某場地結(jié)構(gòu)頂板施工車輛走行論證

周 成 龍

(蘇華建設(shè)集團(tuán)有限公司上海分公司，上海 200021)

1 項目概況

擬使用的結(jié)構(gòu)位于南方某特大城市標(biāo)志性建筑旁邊，為城市旅游目的地之一。該處游客如織，是大型廣告發(fā)布活動舉行的理想地。該結(jié)構(gòu)地上部分共2層，設(shè)計功能為辦公、商業(yè)，地下1層停車庫。2層頂板(即3層平臺)設(shè)計功能為普通停車場。

根據(jù)原土建設(shè)計單位提供的結(jié)構(gòu)設(shè)計資料，3層平臺柱跨均為8.4 m×8.4 m，采用井字梁梁板結(jié)構(gòu)，板跨2.8 m×2.8 m，為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土梁板柱強度等級C40。主梁截面500×800，次梁截面300×600，樓板厚150 mm，設(shè)計結(jié)構(gòu)活荷載5 kN/m2。建筑面層做法如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)頂板建筑面層做法

現(xiàn)某大型品牌發(fā)布會選址該3層平臺，活動方擬在3層平臺上搭建臨時使用的篷房，篷房跨度37 m，進(jìn)深60 m，施工過程中需要使用吊車、曲臂車、剪刀型升高車以及叉車等施工車輛，施工車輛最大自重為11.9 t的吊車。

根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(以下簡稱《荷載規(guī)范》)，設(shè)計使用功能為客車停車場的結(jié)構(gòu)，雙向板板跨不小于6 m×6 m時，可取2.5 kN/m2，該活荷載僅考慮“小轎車、吉普車、小型旅行車(載人少于9人)的車輪局部荷載以及其他必要的維修設(shè)備荷載”。根據(jù)以上表述判斷，設(shè)計活荷載2.5 kN/m2時，可安全承載的車輛重量范圍為1.5 t～2.5 t。

本活動擬使用的結(jié)構(gòu)平臺，設(shè)計活荷載為5.0 kN/m2，是否能夠承載總重最大達(dá)到11.9 t的施工車輛。

以下分別從結(jié)構(gòu)概念和規(guī)范規(guī)定的等效均布荷載方法進(jìn)行論證走行的可行性，并驗算樓板的局部沖切承載力，為活動搭建過程中的結(jié)構(gòu)安全承載提供理論支持。

2 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計判斷

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，顧明思義，不通過計算或僅通過簡單的計算就可作出結(jié)論的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員最為重要也是最為基礎(chǔ)的一種設(shè)計方法。

本項目中，原設(shè)計活荷載的滿鋪局部荷載，施工車輛荷載為各個車輪下的集中荷載。以最大總重11.9 t的吊車為例，其共有前后6個車輪，即6個集中荷載。將集中荷載簡化為簡單的一個11.9 t的集中荷載，則本項目問題簡化為對比一個集中荷載和一個滿鋪的均布荷載所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效應(yīng)問題。

考慮最簡單的兩端簡支單跨梁(即：不考慮雙向板的有利作用，不考慮單個柱跨周邊的固結(jié)邊界的有利作用)結(jié)構(gòu)概念，同樣跨度下，同樣總荷載作用下，跨中集中荷載產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)(梁板結(jié)構(gòu)非地震非風(fēng)荷載作用下的主要受力效應(yīng))為均布荷載作用下的2倍，如圖1，圖2所示。

原設(shè)計活荷載5.0 kN/m2，為結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載。將其簡單理解為結(jié)構(gòu)可承重滿鋪的500 kg/m2，則我們可得到一個柱跨8.4 m×8.4 m內(nèi)可承擔(dān)的總重量為:

500×8.4×8.4=35 280 kg。

極限情況下，將該柱跨內(nèi)的均布荷載集中到一個點內(nèi)施加，變?yōu)橐粋€集中荷載，則該集中荷載的總重量為：

35 280×0.5=17 640 kg=17.64 t>1.3×11.9=15.47 t。

其中,0.5為均布荷載和一個集中荷載的彎矩效應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)；1.3為考慮吊車走行的動力系數(shù)。

由以上結(jié)果可見，本結(jié)構(gòu)柱跨可滿足該吊車行走的安全承載要求。

3 規(guī)范方法計算等效均布荷載

根據(jù)《荷載規(guī)范》5.1.4，樓面結(jié)構(gòu)上的局部荷載可按附錄C，換算為等效均布活荷載。樓板周邊支承情況可考慮為四邊簡支。

吊車自重11.9 t，軸距4.2 m，輪距1.8 m，行走過程中前軸輪壓3.5 t，后軸輪壓8.4 t，單個輪胎著地面積0.2 m×0.4 m。本工程頂板建筑面層厚度為135 mm(根據(jù)前述建筑面層做法計算而得，僅考慮剛性面層厚度)，結(jié)構(gòu)板厚150 mm，后軸輪壓作用下，一個2.8×2.8跨內(nèi)的吊車局部荷載見圖3。

查詢《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算實用手冊》(第2版)，面層厚度取擴散角45°，則：

ax=0.4+2×0.135=0.67,ay=0.4+2×0.135=0.67;

插值法得到單個后軸輪壓的彎矩系數(shù):

以上是根據(jù)《手冊》查表方法計算得出的板跨內(nèi)最大彎矩，由于計算機有限元計算的普及，筆者利用國內(nèi)設(shè)計院常用的某設(shè)計軟件，進(jìn)行了有限元分析，其板跨內(nèi)彎矩分布圖如圖4，圖5所示。

板跨內(nèi)的最大彎矩取手冊查表計算結(jié)果與有限元軟件計算結(jié)果的較大值，即:

荷載作用的長邊平行于板跨，則：

bcx=400+2×135+150=820。

bcy=400+2×135+150=820。

bcx>bcy,bcy≤0.6×2 800=1 680,bcx<8 400。

b=820+0.7×2 800=2 780。

則該板跨內(nèi)等效均布荷載：

考慮車輛走行的動力系數(shù)1.3，故吊車行走過程中對頂板產(chǎn)生的等效均布荷載為：

1.3×3.00=3.90<5.0 kN/m2。

梁板柱配筋計算用的等效均布荷載均滿足此11.9 t吊車走行需求。

同理，可根據(jù)以上計算過程計算其余施工車輛的等效均布荷載，其結(jié)果均小于頂板原設(shè)計荷載。

4 局部抗沖切承載力驗算

施工車輛最大局部荷載4.2 t=42 kN，作用面積0.4 m×0.4 m。樓板厚度150 mm，混凝土強度等級C40。根據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，以下簡稱《混凝土規(guī)》6.5.1，ft=1.71 MPa，h0=150-20=130 mm，長寬比≤2，βs=2，η1=1.0，αs=40，βh=1.0，不考慮屋頂建筑面層的有利擴散作用，則沖切周長:

μ=2×(400+2×130×tan45°+

400+2×130×tan45°)=2 640 mm。

則混凝土板抗沖切承載力：

F1=0.7×1.0×1.71×0.99×

2 240×130=345.92 kN>1.3×42 kN。

其中，1.3為考慮施工車輛走行過程中的動力系數(shù)。

故該樓板滿足本施工車輛局部輪壓作用下的抗沖切承載力設(shè)計要求。同理可計算其余施工車輛的局部荷載。

5 結(jié)論

根據(jù)以上概念設(shè)計以及等效均布荷載以及樓板抗沖切承載力的計算結(jié)果，顯示結(jié)構(gòu)頂板能滿足本次活動施工車輛承載力設(shè)計要求。

活動搭建過程中，根據(jù)活動承辦方的要求，對頂板結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了實時監(jiān)控，結(jié)果顯示，在施工車輛正常走行情況下，頂板撓度變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)撓度變形限值要求，實現(xiàn)了安全承載的既定目標(biāo)。

6 關(guān)于等效均布荷載的思考

1)隨著計算機有限元軟件的普及，使用板跨有限元計算板塊內(nèi)的最大彎矩效應(yīng)變得更為簡易，其計算結(jié)果比結(jié)構(gòu)手冊的算法要精確。等效的意義本身就是一種近似計算，滿足工程計算需要即可。

2)《荷載規(guī)范》5.1.1表內(nèi)的樓板等效均布荷載嚴(yán)格來說是計算樓板效應(yīng)的依據(jù)，當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件普遍根據(jù)此等效樓板荷載計算梁柱配筋，實際上是對梁柱配筋的安全余量進(jìn)一步放大。《荷載規(guī)范》5.1.2條規(guī)定了各類構(gòu)件的折減系數(shù)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性精細(xì)性考慮，應(yīng)按此條要求對梁柱配筋計算的等效荷載予以折減。

3)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用的是一個等效均布荷載，實際結(jié)構(gòu)使用過程中不應(yīng)將結(jié)構(gòu)安全僅限于加載部位均攤荷載小于均布荷載。遇到集中負(fù)載較大的情況，可根據(jù)《荷載規(guī)范》規(guī)定方法進(jìn)行等效均布荷載的計算，以驗證結(jié)構(gòu)是否安全。

4)在驗算集中荷載作用下的等效均布荷載的同時，需要同時考慮樓板抗沖切承載力，該過程可根據(jù)《混凝土規(guī)》相應(yīng)條款進(jìn)行計算。