍵詞】地下室頂板；運(yùn)渣車；等效均布活荷載

在某些施工場(chǎng)地局促或?qū)κ┕ねǖ烙刑囟ㄒ蟮墓こ添?xiàng)目中，經(jīng)常需要將已經(jīng)施工完畢的地下室頂板的局部范圍用作現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)施工通道，此時(shí)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(yùn)渣車，其中車輛荷載變化較大的是運(yùn)渣車。根據(jù) GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]表5.1.1注3“……當(dāng)不符合本表的要求時(shí)，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”，應(yīng)將不同重量的運(yùn)渣車按照結(jié)構(gòu)效應(yīng)等效原則換算為等效均布活荷載后驗(yàn)算地下室頂板的受力性能。在實(shí)際工程中，由于等效均布活荷載的計(jì)算過程較為繁瑣、設(shè)計(jì)與施工周期短等各種原因，大都未進(jìn)行等效均布活荷載的計(jì)算。施工時(shí)僅采取簡(jiǎn)單的措施或未采取任何措施便將運(yùn)渣車輛行駛至地下室頂板上，設(shè)計(jì)人員又未進(jìn)行地下室頂板配筋的復(fù)核，對(duì)于地下室頂板的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

資料表明，現(xiàn)場(chǎng)施工中采用的運(yùn)渣車多為三車軸式的重型自卸車，軸距、輪距和車輪數(shù)等參數(shù)變化不大。運(yùn)渣車的眾多參數(shù)中，對(duì)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(shí)已經(jīng)確定，變化范圍較??；現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)為了增大貨箱容積可能出現(xiàn)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(shí)裝載的飽和含水砂土的重度相差較大。因此本文分析時(shí)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(gè)等級(jí)。

本文主要針對(duì)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(yùn)渣車臺(tái)數(shù)、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(yùn)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(shù)化等效均布活荷載研究模型，直接根據(jù)構(gòu)件效應(yīng)等效原則計(jì)算了上述構(gòu)件的等效均布活荷載，其結(jié)果可供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工參考。

1計(jì)算依據(jù)

1.1運(yùn)渣車規(guī)格及荷載分布

《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)[2]附錄三車輛荷載中詳細(xì)介紹了我國現(xiàn)有汽車荷載的主要技術(shù)指標(biāo)。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(gè)前輪和4個(gè)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(shè)計(jì)技術(shù)措施(結(jié)構(gòu))》[3]，該參數(shù)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(jié)合前文分析以及中國卡車網(wǎng)的收集數(shù)據(jù)，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(jìn)行分配。

圖1　運(yùn)渣車的尺寸和橫向布置(單位:mm)

運(yùn)渣車在地下室頂板行駛時(shí)通常按車隊(duì)進(jìn)行，本文分析時(shí)根據(jù)可能出現(xiàn)的情況將滿載車輛作為一個(gè)車隊(duì)和空車作為一個(gè)車隊(duì)對(duì)向行駛，同一車隊(duì)內(nèi)車輛縱向凈距取為1.5 m，兩個(gè)車隊(duì)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(yùn)渣車車隊(duì)縱向和橫向布置(單位:mm)

1.2覆土厚度與輪壓擴(kuò)散

(1)

式中：s為實(shí)際覆土厚度；θ為覆土應(yīng)力擴(kuò)散角，不大于45°。CJJ 105-2005《城市供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]附錄C中將覆土應(yīng)力擴(kuò)散角取為35°，假定輪壓在混凝土板中的應(yīng)力擴(kuò)散角為45°，則擴(kuò)散后受力面積邊長的計(jì)算公式為：

(2)

(3)

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

本文分析地下室頂板運(yùn)渣車等效均布活荷載時(shí)，由于實(shí)際工程中施工階段地下室頂板通常未進(jìn)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(jì)算模型

本文采用ANSYS中的Shell181殼元模擬樓板，單元網(wǎng)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(jì)算樓板等效均布活荷載時(shí)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(jiǎn)支。計(jì)算次梁和主梁等效均布活荷載時(shí)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?；炷恋膹椥阅Ａ咳c=30 000 MPa，泊松比取0.2。計(jì)算運(yùn)渣車等效均布荷載時(shí)首先在模型上施加1 kN/m2的單位均布荷載，求得此時(shí)最大的剪力V1和最大的彎矩M1，再通過最不利布置計(jì)算得到構(gòu)件的最大剪力Vmax和最大彎矩Mmax。等效均布荷載按下式計(jì)算：

(4)

2樓板計(jì)算

2.1單向板

以3 m×9 m的單向板計(jì)算為例，經(jīng)過多種比較計(jì)算得到的運(yùn)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(yùn)渣車輪壓作用下的彎矩如圖5所示。

圖3　3 m×9 m樓板計(jì)算時(shí)的運(yùn)渣車最不利布置

根據(jù)圖4、圖5和公式(4)計(jì)算3 m×9 m單向板300 kN運(yùn)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(yùn)渣車輪壓作用下的彎矩

參照上述計(jì)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(yùn)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(yùn)渣車等效均布活荷載　kN/m2

圖6　單向板運(yùn)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(yùn)渣車的等效均布活荷載逐漸減小；隨著運(yùn)渣車滿載重量的增大，運(yùn)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(jìn)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(jì)算方法與單向板相同，計(jì)算結(jié)果如表2和圖7所示。

表2　雙向板的運(yùn)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(yùn)渣車的等效均布活荷載規(guī)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(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，同樣的計(jì)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?yàn)樽屵\(yùn)渣車輪壓使長向長度更長的單向板內(nèi)達(dá)到等效荷載對(duì)應(yīng)的效應(yīng)值的概率要小。

圖7　雙向板運(yùn)渣車等效均布活荷載

3次梁計(jì)算

以滿載重量為300 kN的運(yùn)渣車為例，經(jīng)過多種比較計(jì)算得到的運(yùn)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(jì)算結(jié)果如圖9所示，在最不利布置下的彎矩和剪力計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)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(yùn)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(jì)算時(shí)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(nèi)力圖

kN/m2

4主梁計(jì)算

主梁的計(jì)算方法與次梁計(jì)算方法相同。

以滿載重量為300 kN的運(yùn)渣車為例，經(jīng)過多種比較計(jì)算得到的運(yùn)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(yùn)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(yùn)渣車下的內(nèi)力圖

kN/m2

將8.1 m柱距1跨×5跨框架次梁和主梁的運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(dòng)力系數(shù)K的取值

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

6結(jié)論

(1)單向板和雙向板隨著運(yùn)渣車滿載重量的增大，運(yùn)渣車等效均布荷載基本呈線性增大；隨著板跨度的增大，運(yùn)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(yùn)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(shí)施工通道需要行走運(yùn)渣車時(shí)，需要配合施工方案對(duì)地下室頂板構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核；現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)也應(yīng)根地下室頂板的設(shè)計(jì)荷載，選擇合適重量的運(yùn)渣車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2]陳基發(fā),沙志國.建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[3]中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院. 全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施(結(jié)構(gòu))[M].中國計(jì)劃出版社,2012.

[4]CJJ 105-2005城市供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)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(jié)構(gòu),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(jì)算[J].四川建筑,2008,28(3): 92-94,96.

[8]王昕,胡達(dá)敏,李保忠,等.消防車等效均布活荷載參數(shù)化研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013,43(S2):364-370.

[作者簡(jiǎn)介]雷云(1983～),男，碩士，工程師，國家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

【中圖分類號(hào)】TU312+.1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2015-11-04