重型货车等效均布荷载的取值换算

2018-05-09陈德银

四川建筑 2018年2期

陈德银

(四川省建筑设计研究院，四川成都 610000)

物联网世纪产业园(中益吉城)三期工程位于成都青白江物流园区，建筑功能为五金机电城，由30栋多层建筑和地下室组成。地下室平面形状为梯形，上下边分别约为80 m和240 m，高约为400 m，柱网尺寸大部分为8.1 m×8.1 m，梁系采用2.7 m间距的井字梁，框架梁为300 mm×800 mm，框架柱为600 mm×600 mm，标准柱跨布置如图1所示。

图1 标准柱跨井字梁布置(单位:mm)

地下室顶板覆土1.2 m，需要考虑地下室顶板承受重型货车的要求。现行GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》(简称《荷载规范》)给出了汽车通道及客车停车库的楼面均布活荷载标准值，并未给出重型货车的荷载取值。

本文根据《荷载规范》附录C“楼面等效均布活荷载的确定方法”，对重型货车等效荷载进行换算。《荷载规范》中规定了“楼面的等效均布活荷载，应在其设计控制部位上，根据需要按内力、变形及裂缝的等值要求来确定。在一般情况下，可仅按内力的等值来确定”，同时也规定了“连续梁、板的等效均布活荷载，可按单跨简支计算”。结合工程项目的特点和规范的要求，楼板以四边固接边界下的跨中弯矩等值确定等效荷载，框架梁分别考虑弯矩和剪力内力等值按单跨简支梁换算等效荷载，而框架柱通过车型荷载满布按轴力等值计算等效荷载。

1 重型货车

1.1 重型货车车型

货车可分为重型、中型、轻型、微型四种，当车长大于等于6 m，总质量大于等于12 t的载货汽车为重型载货汽车[1]。实际上受具体车型、车厂的规定影响，目前市场上重型物流车辆重量和规格相当繁杂，这使得将重型货车作为确定的荷载考虑具有很大的随意和复杂性。通过不同资料[2-4]及实际情况来看，汽车-20级、公路-Ⅰ、Ⅱ级和城市-A级的车辆各具特点，荷载层次分明，且来自不同部门所定标准，具有一定的广泛适用性，故以这三类车型作为重型货车的代表，具体车型规格如图2～图4所示，车辆荷载如表1所示。

图2 汽车-20级车辆规格(单位:mm)

图4 城市-A级车辆规格(单位:mm)

1.2 轮压扩散

地下室顶板的覆土对车辆轮压具有扩散效果，轮压以一定的应力扩散角传至地下室顶板上。参照CJJ 105-2005《城市供热管网结构设计规范》的规定，应力扩散角为35°，重型货车轮压经覆土扩散后如图5所示，单轮最大轮压扩散至地下室顶板压应力如表2所示，P取为单轮最大轮压。

图5 轮压在覆土中扩散(单位:mm)

单轮最大轮压P/kN汽车-20级公路-Ⅰ、Ⅱ级城市-A级6070100(70)地下室顶板压应力/(kN·m-2)14.016.322.7(15.9)

注：()内为城市-A级中轴轮压和对应的压应力。

从表2可以看出，由于城市-A级车辆单轮最大轮压最大，其扩散至地下室顶板压应力最大。实际上多个轮压经过一定覆土厚度扩散后，在地下室顶板上将出现轮压应力重叠。限于篇幅所限，轮压相互之间的应力重叠以公路-Ⅰ、Ⅱ级车辆为例(图6)，其中前、中和后轴在同一轴上的轮压已发生应力重叠，重叠处为2倍轮压；中、后轴4个轮子的中间部位重叠最多，最多重叠处为4倍轮压，相邻轴前后的中间部位重叠为2倍轮压。其他车型重叠情况类似。

(a)前、中和后轴轮压扩散

(b)前轴两轮压和中后轴四轮压扩散图6 公路-Ⅰ、Ⅱ级轮压扩散和应力重叠(单位:mm)

2 等效均布荷载

2.1 楼板等效荷载

在汽车-20级、公路-Ⅰ、Ⅱ级和城市-A级的车辆荷载中，中、后轴重量占据整车重量的80 %以上，而且对于常规地下室楼板而言，通常中、后轴作用于板跨内，前轴车轮已在板跨外，因此只考虑中、后轴轮压荷载。地下室楼板内力中，一般剪力不作为控制内力，以弯矩作为计算等效荷载的等值内力。受重型货车台数、车辆规格、轮压大小、楼板跨度、边界条件等因素影响，确定楼板绝对最大弯矩对应的轮压布置将是一个复杂的过程[5]。考虑2台货车并行情况下，进入楼板内货车轮压中心与楼板中心重合，轮压扩散至楼板内面积与轮压扩散面积的比值通常是最大的，将这种方式的布置视为最不利布置。三种车型轮压布置如图7所示。《荷载规范》和相关文献[5]，计算消防车楼板等效荷载往往采用楼板四边简支，而实际多存在多跨连续板，四边固接情况。为便于与实际工程相符，文中以四边固接边界下的跨中弯矩等值来确定等效荷载。

(a)汽车-20级(公路-Ⅰ、Ⅱ级)和城市-A级中轴

(b)城市-A级最重轴图7 轮压布置(单位:mm)

采用通用有限元软件SAP2000 V14，双向板采用薄壳单元模拟，单元网格尺寸为0.1 m×0.1 m，薄壳单元基于Kirchhoff理论，忽略了壳中横向剪应力对变形的影响[6]。地下室顶板厚160 mm，混凝土强度等级为C30，泊松比0.2，计算中不计入板自重。由软件得到不利布置下的楼板弯矩，然后通过单位面荷载下楼板弯矩可换算出等效荷载(表3)。

表3 不同车型的楼板等效荷载 kN/m2

从表3可以看出，不同规格重型货车，城市-A级楼面等效荷载最大。这是由于城市-A级中轴单轮轮压与最大值接近，且轮压扩散面积是三种车型中最大的。

2.2 框架梁等效荷载

根据《荷载规范》，框架梁等效荷载计算采用单跨简支梁考虑，等值内力效应考虑弯矩和剪力。在重型货车轮压作用下，框架梁内力问题实际上是寻求多个移动集中力下最不利荷载布置[7]。严格来说，轮压为一局部均布荷载，并非集中力，采用集中力影响线得到布置并非严格的最不利布置，结合均布荷载不利布置特点，采用局部均布荷载修正集中力下的不利布置，为研究方便，将修正后布置视作最不利布置。

受车型、等值内力效应不同的影响，可能的最不利布设方案存在多种选择，进行多方案比较后得到在考虑仅有2台车并行情况下，相邻的总重最大三轴且轮压扩散后布置于框架梁内，使得三轴重心最接近梁中心可使框架梁内弯矩达最大值，而相邻的总重最大两轴且轮压扩散后布置于框架梁支座最近处，框架梁支座剪力将出现最大值。框架梁弯矩和剪力出现最大值的轮压最不利布置如图8、图9。

图8 弯矩最大值的轮压最不利布置

图9 剪力最大值的轮压最不利布置

以SAP2000 V14进行有限元分析，为适应软件集中加载要求，楼板单元划分尺寸为1.35 m×1.35 m。按上述最不利布置，得到框架梁最大弯矩和支座最大剪力，分别进行等效荷载计算，从计算结果中取大者。框架梁不同内力效应的等效荷载值如下表4，不同等效荷载之间关系如下表5。

一般情况下，在轮压移动荷载作用下，按框架梁支座剪力换算的等效荷载大于按跨中弯矩换算，这一点从表4亦可看出。本文重型货车，剪力换算高出0.7 %～18 %，城市-A级车型最大。通过表5，从楼板和框架梁等效荷载之间的关系来看，重型货车框架梁折减系数在0.30～0.31，城市-A级折减系数值最大；不同车型，折减系数差异很小。

表4 框架梁等效荷载值 kN/m2

表5 不同等效荷载之间关系

2.3 框架柱等效荷载

框架柱以轴力等值方式计算等效荷载，在框架结构体系中，不论重型货车如何布置，荷载的最终传递路径都是楼板-次梁-主梁-柱，最终由柱承担。因此框架柱的最大轴力问题可转化为重型货车满布布置。影响重型货车满布布置的因素有货车规格、车台数等。以2×2柱跨考虑重型货车满布情况，具体布置如图10～图12，其中三种车型均有5排并列重型货车可进入2×2柱跨；汽车-20级和公路-Ⅰ、Ⅱ级尚受第6排车通过覆土扩散进的轮压影响；汽车-20级车长最短，故沿车长向，有2列车可进入柱跨；而城市-A级车长18 m，中、后轴进入后，前轴已在柱跨外。