大型车辆荷载在水利水电工程中的分析与应用

韩少玄

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

随着经济的发展、社会的进步，越来越多的水利水电工程正在规划与建设，而在工程建设中往往因为施工、管理、用地受限等方面的考虑，需与城市公路联合布置[1- 2]。城市道路上车辆众多，车辆荷载作为一种移动循环荷载[3]，具有轮压荷载数值大、作用位置不确定及一般作用时间较短等特点，一直是困扰结构设计的关键问题，也是结构设计中首先遇到且必须要解决的问题[4]。

汽车荷载作为交通结构的重要荷载之一，由于没有明确的规范规定，其取值的精确性在结构工程中，往往容易被忽略[5]。现行SL 744—2016《水工建筑物荷载设计规范》[6]中没有明确汽车荷载的取值，实际设计时通常依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[7]，如杨军等[8]确定与复核了水电站安装场楼面的活荷载；或者依据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》[9]，如陈宜健[10]对箱涵设计中的车辆荷载进行了计算分析。

GB 50009—2012对300kN级消防车的双向板的活荷载做了规定：板跨不小于3m×3m时，活荷载标准值应不小于35kN/m2，板跨不小于6m×6m，活荷载标准值应不小于20kN/m2。对于超过300kN的车辆或者板跨不满足规范要求的双向板，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。通过分析将实际受荷情况转化为等效均布荷载进行构件验算，可以保证工程安全[11- 12]。JTG D60—2015将车辆荷载分为了车道荷载和集中荷载作用，受力相对比较明确，但需借助结构分析软件进行计算。

基于以上问题，本文结合工程实例利用有限元分析软件SAP2000对两种规范中汽车荷载的取值方法进行对比分析研究，指导在工程设计中能够合理采用荷载值，以满足工程设计需要。

1 概况

八里湖赛城湖控制枢纽工程拦污栅闸上部结构柱网尺寸为3.85m×4.3m，柱截面尺寸为600mm×600mm，框架梁截面尺寸为400mm×800mm，次梁尺寸为300mm×700mm，结构平面布置如图1所示。

图1 结构平面布置图(单位：mm)

运输车辆按公路-1级汽车荷载考虑[9]，轴长12.8m，宽2.5m，轮距1.8m，满载总重550kN，最大前轮压15kN，最大后轮压70kN，前轮作用面积为0.2m×0.3m，后轮作用面积为0.2m×0.6m。运输车辆参数如图2所示。

图2运输车辆参数(单位：mm)

2 规范中对车辆荷载取值的规定

2.1 GB 50009—2012

(1)双向板

双向板的等效均布活荷载，按四边简支板的绝对最大弯矩等值来确定。虽然规范明确规定了等效均布荷载的计算原则和方法，但是由于车辆轮压位置的不确定，实际计算比较复杂，难以掌握。结合国内许多专家、学者进行的相关研究[13- 16]，确定双向板等效均布活荷载计算方法：首先在跨度为l的板面上施加1kN/m2的均布面荷载，得到板中最大弯矩Mmax0；然后对机动车辆不利位置组合下的内力进行计算，得到板中最大弯矩Mmax；由此可以得到双向板的车辆等效均布活荷载qe见公式(1):

(1)

式中，qe—等效均布活荷载，kN/m2;Mmax,Mmax0—板中最大弯距，kN·m。

(2)次梁

次梁的等效均布活荷载，可按单跨简支计算，取按弯矩和剪力等效的均布活荷载中的较大者，按弯矩和剪力等效的均布活荷载公式计算分别见公式(2)、公式(3)：

(2)

(3)

式中，S—次梁间距，m；l—次梁跨度，m；Mmax—简支次梁的绝对最大弯矩，kN·m；按设备的最不利布置确定；Vmax—简支次梁的绝对最大剪力，kN；按设备的最不利布置确定。

(3)框架梁

当荷载分布比较均匀时，主梁上的等效均布活荷载可由全部荷载总和除以全部受荷面积求得。

2.2 JTG D60- 2015

(1)汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。整体计算采用车道荷载；局部加载等的计算采用车辆荷载。

(2)公路-1级车道荷载均布荷载标准值为qk=10.5kN/m；集中荷载计算跨径≤5m，取270kN。

(3)车道荷载的均布荷载标准值满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个影响线峰值处。

3 按等效均布活荷载计算

3.1 双向板

车辆在板面上行驶，考虑启动和刹车且顶板上无覆土，车辆动力系数取为1.3，则最大轮压为1.3×70kN=91kN，板面局部活荷载为758.3kN/m2。计算模型为四边简支板，跨度大小为4.10m×3.70m，采用有限元软件SAP2000中的壳单元模拟双向板。根据车辆参数尺寸及板跨度，最不利位置是车辆后轴的最大轮压按局部荷载作用在板内，布置方式如图3所示。

图3 机动车不利位置示意图(单位：mm)

按以上两种局部荷载作用在板内的情况分别计算出板跨中最大弯矩，计算结果见表1。

表1 双向板等效均布活荷载计算

从表1可以看出，板面的等效均布活荷载标准值为42.82kN/m2，是规范给出300kN级消防车双向板均布活荷载值的1.22倍。根据GB 50009—2012，300kN级消防车最大轮压为60kN，与本工程选用的车辆最大轮压相差1.16倍。在允许误差范围内，双向板的等效均布活荷载可以按规范取值后乘以最大轮压比值的放大系数，能够满足工程计算精度。

3.2 次梁

次梁按简支梁进行计算，跨度为4.1m，最不利位置为后轮直接作用于次梁上，采用有限元软件SAP2000中的框架单元建立简支梁进行计算，集中荷载为1.3×70=91kN，等效均布荷载计算结果见表2。

表2 次梁等效均布活荷载计算

从表2可以看出，次梁的等效均布活荷载标准值取为13.50kN/m2，其值显著小于板面的等效均布活荷载值。因此，在进行次梁设计时，可以采用与板不同的等效均布活荷载值。

3.3 框架梁

当车辆行驶时，最大荷载为中轴和后轴重力全部落于结构内，则框架梁柱的等效均布活荷载为16.62kN/m2。

计算结果表明框架梁的等效均布活荷载与次梁的等效均布荷载值相差不大，在设计次梁和框架梁时，可以统一采用16.62kN/m2荷载标准值进行计算。

4 按车道荷载计算

在SAP2000中建立整体模型，采用壳单元模拟板，框架单元模拟框架梁和柱，柱底与混凝土基础固结。框架宽4.30m，根据JTG D60—2015，车道荷载为1个。考虑最不利位置布置车道荷载10.5kN/m2，集中荷载270kN只作用于相应影响线中一个影响线峰值处，整体模型及荷载作用位置，如图4所示。同时，利用已建立的整体模型施加等效荷载42.82kN/m2和等效荷载16.62kN/m2，提取板、次梁和框架梁等内力结果汇总见表3。

图4 整体模型及荷载作用位置

从表3可以看出，与车道荷载相比，采用板等效均布活荷载进行计算板的内力，水平向弯矩和竖直向弯矩分别减少了8.86%、5.89%，相差较小；次梁的内力显著减少；框架梁的内力显著增大。

5 结语

(1)水利水电工程结构设计中，对大型车辆荷载的取值，采用有限元软件分析时建议采用车道荷载进行计算，能够准确模拟实际受力，保障结构安全。

(2)采用等效均布活荷载进行结构设计分析时，楼板面采用等效均布活荷载进行内力分析是合理可行的；

(3)双向板的等效均布活荷载可以按规范取值然后乘以最大轮压比值的放大系数快速取值，能够满足工程计算精度。

(4)楼面梁采用梁等效均布活荷载时，差异较大，建议结构分析时采用板等效均布活荷载按规范进行折减后进行计算。

(5)双向板等效均布活荷载的取值与板跨度、车辆作用方向、板长宽比以及覆土厚度等因素有关，因此，计算时应综合考虑结合工程实际情况，按照荷载最不利布置原则确定车辆位置。