地下室顶板运渣车等效均布活荷载取值分析

2016-07-27陈文明

四川建筑 2016年2期

关键词：活荷载单向主梁

雷　云，陈文明

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610041)

地下室顶板运渣车等效均布活荷载取值分析

雷云，陈文明

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610041)

【摘要】针对用作临时施工通道需要行驶运渣车的地下室顶板，根据荷载效应等效原则计算了2～4 m的单向板、3～8.1 m的双向板、柱距8.1 m的框架次梁和主梁在不同满载重量的运渣车轮压下的等效均布活荷载，为工程设计和现场施工提供参考。

【关键词】地下室顶板；运渣车；等效均布活荷载

在某些施工场地局促或对施工通道有特定要求的工程项目中，经常需要将已经施工完毕的地下室顶板的局部范围用作现场临时施工通道，此时地下室顶板上可能行驶各种施工车辆，如混凝土泵车、小型货车和运渣车，其中车辆荷载变化较大的是运渣车。根据 GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[1]表5.1.1注3“……当不符合本表的要求时，应将车轮的局部荷载按结构效应的等效原则，换算为等效均布荷载”，应将不同重量的运渣车按照结构效应等效原则换算为等效均布活荷载后验算地下室顶板的受力性能。在实际工程中，由于等效均布活荷载的计算过程较为繁琐、设计与施工周期短等各种原因，大都未进行等效均布活荷载的计算。施工时仅采取简单的措施或未采取任何措施便将运渣车辆行驶至地下室顶板上，设计人员又未进行地下室顶板配筋的复核，对于地下室顶板的结构和构件存在较大的安全风险。

资料表明，现场施工中采用的运渣车多为三车轴式的重型自卸车，轴距、轮距和车轮数等参数变化不大。运渣车的众多参数中，对地下室顶板等效均布活荷载取值影响最大的是空车重量、货箱长度、货箱宽度、货箱高度和渣土重度。空车重量、货箱长度、货箱宽度在车辆出厂时已经确定，变化范围较小；现场施工时为了增大货箱容积可能出现增加货箱高度的情况，且货箱高度的变化范围较大；渣土的重度也存在较大的变化，如松散装载的黏土和密实装载的饱和含水砂土的重度相差较大。因此本文分析时将三车轴式的渣土车的总重量划分为300 kN、350 kN、400 kN、450 kN、500 kN、550 kN、600 kN、650 kN和700 kN共9个等级。

本文主要针对跨度为2～4 m的单向板、跨度3～8.1 m的双向板、柱距8.1 m次梁井字布置的框架的次梁和主梁，综合考虑运渣车台数、楼板跨度、板长宽比等因素的影响，按照荷载最不利布置的原则确定运渣车布置，基于ANSYS有限元软件，采用APDL语言建立高效率的参数化等效均布活荷载研究模型，直接根据构件效应等效原则计算了上述构件的等效均布活荷载，其结果可供结构设计和现场施工参考。

1计算依据

1.1运渣车规格及荷载分布

《建筑结构荷载设计手册》(第二版)[2]附录三车辆荷载中详细介绍了我国现有汽车荷载的主要技术指标。满载300 kN汽车全车总重300 kN，前轴重60 kN，后轴重2×120 kN，有2个前轮和4个后轮，前轮着地尺寸为0.2 m(纵向)×0.3 m(横向)，后轮着地尺寸为0.2 m(纵向)×0.6 m(横向)。车轮的平面尺寸和横向布置参照《全国民用建筑工程设计技术措施(结构)》[3]，该参数与收集资料中的三车轴式重型自卸车的较为吻合，如图1所示。结合前文分析以及中国卡车网的收集数据，本文取渣土车的空车重量为120 kN，渣土车的满载重量为300～700 kN，各根轴的轴重按照前轴20%、后轴40%+40%进行分配。

图1　运渣车的尺寸和横向布置(单位:mm)

运渣车在地下室顶板行驶时通常按车队进行，本文分析时根据可能出现的情况将满载车辆作为一个车队和空车作为一个车队对向行驶，同一车队内车辆纵向净距取为1.5 m，两个车队之间的车辆横向净距取为0.6 m，其平面布置如图2所示。

图2　运渣车车队纵向和横向布置(单位:mm)

1.2覆土厚度与轮压扩散

(1)

式中：s为实际覆土厚度；θ为覆土应力扩散角，不大于45°。CJJ 105-2005《城市供热管网结构设计规范》[4]附录C中将覆土应力扩散角取为35°，假定轮压在混凝土板中的应力扩散角为45°，则扩散后受力面积边长的计算公式为：

(2)

(3)

式中：bx、by为轮压作用在两个方向的计算宽度；btx、bty为轮压作用在两个方向的宽度，此处则为轮胎着地尺寸；s为实际覆土厚度；h为楼板厚度。

本文分析地下室顶板运渣车等效均布活荷载时，由于实际工程中施工阶段地下室顶板通常未进行覆土，因此暂不考虑地下室顶板覆土的影响。

1.3轮压下的有限元计算模型

本文采用ANSYS中的Shell181壳元模拟楼板，单元网格尺寸为0.05 m×0.05 m，采用Beam188梁元模拟梁柱单元，单元长度为0.05 m。计算楼板等效均布活荷载时单向板跨度为2 m×6 m、3 m×9 m、4 m×12 m，双向板跨度为3 m×3 m、4 m×4 m、5 m×5 m、6 m×6 m、8.1 m×8.1 m，板厚取为0.16 m，楼板四边简支。计算次梁和主梁等效均布活荷载时采用1跨×5跨框架，柱距为8.1 m，次梁井字布置，次梁间距为2 700，板厚取为0.16 m，次梁截面为0.3 m×0.7 m，主梁截面为0.4 m×0.9 m，柱截面为0.6 m×0.6 m，柱底固定。混凝土的弹性模量取Ec=30 000 MPa，泊松比取0.2。计算运渣车等效均布荷载时首先在模型上施加1 kN/m2的单位均布荷载，求得此时最大的剪力V1和最大的弯矩M1，再通过最不利布置计算得到构件的最大剪力Vmax和最大弯矩Mmax。等效均布荷载按下式计算：

(4)

2楼板计算

2.1单向板

以3 m×9 m的单向板计算为例，经过多种比较计算得到的运渣车最不利布置如图3所示。3 m×9 m的单向板在单位荷载作用下的弯矩如图4所示，在300 kN运渣车轮压作用下的弯矩如图5所示。

图3　3 m×9 m楼板计算时的运渣车最不利布置

根据图4、图5和公式(4)计算3 m×9 m单向板300 kN运渣车的等效均布活荷载，如下式：

24.51kN/m2

(a) X向弯矩　　　　　　　　　(b) Y向弯矩图4　3 m×9 m楼板在单位荷载作用下的弯矩

(a) X向弯矩　　　　　　　　　(b) Y向弯矩图5　3 m×9 m楼板在300 kN运渣车轮压作用下的弯矩

参照上述计算原则，得到2 m×6 m、3 m×9 m和4 m×12 m单向板在300～700 kN运渣车下的等效均布荷载，如表1和图6所示。

表1　单向板的运渣车等效均布活荷载　kN/m2

图6　单向板运渣车等效均布活荷载

从表1和图6可以看出，随着楼板跨度的增大，运渣车的等效均布活荷载逐渐减小；随着运渣车满载重量的增大，运渣车的等效均布活荷载逐渐增大。因假定车轮的荷载按照固定比例进行分配，等效均布活荷载随满载重量增大基本呈线性增大。

2.2双向板

双向板的计算方法与单向板相同，计算结果如表2和图7所示。

表2　双向板的运渣车等效均布活荷载　kN/m2

从表2和图7可以看出，双向板运渣车的等效均布活荷载规律与单向板相同，随跨度的增大而减小，随满载重量的增大基本呈线性增大。表1和表2进行比较可以发现，同样的计算跨度，3 m×9 m的单向板等效均布活荷载要小于3 m×3 m的双向板等效均布活荷载，是因为让运渣车轮压使长向长度更长的单向板内达到等效荷载对应的效应值的概率要小。

图7　双向板运渣车等效均布活荷载

3次梁计算

以满载重量为300 kN的运渣车为例，经过多种比较计算得到的运渣车最不利布置如图8所示。

8.1 m柱距1跨×5跨框架在单位荷载下的弯矩和剪力计算结果如图9所示，在最不利布置下的弯矩和剪力计算结果如图10所示。

根据公式(1)得到8.1 m柱距1跨×5跨框架次梁的不同满载重量运渣车等效均布荷载，如表3所示。

图8　8.1 m柱距1跨×5跨框架次梁计算时的最不利布置

(a) 弯矩图　　　　　　　　　(b) 剪力图图9　8.1 m柱距1跨×5跨框架梁在单位荷载下的内力图

kN/m2

4主梁计算

主梁的计算方法与次梁计算方法相同。

以满载重量为300 kN的运渣车为例，经过多种比较计算得到的运渣车最不利布置如图8所示。8.1 m柱距1跨×5跨框架主梁的不同满载重量运渣车等效均布荷载如表4所示。

(a) 弯矩图　　　　　　　　　(b) 剪力图图10　8.1 m柱距1跨×5跨框架梁在300 kN运渣车下的内力图

kN/m2

将8.1 m柱距1跨×5跨框架次梁和主梁的运渣车等效荷载绘制在同一表格中如图11所示。

图11　主梁与次梁运渣车等效均布荷载

从表3、表4和图11可以看出，8.1 m柱距1跨×5跨框架的次梁和框架梁的运渣车等效均布荷载随满载重量的增大基本呈线性增大，次梁的等效均布荷载大于主梁的等效均布荷载。

5动力系数K的取值

按GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[1]第5.6.2条“搬运和装卸重物以及车辆启动和刹车的动力系数，可采用1.1～1.3；其动力系数只传至楼板和梁”。对于运渣车而言，起动和刹车随时都可能存在，且用作施工通道的地下室顶板通常未进行覆土，因此运渣车等效均布荷载的动力系数K应根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[1]进行取值。冷轧带肋钢筋、冷拉钢筋等经冷加工的钢筋伸长率低、塑性变形能力差，延性不好，而运渣车的起动和刹车均产生的是动力作用，因此地下室顶板用作临时施工通道需要形式运渣车时，顶板钢筋不宜采用冷加工处理的钢筋。

6结论

(1)单向板和双向板随着运渣车满载重量的增大，运渣车等效均布荷载基本呈线性增大；随着板跨度的增大，运渣车等效均布荷载值逐渐减小；在相同跨度条件下，单向板的

等效均布荷载值较双向板的小。

(2)8.1 m柱距的1跨×5跨框架的次梁与主梁的运渣车等效荷载值随着满载重量的增大基本呈线性增大，次梁的等效均布荷载值要小于主梁的值。

(3)地下室顶板作为临时施工通道需要行走运渣车时，需要配合施工方案对地下室顶板构件进行验算复核；现场施工时也应根地下室顶板的设计荷载，选择合适重量的运渣车进行现场运输。

参考文献

[1]GB 50009-2012建筑结构荷载规范[S].

[2]陈基发,沙志国.建筑结构荷载设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2006.

[3]中国建筑标准设计研究院. 全国民用建筑工程设计技术措施(结构)[M].中国计划出版社,2012.

[4]CJJ 105-2005城市供热管网结构设计规范[S].

[5]范重,鞠红梅,彭中华.消防车等效均布活荷载取值研究[J].建筑结构,2011,41(3):1-6,10-10.

[6]邹海莉,郑妮娜,陈昌松.地下室顶板上消防车活荷载合理取值的探讨[J].四川建筑,2006,26(1):105-106.