重型貨車等效均布荷載的取值換算

陳德銀

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院， 四川成都 610000)

物聯(lián)網(wǎng)世紀(jì)產(chǎn)業(yè)園(中益吉城)三期工程位于成都青白江物流園區(qū)，建筑功能為五金機(jī)電城，由30棟多層建筑和地下室組成。地下室平面形狀為梯形，上下邊分別約為80 m和240 m，高約為400 m，柱網(wǎng)尺寸大部分為8.1 m×8.1 m，梁系采用2.7 m間距的井字梁，框架梁為300 mm×800 mm，框架柱為600 mm×600 mm，標(biāo)準(zhǔn)柱跨布置如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)柱跨井字梁布置(單位:mm)

地下室頂板覆土1.2 m，需要考慮地下室頂板承受重型貨車的要求。現(xiàn)行GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(簡稱《荷載規(guī)范》)給出了汽車通道及客車停車庫的樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，并未給出重型貨車的荷載取值。

本文根據(jù)《荷載規(guī)范》附錄C“樓面等效均布活荷載的確定方法”，對重型貨車等效荷載進(jìn)行換算。《荷載規(guī)范》中規(guī)定了“樓面的等效均布活荷載，應(yīng)在其設(shè)計(jì)控制部位上，根據(jù)需要按內(nèi)力、變形及裂縫的等值要求來確定。在一般情況下，可僅按內(nèi)力的等值來確定”，同時(shí)也規(guī)定了“連續(xù)梁、板的等效均布活荷載，可按單跨簡支計(jì)算”。結(jié)合工程項(xiàng)目的特點(diǎn)和規(guī)范的要求，樓板以四邊固接邊界下的跨中彎矩等值確定等效荷載，框架梁分別考慮彎矩和剪力內(nèi)力等值按單跨簡支梁換算等效荷載，而框架柱通過車型荷載滿布按軸力等值計(jì)算等效荷載。

1 重型貨車

1.1 重型貨車車型

貨車可分為重型、中型、輕型、微型四種，當(dāng)車長大于等于6 m，總質(zhì)量大于等于12 t的載貨汽車為重型載貨汽車[1]。實(shí)際上受具體車型、車廠的規(guī)定影響，目前市場上重型物流車輛重量和規(guī)格相當(dāng)繁雜，這使得將重型貨車作為確定的荷載考慮具有很大的隨意和復(fù)雜性。通過不同資料[2-4]及實(shí)際情況來看，汽車-20級、公路-Ⅰ、Ⅱ級和城市-A級的車輛各具特點(diǎn)，荷載層次分明，且來自不同部門所定標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的廣泛適用性，故以這三類車型作為重型貨車的代表，具體車型規(guī)格如圖2～圖4所示，車輛荷載如表1所示。

圖2 汽車-20級車輛規(guī)格(單位:mm)

圖4 城市-A級車輛規(guī)格(單位:mm)

kN

1.2 輪壓擴(kuò)散

地下室頂板的覆土對車輛輪壓具有擴(kuò)散效果，輪壓以一定的應(yīng)力擴(kuò)散角傳至地下室頂板上。參照CJJ 105-2005《城市供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，應(yīng)力擴(kuò)散角為35°，重型貨車輪壓經(jīng)覆土擴(kuò)散后如圖5所示，單輪最大輪壓擴(kuò)散至地下室頂板壓應(yīng)力如表2所示，P取為單輪最大輪壓。

圖5 輪壓在覆土中擴(kuò)散(單位:mm)

單輪最大輪壓P/kN汽車-20級公路-Ⅰ、Ⅱ級城市-A級6070100(70)地下室頂板壓應(yīng)力/(kN·m-2)14.016.322.7(15.9)

注：()內(nèi)為城市-A級中軸輪壓和對應(yīng)的壓應(yīng)力。

從表2可以看出，由于城市-A級車輛單輪最大輪壓最大，其擴(kuò)散至地下室頂板壓應(yīng)力最大。實(shí)際上多個(gè)輪壓經(jīng)過一定覆土厚度擴(kuò)散后，在地下室頂板上將出現(xiàn)輪壓應(yīng)力重疊。限于篇幅所限，輪壓相互之間的應(yīng)力重疊以公路-Ⅰ、Ⅱ級車輛為例(圖6)，其中前、中和后軸在同一軸上的輪壓已發(fā)生應(yīng)力重疊，重疊處為2倍輪壓；中、后軸4個(gè)輪子的中間部位重疊最多，最多重疊處為4倍輪壓，相鄰軸前后的中間部位重疊為2倍輪壓。其他車型重疊情況類似。

(a)前、中和后軸輪壓擴(kuò)散

(b)前軸兩輪壓和中后軸四輪壓擴(kuò)散圖6 公路-Ⅰ、Ⅱ級輪壓擴(kuò)散和應(yīng)力重疊(單位:mm)

2 等效均布荷載

2.1 樓板等效荷載

在汽車-20級、公路-Ⅰ、Ⅱ級和城市-A級的車輛荷載中，中、后軸重量占據(jù)整車重量的80 %以上，而且對于常規(guī)地下室樓板而言，通常中、后軸作用于板跨內(nèi)，前軸車輪已在板跨外，因此只考慮中、后軸輪壓荷載。地下室樓板內(nèi)力中，一般剪力不作為控制內(nèi)力，以彎矩作為計(jì)算等效荷載的等值內(nèi)力。受重型貨車臺數(shù)、車輛規(guī)格、輪壓大小、樓板跨度、邊界條件等因素影響，確定樓板絕對最大彎矩對應(yīng)的輪壓布置將是一個(gè)復(fù)雜的過程[5]。考慮2臺貨車并行情況下，進(jìn)入樓板內(nèi)貨車輪壓中心與樓板中心重合，輪壓擴(kuò)散至樓板內(nèi)面積與輪壓擴(kuò)散面積的比值通常是最大的，將這種方式的布置視為最不利布置。三種車型輪壓布置如圖7所示。《荷載規(guī)范》和相關(guān)文獻(xiàn)[5]，計(jì)算消防車樓板等效荷載往往采用樓板四邊簡支，而實(shí)際多存在多跨連續(xù)板，四邊固接情況。為便于與實(shí)際工程相符，文中以四邊固接邊界下的跨中彎矩等值來確定等效荷載。

(a)汽車-20級(公路-Ⅰ、Ⅱ級)和城市-A級中軸

(b)城市-A級最重軸圖7 輪壓布置(單位:mm)

采用通用有限元軟件SAP2000 V14，雙向板采用薄殼單元模擬，單元網(wǎng)格尺寸為0.1 m×0.1 m，薄殼單元基于Kirchhoff理論，忽略了殼中橫向剪應(yīng)力對變形的影響[6]。地下室頂板厚160 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，泊松比0.2，計(jì)算中不計(jì)入板自重。由軟件得到不利布置下的樓板彎矩，然后通過單位面荷載下樓板彎矩可換算出等效荷載(表3)。

表3 不同車型的樓板等效荷載 kN/m2

從表3可以看出，不同規(guī)格重型貨車，城市-A級樓面等效荷載最大。這是由于城市-A級中軸單輪輪壓與最大值接近，且輪壓擴(kuò)散面積是三種車型中最大的。

2.2 框架梁等效荷載

根據(jù)《荷載規(guī)范》，框架梁等效荷載計(jì)算采用單跨簡支梁考慮，等值內(nèi)力效應(yīng)考慮彎矩和剪力。在重型貨車輪壓作用下，框架梁內(nèi)力問題實(shí)際上是尋求多個(gè)移動(dòng)集中力下最不利荷載布置[7]。嚴(yán)格來說，輪壓為一局部均布荷載，并非集中力，采用集中力影響線得到布置并非嚴(yán)格的最不利布置，結(jié)合均布荷載不利布置特點(diǎn)，采用局部均布荷載修正集中力下的不利布置，為研究方便，將修正后布置視作最不利布置。

受車型、等值內(nèi)力效應(yīng)不同的影響，可能的最不利布設(shè)方案存在多種選擇，進(jìn)行多方案比較后得到在考慮僅有2臺車并行情況下，相鄰的總重最大三軸且輪壓擴(kuò)散后布置于框架梁內(nèi)，使得三軸重心最接近梁中心可使框架梁內(nèi)彎矩達(dá)最大值，而相鄰的總重最大兩軸且輪壓擴(kuò)散后布置于框架梁支座最近處，框架梁支座剪力將出現(xiàn)最大值。框架梁彎矩和剪力出現(xiàn)最大值的輪壓最不利布置如圖8、圖9。

圖8 彎矩最大值的輪壓最不利布置

圖9 剪力最大值的輪壓最不利布置

以SAP2000 V14進(jìn)行有限元分析，為適應(yīng)軟件集中加載要求，樓板單元?jiǎng)澐殖叽鐬?.35 m×1.35 m。按上述最不利布置，得到框架梁最大彎矩和支座最大剪力，分別進(jìn)行等效荷載計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中取大者。框架梁不同內(nèi)力效應(yīng)的等效荷載值如下表4，不同等效荷載之間關(guān)系如下表5。

一般情況下，在輪壓移動(dòng)荷載作用下，按框架梁支座剪力換算的等效荷載大于按跨中彎矩?fù)Q算，這一點(diǎn)從表4亦可看出。本文重型貨車，剪力換算高出0.7 %～18 %，城市-A級車型最大。通過表5，從樓板和框架梁等效荷載之間的關(guān)系來看，重型貨車框架梁折減系數(shù)在0.30～0.31，城市-A級折減系數(shù)值最大；不同車型，折減系數(shù)差異很小。

表4 框架梁等效荷載值 kN/m2

表5 不同等效荷載之間關(guān)系

2.3 框架柱等效荷載

框架柱以軸力等值方式計(jì)算等效荷載，在框架結(jié)構(gòu)體系中，不論重型貨車如何布置，荷載的最終傳遞路徑都是樓板-次梁-主梁-柱，最終由柱承擔(dān)。因此框架柱的最大軸力問題可轉(zhuǎn)化為重型貨車滿布布置。影響重型貨車滿布布置的因素有貨車規(guī)格、車臺數(shù)等。以2×2柱跨考慮重型貨車滿布情況，具體布置如圖10～圖12，其中三種車型均有5排并列重型貨車可進(jìn)入2×2柱跨；汽車-20級和公路-Ⅰ、Ⅱ級尚受第6排車通過覆土擴(kuò)散進(jìn)的輪壓影響；汽車-20級車長最短，故沿車長向，有2列車可進(jìn)入柱跨；而城市-A級車長18 m，中、后軸進(jìn)入后，前軸已在柱跨外。

圖10 汽車-20級滿布布置

圖11 公路-Ⅰ、Ⅱ級滿布布置

《荷載規(guī)范》給出，當(dāng)荷載分布比較均勻時(shí)，在一般情況下，可由全部荷載總和除以全部受荷面積求得，故計(jì)算得到框架柱等效荷載值如表6。

同樣，以折減系數(shù)考慮框架柱和樓板等效荷載之間的關(guān)系，由上述表6可知框架柱等效荷載比樓板小，框架柱與樓板等效荷載之比的折減系數(shù)約在0.24～0.31，車型對折減系數(shù)有所影響，汽車-20級框架柱折減系數(shù)與框架梁的接近。

表6 框架柱等效荷載值 kN/m2

3 結(jié)論和設(shè)計(jì)建議

重型貨車規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，現(xiàn)實(shí)中品種繁多，造成對其荷載的考慮具有很大的不確定性和復(fù)雜性，采用汽車-20級、公路-Ⅰ、Ⅱ級和城市-A級的車輛作為重型貨車考慮是一種簡便的模擬。

圖12 城市-A級滿布布置

考慮重型貨車輪壓的擴(kuò)散，對樓板、框架梁和框架柱，給出了車輛荷載的不利布置。其中樓板采用貨車輪壓中心與樓板中心重合的布置，框架梁采用修正集中力不利布置，框架柱采用滿布重型貨車輪壓的方式布置。

在考慮2臺車并行情況下，一般按固接邊界，跨中彎矩等值換算更能與實(shí)際情況符合。三種車型中，最重的是城市-A級車，其值最大。建議對于較重的車輛，樓板等效荷載若按荷載規(guī)范要求，以簡支計(jì)算時(shí)，需按樓板固接邊界的結(jié)果復(fù)核。

框架梁等效荷載通常以剪力效應(yīng)控制，相較與樓板等效荷載的折減系數(shù)在0.3～0.31，而框架柱相較于樓板等效荷載的折減系數(shù)約在0.24～0.31。對比框架梁柱等效荷載的折減系數(shù)，汽車-20級相差很小。

[1] GA 802-2014 機(jī)動(dòng)車類型術(shù)語和定義[S]. 中國人民共和國公安部發(fā)布.

[2] 陳基發(fā)，沙志國.建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)手冊[M] . 2版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004:226-227.

[3] JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范 [S]. 北京：中華人民共和國交通部，2004.

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

[5] 范重，鞠紅梅，彭中華.消防車等效均布活荷載取值研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011,41(3):1-6,10.

[6] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000 中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社， 2009:49-50.

[7] 楊茀康，李家寶.結(jié)構(gòu)力學(xué)(上冊)[M].4版.北京：高等教育出版社，1998:288-294.