浅谈地下室结构顶板的效活荷载计算:地下室顶板荷载

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  摘要:本主主要对消防车荷载、 城-A级汽车荷载进行论述。   关键词:地下结构;汽车荷载;影响线;等效荷载   中图分类号:F407.471文献标识码:A 文章编号:   1 消防车荷载    对于普通建筑地下室,顶板一般需要考虑的较大活荷载是消防车道区域的消防车荷载。《建筑结构荷载规范》[1](以下简称《荷载规范》)中规定了消防车活荷载标准值:双向板(板跨不小于6m×6m)采用20kN/m2,单向板(板跨不小于2m)采用35kN/m2,对于常见的板顶覆土的情况,规范未做出明确规定。结构工程师在实际设计中多在10~35kN/m2之间取值,具有一定的主观随意性,往往导致构件设计过于保守或者偏于不安全。   1.1 计算依据及基本参数取值    根据《荷载规范》附录B,本文按内力的等值来计算等效荷载。据《荷载规范》4.1.1条,消防车总重取300kN;参照《公路桥涵设计通用规范》[2](以下简称《公路规范》)4.3.4条,覆土压力扩散角取30度;据《全国民用建筑工程设计技术措施-结构》[3](以下简称《技术措施》)确定消防车平面尺寸及横向布置,车前轴重60kN,单个后轴重120kN,考虑双车并列时车辆横向净距0.6m。荷载的有效分布宽度按《荷载规范》附录B计算。       图1 300kN消防车平面尺寸(单位:mm)    需要指出的是,由于《公路规范》及《技术措施》车辆尺寸图中车轮着地尺寸未按实际尺寸表示且未标注具体尺寸,仅以文字说明尺寸数据,导致目前较多设计人员在计算汽车等效荷载考虑轮压布置时,均错误地将车轮着地宽度及长度调转了,这样会导致计算荷载扩散区域出现一部分偏差。关于车轮着地尺寸,可以参考《城市桥梁设计规范》[4](以下简称《城市桥规》)。   1.2 荷载作用范围    轮压荷载自轮压边缘向下扩散,扩散后平面尺寸按bcx=btx +2(s×tanθ+h/2);bcy =bty +2(s×tanθ+h/2)计算,式中:bcx、bcy为荷载作用面在两个方向的计算宽度;btx、bty为轮压着地宽度和长度;s为覆土厚度;h为板厚;θ为扩散角。    取板厚为0.2m估算可得,当覆土厚度为0.865m时,后四轮轮压的扩散范围已相连,此时,考虑四轮扩散轮压共同作用在板上时为控制工况;当覆土厚度>0.865m时,轮压扩散范围相互重叠,需按扩散后的总面积进行计算;从实际情况出发,消防车道>5m时,笔者认为应考虑两辆车同时作用的不利情况。   1.3 计算结果    计算时区分车纵向垂直板跨方向及平行板跨方向。经试算,对于跨度2m的单向板,覆土厚度≤0.27m时,车纵向垂直板跨方向起控制作用;覆土厚度增大,车纵向平行板跨方向起控制作用;随着板跨增大,此临界覆土厚度增大。   表1 跨度2m的单向板上后轮等效活荷载          需要指出的是,《荷载规范》规定在设计梁、墙、柱及基础时应对消防车活载进行较大程度的折减,笔者认为其折减系数仅适用无覆土楼盖;对于有覆土的情况,由于车活载已经被覆土扩散均布化,设计梁等构件时应适当减弱折减幅度,文献[5]对此进行了部分研究。   2. 城-A级汽车荷载    对于地面上为市政道路的地下结构,按照《城市桥规》[4],道路属于城市主干路或者重型车辆行驶频繁的快速路和次干路的,应取城-A级汽车荷载进行设计,包含车道荷载和车辆荷载,车道荷载为均布荷载qk=10.5kN/m附加1个移动集中荷载Pk=180~360kN(按跨度5m~50m内插取值);车辆荷载取700kN重车,布置如图2;车道荷载和车辆荷载不同时作用。本文以某三跨单向板结构为例,求解顶板等效活荷载。       图2 城-A级车辆荷载布置图(单位:mm)   2.1 计算参数    结构上覆土1.5m,边跨跨度7.5m,中跨6m,顶板厚700mm,侧壁厚700mm,按纵向单位延米长度简化为单层平面框架进行计算,中柱按轴向刚度等效为110mm厚,侧壁及中柱底端设固结支座,车行方向平行板跨方向。    轮压扩散的参数及计算方法同前述,考虑多车道车辆并行的不利情况,按车辆净距0.6m,单辆车轮压横向扩散总宽度取为3.1m,计得扩散后各车轴处均摊面荷;车道集中荷载Pk取190kN,按单轴轮压扩散。    各活载均为移动荷载,需根据影响线确定荷载布置,对于多次超静定结构,在没有特定计算软件的情况下,绘制确定数值的影响线较为繁琐,笔者采用挠度法仅绘制影响线的大概形状,在此基础上进行荷载布置,然后通过常规计算软件试算比较得到等效荷载值。挠度法亦称机动法,是根据虚外功互等定理的的推理:位移互等定理、反力位移互等定理,使在所求约束力方向给出一个强迫位移时,承载杆所发生的挠曲线成为该约束力的影响线。   2.2 计算结果    按照影响线的形状对荷载进行不利布置,计算结果详表3。   表3 各类活载工况内力包络值(kN/m或kN)          由计算结果可知,取20kN/m2的满布活载不能包络住各种不利情况;考虑不利布置后基本能包络住车辆荷载各工况下的内力值,不满足车道荷载工况;本工程取值25kN/m2同时考虑不利布置能满足设计要求。   3. 结语    消防车活载的取值与结构类型及尺寸关系密切,从经济合理的角度出发,建议选取典型结构布置区域进行等效荷载试算并参考相关文献确定取值;对于小跨度板,宜按照局部轮压扩散重叠的较不利情况进行承载力设计;梁柱活载折减不可盲目按照无覆土楼面的系数取值。    顶板上覆土较薄时取20kN/m2的满布活载不能包络住城-A级汽车荷载的设计要求,应根据工程实际情况做出调整。   参考文献    [1] GB5009-2001.建筑结构荷载规范(2006年版)[S].北京:中国建筑工业出版社,2006.    [2] JTG D60-2004.公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004.    [3] 中国建筑标准设计研究所编著.全国民用建筑工程设计技术措施-结构[M].北京:中国计划出版社,2003.14-16.    [4] CJJ 11-2011.城市桥梁设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.    [5] 殷宝才,魏大平.地下室顶板考虑覆土影响后的消防荷载取值[J].江苏建筑,2010,2(2):88-90.    注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。