淺談地下室結(jié)構(gòu)頂板的效活荷載計算

【摘 要】本主主要對消防車荷載、 城-A級汽車荷載進(jìn)行論述。

【關(guān)鍵詞】地下結(jié)構(gòu)；汽車荷載；影響線；等效荷載

1、消防車荷載

對于普通建筑地下室，頂板一般需要考慮的較大活荷載是消防車道區(qū)域的消防車荷載。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]（以下簡稱《荷載規(guī)范》）中規(guī)定了消防車活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：雙向板（板跨不小于6m×6m）采用20kN/m2，單向板（板跨不小于2m）采用35kN/m2，對于常見的板頂覆土的情況，規(guī)范未做出明確規(guī)定。結(jié)構(gòu)工程師在實際設(shè)計中多在10～35kN/m2之間取值，具有一定的主觀隨意性，往往導(dǎo)致構(gòu)件設(shè)計過于保守或者偏于不安全。

1.1 計算依據(jù)及基本參數(shù)取值

根據(jù)《荷載規(guī)范》附錄B，本文按內(nèi)力的等值來計算等效荷載。據(jù)《荷載規(guī)范》4.1.1條，消防車總重取300kN；參照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[2]（以下簡稱《公路規(guī)范》）4.3.4條，覆土壓力擴散角取30度；據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施-結(jié)構(gòu)》[3]（以下簡稱《技術(shù)措施》）確定消防車平面尺寸及橫向布置，車前軸重60kN，單個后軸重120kN，考慮雙車并列時車輛橫向凈距0.6m。荷載的有效分布寬度按《荷載規(guī)范》附錄B計算。

圖1 300kN消防車平面尺寸（單位：mm）

需要指出的是，由于《公路規(guī)范》及《技術(shù)措施》車輛尺寸圖中車輪著地尺寸未按實際尺寸表示且未標(biāo)注具體尺寸，僅以文字說明尺寸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致目前較多設(shè)計人員在計算汽車等效荷載考慮輪壓布置時，均錯誤地將車輪著地寬度及長度調(diào)轉(zhuǎn)了，這樣會導(dǎo)致計算荷載擴散區(qū)域出現(xiàn)一部分偏差。關(guān)于車輪著地尺寸，可以參考《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》[4]（以下簡稱《城市橋規(guī)》）。

1.2 荷載作用范圍

輪壓荷載自輪壓邊緣向下擴散，擴散后平面尺寸按bcx=btx +2（s×tanθ+h/2）；bcy =bty +2（s×tanθ+h/2）計算，式中：bcx、bcy為荷載作用面在兩個方向的計算寬度；btx、bty為輪壓著地寬度和長度；s為覆土厚度；h為板厚；θ為擴散角。

取板厚為0.2m估算可得，當(dāng)覆土厚度為0.865m時，后四輪輪壓的擴散范圍已相連，此時，考慮四輪擴散輪壓共同作用在板上時為控制工況；當(dāng)覆土厚度>0.865m時，輪壓擴散范圍相互重疊，需按擴散后的總面積進(jìn)行計算；從實際情況出發(fā)，消防車道>5m時，筆者認(rèn)為應(yīng)考慮兩輛車同時作用的不利情況。

1.3 計算結(jié)果

計算時區(qū)分車縱向垂直板跨方向及平行板跨方向。經(jīng)試算，對于跨度2m的單向板，覆土厚度≤0.27m時，車縱向垂直板跨方向起控制作用；覆土厚度增大，車縱向平行板跨方向起控制作用；隨著板跨增大，此臨界覆土厚度增大。

關(guān)于不同跨度不同覆土厚度的消防車等效活荷載，有較多文獻(xiàn)進(jìn)行了計算比較，可供設(shè)計人員參考，值得指出的是，對于跨度小于4m的板，筆者認(rèn)為在承載力計算時應(yīng)該按照局部輪壓擴散重疊的較不利情況進(jìn)行設(shè)計，正常使用狀態(tài)時可按全部擴散范圍進(jìn)行設(shè)計。

表2 覆土1.5m輪壓擴散后均攤活荷載

后輪壓擴散尺寸（m）單輛車4.33×3.53m2輛車7.43×3.53m兩車中部3.83×3.53m

q（kN/m2）15.6918.2922.86

需要指出的是，《荷載規(guī)范》規(guī)定在設(shè)計梁、墻、柱及基礎(chǔ)時應(yīng)對消防車活載進(jìn)行較大程度的折減，筆者認(rèn)為其折減系數(shù)僅適用無覆土樓蓋；對于有覆土的情況，由于車活載已經(jīng)被覆土擴散均布化，設(shè)計梁等構(gòu)件時應(yīng)適當(dāng)減弱折減幅度，文獻(xiàn)[5]對此進(jìn)行了部分研究。

2、城-A級汽車荷載

對于地面上為市政道路的地下結(jié)構(gòu)，按照《城市橋規(guī)》[4]，道路屬于城市主干路或者重型車輛行駛頻繁的快速路和次干路的，應(yīng)取城-A級汽車荷載進(jìn)行設(shè)計，包含車道荷載和車輛荷載，車道荷載為均布荷載qk=10.5kN/m附加1個移動集中荷載Pk=180～360kN（按跨度5m～50m內(nèi)插取值）；車輛荷載取700kN重車，布置如圖2；車道荷載和車輛荷載不同時作用。本文以某三跨單向板結(jié)構(gòu)為例，求解頂板等效活荷載。

2.1 計算參數(shù)

結(jié)構(gòu)上覆土1.5m，邊跨跨度7.5m，中跨6m，頂板厚700mm，側(cè)壁厚700mm，按縱向單位延米長度簡化為單層平面框架進(jìn)行計算，中柱按軸向剛度等效為110mm厚，側(cè)壁及中柱底端設(shè)固結(jié)支座，車行方向平行板跨方向。

輪壓擴散的參數(shù)及計算方法同前述，考慮多車道車輛并行的不利情況，按車輛凈距0.6m，單輛車輪壓橫向擴散總寬度取為3.1m，計得擴散后各車軸處均攤面荷；車道集中荷載Pk取190kN，按單軸輪壓擴散。

各活載均為移動荷載，需根據(jù)影響線確定荷載布置，對于多次超靜定結(jié)構(gòu)，在沒有特定計算軟件的情況下，繪制確定數(shù)值的影響線較為繁瑣，筆者采用撓度法僅繪制影響線的大概形狀，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行荷載布置，然后通過常規(guī)計算軟件試算比較得到等效荷載值。撓度法亦稱機動法，是根據(jù)虛外功互等定理的推理：位移互等定理、反力位移互等定理，使在所求約束力方向給出一個強迫位移時，承載桿所發(fā)生的撓曲線成為該約束力的影響線。

2.2 計算結(jié)果

按照影響線的形狀對荷載進(jìn)行不利布置，計算結(jié)果詳表3。

由計算結(jié)果可知，取20kN/m2的滿布活載不能包絡(luò)住各種不利情況；考慮不利布置后基本能包絡(luò)住車輛荷載各工況下的內(nèi)力值，不滿足車道荷載工況；本工程取值25kN/m2同時考慮不利布置能滿足設(shè)計要求。

3、結(jié)語

消防車活載的取值與結(jié)構(gòu)類型及尺寸關(guān)系密切，從經(jīng)濟合理的角度出發(fā)，建議選取典型結(jié)構(gòu)布置區(qū)域進(jìn)行等效荷載試算并參考相關(guān)文獻(xiàn)確定取值；對于小跨度板，宜按照局部輪壓擴散重疊的較不利情況進(jìn)行承載力設(shè)計；梁柱活載折減不可盲目按照無覆土樓面的系數(shù)取值。

頂板上覆土較薄時取20kN/m2的滿布活載不能包絡(luò)住城-A級汽車荷載的設(shè)計要求，應(yīng)根據(jù)工程實際情況做出調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

[1]GB5009-2001.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（2006年版）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[2]JTG D60-2004.公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究所編著.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施-結(jié)構(gòu)[M].北京：中國計劃出版社，2003.14-16.

[4]CJJ 11-2011.城市橋梁設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[5]殷寶才，魏大平.地下室頂板考慮覆土影響后的消防荷載取值[J]．江蘇建筑，2010，2（2）：88-90.