高吨位登高消防车等效荷载取值研究

郭志文

(湖南省建筑设计院集团股份有限公司,湖南 长沙 410012)

0 引言

随着高层建筑数量的快速增加,登高消防车成为了应对高层建筑火灾的重要手段之一[1]。随着技术的发展,登高消防车所能达到的高度也在不断增大,目前大多城市都配置了由芬兰某公司生产的登高更高吨位更重的消防车[2]。以江西某地消防支队购入的F90HLA登高消防车[3]为例,满载约49 t,有效登高度为90 m。

供大型消防车通行和停靠作业的消防车道其等效均布活荷载取值应依据当地公安机关消防机构最大现已装备的消防车辆满载总重,将其车轮的移动集中荷载按结构效应等效原则换算为等效均布荷载。《工程结构通用规范》[4](简称《通规》)表4.2.3中以及《建筑结构荷载规范》[5](简称《荷规》)第5.1.1节中仅对满载总重为300 kN(30 t)消防车的楼面等效均布荷载做出规定,对不符合要求的其他类型消防车作用下的等效均布荷载尚缺乏权威资料,设计人员因此也无规可循。本文以90 m登高消防车(49 t)作用于特定尺寸范围内楼板的计算以及相关因素拓展分析,为工程设计人员提供设计方法及取值参考。

1 登高消防车技术参数

通过查阅文献[6]以及根据江西某地消防支队提供的相关消防车辆技术参数(90 m登高消防车型号F90HLA,满载约49 t)绘制示意图详见图1。图1中荷载为单侧轮压或支腿压力,支腿与轮胎不同时作用。车辆前轴重9 000 kg;中轴重9 000 kg;后轴第一轴重11 000 kg、第二轴重11 000 kg、第三轴重9 500 kg,共计2个前轮、8个后轮。车长15 645 mm,车宽2 795 mm,满载总质量48 634 kg。车辆工作状态时四个支腿所承受最大重量,每个支腿承受最大载重25.5 t。每个支腿通过木质垫板与地面接触,受荷面积取1.0 m×1.0 m。四个支腿相对轮轴的平面尺寸:纵向6 900 mm,横向7 000 mm。

2 计算条件及原则

采用ANSYS有限元软件[7]分别建立了不同板跨下各荷载工况下的计算模型[8],模型所采用单元类型[9]及材料参数见表1。

表1 有限元模型的单元类型及材料参数

按常见板跨列表项,计算2 m单向板、3 m×3 m双向板、6 m×6 m双向板共三种情况。板支承形式均采用简支,板厚按180 mm计算,板上部建筑垫层按100 mm考虑,考虑覆土影响。车辆启动和刹止时的荷载动力系数μd可参照《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》[10]中表4.2.5以及《公路桥涵设计通用规范》[11]4.3.2条第6款规定取值。无覆土工况在计算轮压时取动力系数1.30,覆土厚度为0.5 m工况时取动力系数1.14,覆土厚度大于0.7 m工况时取动力系数1.0,按跨中最大弯矩相等的原则计算等效均布活荷载[12]。单向板局部荷载的等效均布活荷载根据《荷规》附录C0.4和C0.5计算求得;双向板局部荷载的等效均布活荷载根据《荷规》附录C.0.6及《建筑结构静力计算使用手册》[13]的方法,按弹性薄板小挠度理论[14]计算四边简支双向楼板两个方向的跨内弯矩时,可按式(1),式(2)求得:

(1)

(2)

其中,Mx,My均为v=0时的跨中弯矩。

均布荷载作用下的正方形楼板跨中弯矩Mx=My,故式(1),式(2)可以转换成式(3),式(4):

(3)

(4)

按查表法计算:Mx,y=弯矩系数C×ql2。

C=Mx,y/(qel2)

(5)

qe=Mmax/[(1+v)(Cl2)]

(6)

其中,v为泊松比,对钢筋混凝土板可取1/6;l为楼板跨度;C为弯矩系数,查表法[15]得,对于正方形板跨Cx=Cy=0.036 8。代入式(6)得出简化式子:qe=Mmax/(0.042 9l2)。

3 覆土影响

消防车轮压及支腿作用于楼板时,作用面会通过覆土、垫层以及楼板进行扩散。当有覆土时,楼板上的作用面会由于土的扩散作用[16]而放大,导致压强变小。随着覆土厚度的增加,扩散后的作用面增大。各轮压作用面随着覆土深度增加会出现重叠[17],详见图2。轮压计算面按45°扩散至楼板底[18]。经覆土及楼板扩散后的轮压作用面宽度bsx和长度bsy按式(7),式(8)计算:

bsx=btx+2(stanθ+h+b/2)

(7)

bsy=bty+2(stanθ+h+b/2)

(8)

其中,btx,bty分别为无覆土时的轮压作用面宽度和长度;s为实际覆土厚度;b为实际楼板厚度;h为建筑垫层厚度;θ为土的扩散角,一般取35°。

轮压作用面扩散后的压强按式(9)计算:

P=μd·F/(bsx·bsy)

(9)

其中,μd为动力系数;F为轮压。

4 轮压布置及计算简图

查阅相关文献[19-20],结合工程实际,选取如下不同板跨下的荷载作用工况。

1)2 m跨度单向板消防车道及登高场地下的最不利轮压布置如图3所示,分别取车辆第5轴轮压;第3轴,4轴轮压短边平行受力方向;第3(4)轴轮压全部作用;第3轴—第5轴轮压单边共同作用;登高场地支腿轮压作用于板跨中5种工况。

2)3 m×3 m跨度双向板消防车道及登高场地下的最不利轮压布置如图4,图5所示,分别取车辆第3轴,4轴双边轮压;第4轴,5轴双边轮压;第3(4)轴单边轮压;第3轴,4轴单边轮压共同作用;第4轴,5轴单边轮压共同作用;登高场地支腿轮压作用于板跨中6种工况。

3)6 m×6 m跨度双向板消防车道及登高场地下的最不利轮压布置如图6所示,分别取第3轴、4轴、5轴双边轮压共同作用以及登高场地支腿轮压作用于板跨中2种工况。

根据式(7),式(8)及式(9)计算不同覆土厚度下的轮压作用面扩散后的尺寸及压强,结果详如表2所示。

表2 不同覆土厚度下的单轮压作用面扩散尺寸及压强

5 等效均布荷载取值算例及结果分析

由于各工况下的计算模型差异不大,仅是荷载和尺寸的区别,建模手段一致,故以6 m×6 m跨度双向板取第3轴,4轴,5轴双边轮压共同作用工况(工况1)为例,建立ANSYS计算模型及计算结果如图7所示。

按上述轮压布置及计算简图计算登高消防车作用在三种板跨及四种覆土厚度工况下板底最大弯矩如表3所示。

表3 不同覆土厚度及板跨下的最大弯矩计算结果

根据《荷规》附录C.0.4及C.0.5计算单向板上的等效均布活荷载以及上述式(6)换算成等效均布活荷载如表4所示。

表4 不同覆土厚度及板跨下的等效均布荷载计算结果

由上述计算结果可知,相同板跨,随着覆土厚度的增加,消防车等效均布荷载逐渐减少,且减少的幅度随覆土厚度增加而减小。不同板跨之间,跨度越小,等效均布荷载随着覆土厚度增大而降低的幅度越大,即覆土厚度的影响对小跨度板更加显著。

根据表4数据汇总得出等效均布活荷载取值建议如表5所示,记录不同板跨下,按消防车道及登高场地两种场地工况分别统计等效荷载最大值。由表5可知,49 t级消防车在消防车道上的等效均布活荷载与现行《荷规》及《通规》中规定的30 t级消防车取值相差不大,可相互参考取值,表中计算值小于规范值时均取规范值。但应注意登高场地上的等效均布活荷载,其值远超于规范值,应结合实际情况考虑。

6 结论

1)49 t级登高消防车作用于消防车道上楼板的等效均布荷载与现行《工程结构通用规范》规定的30 t级消防车情况相差不大,在板跨较大且覆土较小时略会高于规范值。2)等效均布活荷载输入时,应区分消防车道和登高场地,当板跨较大且覆土厚度较小时,应当重点复核消防登高场地的等效均布活荷载值。3)本文所取计算板跨最大为6 m,计算时未考虑多台消防车的组合作用以及登高场地的荷载偏心;当板跨大于6 m时,应结合实际情况考虑多台消防车组合作用;偏心作用可通过计算值乘以偏心放大系数考虑。4)本文可为同类型消防车荷载的等效均布活荷载提供取值建议。也可根据项目实际情况在本文结论基础上进行调整。