地下室結構設計優化及消防車活荷載合理取值

文/黃冠豪 廣東廣州 510000

地下室結構設計優化及消防車活荷載合理取值

文/黃冠豪 廣東廣州 510000

本文結合筆者多年建筑工程地下室結構設計，從技術和經濟的角度對地下室柱網優化，并相應對消防車活荷載合理取值進行了分析闡述，通過一些工程實例進行了具體說明對比，得出比較優化的柱網方案，以達到工程設計安全經濟的目的。

地下室結構設計；優化；消防車；活荷載

隨著城市的發展，一般高層建筑和小區商住樓等均帶有較大的地下室，按照消防要求，常常要求地下室頂板應能行走消防車，而對于地下室的梁板設計而言，其消防車的均布荷載均較大，常起控制的作用。因此，地下室柱網應結合建筑的使用功能要求而進行優化設置，并對消防車活荷載適當考慮頂板覆土厚度的影響，換算為“等效均布活荷載”來進行合理取值，以達到工程設計的安全與經濟的目的。

一、消防車活荷載的合理取值

消防車荷載的取值問題，根據每個設計者對《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）表5.1.1注3“……當不符合本表的要求時，應將車輪的局部荷載按結構效應的等效原則，換算為等效荷載。”的理解不同，對消防車道取值進行等效換算的方式也比較混亂。而在實際工程中，由于等效均布荷載計算過程較為繁瑣，設計周期又短等原因，大都未進行等效均布荷載的計算而采用經驗“估算”的辦法。

目前有關覆土對消防車活荷載折減的介紹資料也比較豐富，但也比較雜亂。經過筆者了解的有關文章，如鄒海莉等在文章《地下室頂板上消防車活荷載合理取值的探討》中提出按照45°對消防車輪壓在不同厚度覆土中進行擴散，采用擴散后的活荷載作為等效均布活荷載。由于消防車輪壓在土中的擴散角與覆土的性質和路面的構造有關，按45°擴散角取值，其計算結果偏小。《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）的條文說明第5.1.1中提到“對板上有覆土的消防車活荷載，明確規定可以考慮覆土的影響，一般可在原消防車輪壓作用范圍的基礎上，取擴散角為35°。”一般道路面的覆土及面層對汽車輪壓的擴散作用角度均不同（車輪壓力擴散角，在混凝土中按45°考慮，在土中可按30°考慮）。因此，可考慮荷載取值有一定的富裕度，偏向安全設計，消防車輪壓在土中擴散角取30°進行計算，此取值跟朱炳寅《建筑結構設計問答及分析》中提到按擴散角30°的計算是相同。其實，荷載等效本就屬于近似計算，可理解為滿足工程精度要求的計算，而追求過高的精度從工程角度看毫無意義，實際工程中應注意效應的統一性，即注意在不同效應時，等效荷載不可通用。因此本文不在詳細介紹“板面等效荷載計算”的計算，其取值就參照朱炳寅先生《建筑結構設計問答及分析》中提出的荷載匯總表，如表1所示。

表1　考慮板頂覆土厚度及板跨影響時露面消防車等效均布活荷載值(kN/m2)

對于實際工程的板不同跨度，其消防車等效均布活荷載取值可按表1現行插值確定。此表格綜合考慮了板跨和不同覆土層厚度后，按板的短邊跨度劃分，單向板和雙向板的等效荷載均取相同數值。實踐證明，這種做法在實際工程計算結果中，構件的截面尺寸和配筋變化不大的，也算是“估算”的一種方式吧。

二、兩種不同柱網的優化比較

通過上敘消防車等效均布活荷載合理取值的分析，本文主要對比地下室兩種比較常用的柱網布置進行對比探討，看哪種柱網的方案比較優化。筆者在近幾年地下室結構設計中，主要碰到有兩種常用的柱網間距為：8m*8m和5.3m（5.5m）*8m，這兩種形式恰好也是將地下室頂板分成雙向板和單向板，很具有代表性。下面具體分析兩者的情況，對比兩者的區別。按目前園林一般做法，要求地下室頂板覆土厚度采用1.2m，頂板有跌級高差部位的話，就采用其他輕質材料換填，非消防車道的活荷載取值為5KN/m2，板厚取值為160mm。

1.地下室柱距為8m*8m（雙向板）的情況

此情況地下室頂板一般采用井字梁樓蓋或者十字梁樓蓋。因采用十字梁樓蓋形式的，其梁板截面尺寸均比較大，要求地下室層高教高，一般建筑設計不予采用，而采用井字梁形式的，就相對比較經濟合理。筆者曾參與的項目 “廣園東·東方名都花園三期”地下室就是屬于這種情況，主要是業主要求跟一、二期的柱間距相同。因此采用井字梁形式，框架梁截面尺寸均為：500mm*900mm，井字次梁為：300mm*800mm，頂板雙向板劃分為2.6m*2.6m，按表1線性內插可得地下室頂板消防車道部位板設計等效活載為：25.0 kN/m2，按《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）5.1.2規定，雙向板的梁計算均取折減系數0.8，則計算梁設計時候等效荷載取值為：25.0*0.8=20.0 kN/m2。

經過設計計算，框架梁非消防車部位，配筋（均采用三級鋼，下同），一般為：支座筋為8φ32，底筋6φ32；有消防車活載部位，截面尺寸為：500*1000配筋一般為：支座筋為11φ32，底筋10φ32。次梁非消費車部位，配筋一般為：支座筋為5φ25，底筋4φ22；有消防車活載部位，截面尺寸為400*800，配筋一般為：支座筋為8φ25，底筋6φ25。可見雙向板情況，因四邊受力情況相同，周邊框架梁截面尺寸都相同，截面尺寸也相對較大。而次梁部位應為共同協調受力，反而截面配筋均相對較小，但根數較多。

2.地下室柱距為5.3m（5.5m）*8m（單向板）的情況

此情況柱距為5.3m*8m，按建筑停車位設置，恰好兩跨背靠停車，中間設置5.5m×8.0m車道，方便使用。這種形式的柱網，地下室頂板一般在5.3m(5.5m)跨，橫向拉一根次梁，采用單向板形式。筆者曾參與的項目 “中山·傳盛東方名都花園”地下室就是屬于這種情況。5.3m(5.5m)跨框架梁截面尺寸為：400 mm *900 mm，次梁為：300 mm *800 mm，8.0m跨方向框架梁截面尺寸為：300 mm *800 mm，頂板單向板為2.65m（2.75m）*8.0m。這時要注意消防車在單向板行駛會出現沿單向板跨度方向和垂直于單向板跨度方向兩種形式，不過此跨度單向板僅需考慮1臺消防車荷載的作用，也符合頂板園林道路寬度的實際情況。經過資料文獻表示，后者行駛方向比前者的等效荷載大一些，但對設計結果影響不大，固按表1線性內插，可得地下室頂板消防車道部位板設計等效活載均取值為：25.0 kN/m2，按《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）5.1.2規定，單向板的次梁計算取折減系數為0.8，計算荷載為：25.0*0.8=20.0 kN/m2；主梁計算取折減系數為0.6，計算荷載為：25.0*0.6=15.0 kN/m2。

經過設計計算，框架梁非消防車部位，5.3m(5.5m)跨配筋一般為：支座筋為6φ25，底筋5φ25；有消防車活載部位，截面尺寸為450 mm *900 mm，配筋一般為：支座筋為8φ25，底筋7φ32。次梁非消費車部位，配筋一般為：支座筋為5φ25，底筋4φ25；有消防車活載部位，截面尺寸為400 mm *800 mm，配筋一般為：支座筋為10φ25，底筋7φ25。

通過上面數據對比分析，兩種形式的次梁計算荷載折減系數均為0.8，而采用雙向板的情況，框架梁計算荷載折減系數為0.8，等效荷載較大，故截面尺寸及配筋均較大；消防車部位雙向板四邊均需另加附加板負筋，但次梁配筋相對就小些。采用單向板的情況，框架梁計算荷載折減系數為0.6，則截面尺寸及配筋均小很多，消防車部位單向板長方向兩邊需另加附加板負筋，而次梁配筋相對就大些，但雙向板是井字梁形式，有4根次梁，相比較下，還是采用單向板的情況更優化些。

結語：

經過本文的上面分析可知，地下室柱網的布置應配合建筑功能使用，考慮停車車位的布局，盡量跟建筑專業溝通，采用柱網5.3m（5.5m）*8m的形式，既方便車位的使用，滿足建筑功能要求，也方便控制結構頂板梁高，便于水電專業的管線合理布置。在消防車活荷載取值上，應考慮覆土的擴散效應對消防車荷載起明顯的折減作用，覆土越厚、板跨越大，折減效果越明顯。因此設計師應針對工程的實際情況，采用折減后的等效荷載合理取值，以達到安全經濟的設計目標。

[1]《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012).

[2]朱炳寅.《建筑結構設計問答及分析》，中國建筑工業出版社，2009.

[3]鄒海莉，等.《地下室頂板上消防車活荷載合理取值的探討》，四川建材2006年第2期.

[4]陳麗敏.《對地下室頂板單向板上消防車活荷載取值的探討》，福建建筑2010年第5期.

黃冠豪（身份證號：440106198408101537 ），1984/08, 廣東，男，建筑結構，茂名學院，中級職稱。