庫房樓面等效均布活荷載的確定

錢建穎 丘興凱

(1.河南工業大學，河南鄭州 450052;2.中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450052)

1 概述

隨著土地資源越來越緊張，庫房也逐漸從傳統一層往多層發展。對于多層倉庫，樓面荷載的種類形式和大小，涉及到建筑結構使用年限內的安全性和費用的合理性。

鑒于此，本文將通過某倉庫的工程實例介紹庫房樓面等效均布活荷載計算的一般方法，并對計算中產生的問題加以討論，以供設計人員參考。

2 荷載條件及分析

2.1 工程概況

某倉庫樓板的結構局部布置見圖1。根據工藝要求，在樓板規定區域內固定布置有3 m高的托盤式和隔板式貨架，庫房內的卸貨、上貨、取貨、轉運通過額定載重量為1.6 t的電動叉車來實現，其荷載布置見圖2。本文以其中一個既承擔貨架荷載又承擔叉車荷載的板塊“板1”作為本次雙向板計算算例。

圖1 樓板的結構布置

圖2 荷載布置區域劃分

2.2 貨架條件及叉車條件

3 m托盤式和隔板式貨架寬度為1.2 m，最大堆載重量為2 t/m，每隔2 m有兩個支腿，每個支腿均承擔2 t的荷載。每個支腿的著地面積為0.10 m×0.10 m。貨架布置區域是固定的，但支腿在樓板上的位置卻是由現場來自由布置的。

按照電動叉車樣本，叉車額定載重量為1.6 t，為3個輪子(三支點)，滿載時全部荷載為4.6 t，且90%的荷載由前面兩個輪子承擔，為簡化計算，把所有的荷載都加到前面兩個輪子中。故每個輪子承擔2.3 t的集中荷載作用于樓板上。輪胎滿載時的著地面積為0.15 m×0.10 m。兩輪輪距為1.060 m。叉車與貨架之間的安全行車距離為0.35 m。

2.3 理論計算

2.3.1 等效活荷載計算原則

根據GB 50009-2012建筑結構荷載規范［1］(以下簡稱《荷載規范》)附錄C之C.0.1規定:“樓面(板、次梁、主梁)的等效均布活荷載，應在其設計控制部位上，根據需要按內力(如彎矩、剪力等)、變形及裂縫的等值要求來確定。在一般情況下，可僅按內力的等值來確定”。C.0.2條規定:“連續梁、板的等效均布活荷載、可按單跨簡支計算。但計算內力時，仍按連續考慮”。C.0.6條規定:“雙向板的等效均布荷載可按與單向板相同的原則，按四邊簡支板的絕對最大彎矩等值來確定”。

2.3.2 理論分析

雙向板樓面等效均布荷載分為貨架產生的等效均布荷載和叉車產生的等效均布荷載，兩者各自計算，然后取兩者之和。兩者都取最不利布置上的等效均布荷載。

1)貨架不利布置情況。

由于貨架布置的區域是固定的，支腿在樓板上的位置由現場自由布置，支腿的作用點將沿著兩條直線布置，貨架的最不利布置見圖3。

圖3 貨架荷載的最不利布置和計算簡圖

2)叉車不利布置情況。

通過分析可以得出荷載布置離梁越近，等效均布活荷載就越小，所以叉車荷載應盡量靠近板中心布置;叉車與貨架之間的安全行車距離為0.35 m。綜上，叉車的最不利布置有以下三種情況:a.叉車有一個車輪在板外，另一個車輪在板內;b.叉車的兩個輪子都在板內且距離梁邊的距離相等;c.叉車的兩個輪子在板內，有一個位于板中(見圖4)。第一種布置顯然比第三種小，故不做計算。只需要計算第二、第三種布置形式。

圖4 叉車荷載的最不利布置

2.3.3 叉車的動力系數

根據《荷載規范》5.6.2條，并參照《公路橋涵設計通用規范》［2］4.3.2條第6款規定，對于確定叉車作用于樓面的等效均布活荷載時的動力系數可取1.3。

3 等效荷載的計算

3.1 查表計算法

按照《建筑結構荷載設計手冊》［3］(以下簡稱《荷載設計手冊》)附錄四計算。

3.1.1 貨架荷載的等效均布活荷載

根據《荷載設計手冊》進行查表計算，考慮貨架荷載第一種和第二種最不利的布置情況(如圖3所示)，其等效均布活荷載分別為 19.05 kN/m2，6.61 kN/m2。

故貨架產生的等效均布活荷載取19.05 kN/m2。

3.1.2 叉車荷載的等效均布活荷載

其計算過程同貨架。貨架產生的等效均布活荷載為11.8 kN/m2。

3.1.3 查表法最終計算結果

通過貨架和叉車分別分析，貨架的第一種不利布置和叉車的第三種不利布置形成最不利的荷載分布。查表法得出的等效均布活荷載為:

3.2 有限元驗證

本文采用ANSYS軟件殼單元(Shell63，彈性殼)來計算雙向板的等效均布活荷載，其步驟如下:1)創建四邊簡支的彈性板模型，按照理論分析的最不利的荷載布置，按局部均布荷載計算板中心處最大彎矩Mmax1;2)再次創建四邊簡支的彈性板模型，參數同步驟1)，施加1 kN/m2均布荷載，計算得出板中心的最大的彎矩Mmax2;3)則雙向板的等效均布活荷載為Mmax1/Mmax2，ANSYS求得的等效均布活荷載見表1。

表1 ANSYS求得的等效均布活荷載 kN/m2

則等效均布活荷載為qe=16.4+10.8=27.2 kN/m2。

與查表法相比，有限元軟件計算結果偏小13.4%。這說明查表法計算結果是偏于安全的。有限元軟件計算能夠得出準確結果，但在設計過程中使用不便。

3.3 基于查表法的EXCEL表格工具

前文已經論述了查表計算雙向板的等效均布活荷載的合理性，由于查表計算需要考慮5個系數，而每個系數往往不是表格里面的整數值，為得出一個系數就需要4個階段總共31次的線性插值，效率低下。為提高工作效率，作者制作了一個EXCEL表格工具，其操作界面見表2。

使用時只需要把計算出的k，α，β，ξ，η等數值填入表格內，左邊就會計算出你需要填入的θ值對應的各個參數。比如叉車荷載第二種最不利的布置情況的1號支腿:k=1.04，α=0.128，β=0.148，ξ=0.308，η=0.24。填入以后，第一行需要填入的是:k=1.0，α=0.1，β=0.1，ξ=0.3，η=0.2 對應的 θ=0.010 8。這樣按照要求把所有的θ值填入后就能直接得到最終的參數。利用EXCEL表格工具能提高查表計算的效率，防止由于繁瑣的手工計算造成的錯誤，且其計算的結果又通過實踐的檢驗。

表2 EXCEL操作界面

4 結語

1)按照《荷載設計手冊》計算樓面等效荷載安全可靠，但由于參數較多，查表計算效率低下。

2)利用EXCEL電子表格工具，結合《荷載設計手冊》，進行設計參數的計算可以大大提高工作效率。

［1］GB 50009-2012，建筑結構荷載規范［S］.

［2］JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［3］陳基發，沙志國.建筑結構荷載設計手冊［M］.第2版.北京:中國建筑工業出版社，2004.