北京鮮活農產品流通中心項目荷載取值研究

張延赫，李博宇，王 然，張 盟，郝淑敏，畢鵬飛

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

1 概述

北京鮮活農產品流通中心工程位于北京市通州區黑莊戶鄉，總建筑面積為60萬m2，是亞洲最大的物流綜合體工程，其與市政路橋相聯通結合，承載著首都重要的農產品交通樞紐功能。本工程農貿產品交易區建筑面積為48萬m2，地上結構通過設抗震縫分為八棟單體建筑，4號樓為冷庫樓，其余樓均為農貿產品交易樓。本工程地下2層，地上4層～5層，重型貨車在B2～2F層間行駛，建筑效果圖見圖1。

北京鮮活農產品流通中心工程的建筑功能決定了超重荷載是設計中的一大難點，本工程抗震設防烈度為8度，在超重荷載的影響下，地震作用對結構設計有著極大的影響。因此合理的給出不同建筑功能區域的活荷載取值顯得尤為重要，它直接影響著本工程設計的安全性及經濟性。

2 荷載取值

北京鮮活農產品工程交易區荷載類型根據建筑功能可以分為三類：重型貨車荷載；室內交易區荷載；冷庫區荷載。下面介紹各區域活荷載取值依據。

2.1 重型貨車荷載

現行GB 50009—2012建筑結構荷載規范[1]中5.1.1 條僅給出了重型消防車活荷載標準值，若在工程設計中，重型貨車荷載直接套用規范活載值，由于兩者的輪壓、軸距等存在差異，則計算結果的合理性難以確定。因而有必要對于農產品物流園工程中，中、大型貨車等效均布荷載進行計算取值。

荷載規范在其附錄中給出樓面等效均布荷載的計算方法，現今隨著通用有限元軟件的普及，衍生出一種更高效、工程適用性更強的有限元算法，能夠準確的計算出重型貨車等效均布荷載。

2.1.1 重型車規格

對長度18 m的大型車荷載參數，CJJ 11—2011城市橋梁設計規范[2]及JTG D60—2015公路橋涵設計通用規范[3]均有規定，前者規定城A級車輛總重700 kN，最大輪重100 kN，后者規定公路1級車輛總重550 kN，最大輪重70 kN。根據車輛荷載取較大值的原則，故取城A級車輛參數計算等效均布荷載。對長度8 m的中型車荷載參數，參考農產品流通中心物流咨詢報告，并結合規范及調研情況，確定車輛參數。大、中型車輪壓平面布置及排列間距見圖2～圖4，車輛前輪著地尺寸0.2 m×0.2 m，后輪著地尺寸0.6 m×0.2 m。

2.1.2 重型車等效活荷載取值原則

1)等效活荷載計算。

《建筑結構荷載規范》的條文說明中指出了板面等效均布荷載的確定原則，即在實際的局部荷載作用下，簡支板內引起的絕對最大的分布彎矩，使其等于在等效均布荷載作用下該簡支板內引起的最大彎矩，即跨中彎矩等效原則。

等跨雙向板在均布荷載q1=1 kN/m2作用下,四邊簡支板跨中彎矩為Mx,My,在局部荷載作用下,等效均布荷載與絕對最大彎矩Mmax(x,y)及Mx存在以下關系:

不等跨板等效均布荷載qe計算公式與等跨板相同。

2)輪壓的擴散與疊加。

當樓板有覆土時,土的擴散作用使作用于樓板上的輪壓面積增大,輪壓減小,輪壓與覆土厚度成反比關系。對于軸距較近的兩個輪胎,輪壓經過覆土擴散后,輪壓面積會發生部分重疊,重疊次數越多,重疊范圍內輪壓荷載越大,重疊后,輪壓應力q1=nq0,其中，n為重疊次數。同樣,樓板對輪壓也有擴散作用。覆土應力擴散角θ取35°,樓板應力擴散角取45°。輪壓經樓板及覆土擴散后,輪壓寬度bsx及長度bsy取值按下式。當樓板無覆土時,s取值為0。輪壓擴散圖見圖5，圖6。

bsx=btx+2stanθ+h。

bsy=bty+2stanθ+h。

其中，s為樓板上覆土厚度；h為樓板厚度。

3)最不利布置原則。

根據結構力學簡支梁影響線計算理論,判斷最不利荷載位置的一般原則是:當把數量大、排列密的荷載放在影響線豎距較大部位[4]。對于移動中的一組集中荷載,在最不利位置時,必有一個集中荷載在影響線的頂點。根據一維情況類推二維平面板區格可知,當板跨相對于汽車輪距分布尺寸較為接近時,某一列輪壓作用在板中線上或某一輪壓作用在板中心處,結構板產生最大彎矩。

2.1.3 工程應用

本工程地下2層,地上4層～5層,中、大型車于地下2層～2層環樓行駛,并且中型車在首、2層可駛入交易樓內部。首層行車道處存在覆土,其余各層無覆土。交易樓內部柱網尺寸為9 m×9 m,結構布置采用大板形式;行車道部位,首層頂柱網尺寸為9 m×18 m,地下1層、2層頂柱網尺寸為9 m×12.6 m及9 m×5.4 m。由于行車道部位荷載重,跨度大,故其結構布置形式采用密肋梁形式(見表1),次梁布置見圖7,圖8。

表1 車道部位結構布置形式統計

對于車道密肋梁形式,經Midas計算分析,可將其等效為各節點位移相近的大板形式。故而在計算密肋梁樓板的等效均布荷載過程中,可將密肋樓板簡化為相同板跨的大板結構,進行建模。

本工程車輛荷載作用可按其行駛的區格劃分,A，B分別表示大型車及中型車在主體結構內的荷載區格,對于同一區格,大型車及中型車均可行駛的工況,取大型車行駛的最不利工況,荷載區格劃分見表2。

表2 荷載區格劃分

1)輪壓作用面積及應力。

車輛前輪著地尺寸bsx1×bsy1為0.2 m×0.2 m,后輪著地尺寸bsx2×bsy2為0.6 m×0.2 m,根據輪壓的擴散原則,得出不同覆土厚度及板厚影響下,輪壓作用面積。單輪壓力作用下輪壓應力q為:

考慮覆土及樓板厚度影響,車輛動力系數K取1.3,得出輪壓應力。

2)計算模型及荷載最不利布置。

根據國家現行荷載規范,按四邊簡支板的絕對最大彎矩等值原則確定等效均布荷載。本工程均布荷載計算采用有限元軟件Midas來進行建模。采用板單元,混凝土材料及板厚與設計相同,板邊界條件為簡支(dx=dy=dz=0)。對于同一板塊,分別建立車輛荷載最不利布置模型及q1=1 kN/m2均布荷載模型,并根據兩模型計算結果絕對最大彎矩之比,得出等效均布荷載qe。

現以A1為例,對于9 m×18 m車道,車道凈寬為16.5 m,考慮大型車滿載情況,車輛間凈距500 mm,最多布置5輛汽車同向行駛,同時考慮車輛首尾相接的情況,首尾車輛軸距1 500 mm,此種布置方式基本包含設計中可能遇到的所有不利情況。根據最不利荷載布置原則,考慮A11,A12,A13三種輪壓荷載不利布置情況,見圖9～圖11,進行計算比較得出輪壓荷載最不利布置。

由以上三種不利布置的結果可以看出,彎矩云圖見圖12～圖14,結果見表3,輪壓不利布置A11得出的等效均布荷載值最大,即A11布置方式為最不利布置,故而大型車在A11情況下等效均布荷載取值為24.7 kN/m2。

表3 不同輪壓排布形式下等效均布荷載取值

將A11最不利情況下計算的等效均布荷載以及最不利的輪壓分布荷載分別布置到9 m×18 m密肋樓板模型中,豎向位移云圖見圖15，圖16,兩者變形情況近似一致,節點位移值相差基本在5%以內,表明密肋樓板的等效均布荷載取值方法有較好的適用性及合理性。

3)計算結果。

對于A2～A9,B1～B3情況下的等效均布荷載,由于篇幅有限,荷載取值過程不再贅述,僅給出部分輪壓的最不利布置情況及等效均布荷載,見圖17，圖18。等效均布荷載值見表4。

表4 不同區格情況下等效均布荷載

由表4可知,B2層頂中型車荷載取值在17.9 kN/m2～23.0 kN/m2之間;B1層頂大型車荷載取值在20.4 kN/m2～25.9 kN/m2之間,中型車停車位荷載取值17.9 kN/m2;1層頂大型車荷載取值24.7 kN/m2,中型車停車位荷載取值17.9 kN/m2。通過計算結果可以看出,建筑結構荷載規范所給車輛荷載標準值20.0 kN/m2相對于本工程較小,重型車輛荷載若按規范荷載取值,結構設計偏于不安全。

在本工程設計中,考慮到車輛超載、荷載冗余度等情況,對計算值進行適當放大,大型車行駛區域等效均布活荷載取值為35 kN/m2,中型車等效均布活荷載取值為25 kN/m2。

2.2 室內交易區荷載

1號～3號、5號～7號樓地上部分的建筑功能為農貿產品交易大廳,根據建筑功能的需求,農貿產品需在室內堆碼存放,故室內交易區建筑性質可定義為商業倉庫?！度珖裼媒ㄖこ淘O計技術措施(結構體系)》[5](下稱《全國技措》)附錄F中指出,庫房樓面的荷載應根據儲存商品的容重及堆碼高度等因素確定,并給出一般情況下,商業倉庫庫房樓面均布荷載取值,見表5。通過對農貿產品包裝容重的調研,對于肉類,包裝容重為350 kg/m3～500 kg/m3;對于不同品種蔬菜,包裝容重為200 kg/m3～300 kg/m3,故農貿產品屬于《全國技措》附錄F中綜合倉庫儲存商品的范疇,即包裝容重400 kg/m3～500 kg/m3,故室內交易區活荷載標準值取15 kN/m2。

表5 商業倉庫庫房樓(地)面均布活荷載

對于室內交易區內中型車可駛入的區域,活荷載按中型車等效均布荷載取值,即25 kN/m2。

2.3 冷庫區荷載

4號樓為冷庫樓,地上4層,建筑面積為40 000 m2,屬于大型冷庫。冷庫樓各層使用功能基本相同,見圖19。圖中陰影部分為冷庫穿堂,非陰影區為冷藏間。本工程冷庫樓活荷載取值依據GB 50072—2010冷庫設計規范[6],見表6。

表6 冷庫樓活荷載取值

3 結論

1)本文給出了北京鮮活農產品項目中三類不同建筑功能區域的活荷載取值,即重型貨車荷載、室內交易區荷載、冷庫區荷載,為今后物流綜合體類建筑荷載取值提供借鑒。2)對于重型貨車荷載,綜合考慮了重型貨車臺數、樓板跨度、覆土厚度等因素對等效均布荷載的影響。3)由于荷載規范附錄中給出的等效均布荷載取值方法在實際工程應用中適用性不強,本文采用有限元方法進行等效均布荷載計算,為等效荷載計算提供了一個快捷、合理的途徑。