高噸位登高消防車等效荷載取值研究

郭志文

(湖南省建筑設(shè)計(jì)院集團(tuán)股份有限公司,湖南 長沙 410012)

0 引言

隨著高層建筑數(shù)量的快速增加,登高消防車成為了應(yīng)對高層建筑火災(zāi)的重要手段之一[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展,登高消防車所能達(dá)到的高度也在不斷增大,目前大多城市都配置了由芬蘭某公司生產(chǎn)的登高更高噸位更重的消防車[2]。以江西某地消防支隊(duì)購入的F90HLA登高消防車[3]為例,滿載約49 t,有效登高度為90 m。

供大型消防車通行和停靠作業(yè)的消防車道其等效均布活荷載取值應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)毓矙C(jī)關(guān)消防機(jī)構(gòu)最大現(xiàn)已裝備的消防車輛滿載總重,將其車輪的移動(dòng)集中荷載按結(jié)構(gòu)效應(yīng)等效原則換算為等效均布荷載。《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》[4](簡稱《通規(guī)》)表4.2.3中以及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5](簡稱《荷規(guī)》)第5.1.1節(jié)中僅對滿載總重為300 kN(30 t)消防車的樓面等效均布荷載做出規(guī)定,對不符合要求的其他類型消防車作用下的等效均布荷載尚缺乏權(quán)威資料,設(shè)計(jì)人員因此也無規(guī)可循。本文以90 m登高消防車(49 t)作用于特定尺寸范圍內(nèi)樓板的計(jì)算以及相關(guān)因素拓展分析,為工程設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)方法及取值參考。

1 登高消防車技術(shù)參數(shù)

通過查閱文獻(xiàn)[6]以及根據(jù)江西某地消防支隊(duì)提供的相關(guān)消防車輛技術(shù)參數(shù)(90 m登高消防車型號F90HLA,滿載約49 t)繪制示意圖詳見圖1。圖1中荷載為單側(cè)輪壓或支腿壓力,支腿與輪胎不同時(shí)作用。車輛前軸重9 000 kg;中軸重9 000 kg;后軸第一軸重11 000 kg、第二軸重11 000 kg、第三軸重9 500 kg,共計(jì)2個(gè)前輪、8個(gè)后輪。車長15 645 mm,車寬2 795 mm,滿載總質(zhì)量48 634 kg。車輛工作狀態(tài)時(shí)四個(gè)支腿所承受最大重量,每個(gè)支腿承受最大載重25.5 t。每個(gè)支腿通過木質(zhì)墊板與地面接觸,受荷面積取1.0 m×1.0 m。四個(gè)支腿相對輪軸的平面尺寸:縱向6 900 mm,橫向7 000 mm。

2 計(jì)算條件及原則

采用ANSYS有限元軟件[7]分別建立了不同板跨下各荷載工況下的計(jì)算模型[8],模型所采用單元類型[9]及材料參數(shù)見表1。

表1 有限元模型的單元類型及材料參數(shù)

按常見板跨列表項(xiàng),計(jì)算2 m單向板、3 m×3 m雙向板、6 m×6 m雙向板共三種情況。板支承形式均采用簡支,板厚按180 mm計(jì)算,板上部建筑墊層按100 mm考慮,考慮覆土影響。車輛啟動(dòng)和剎止時(shí)的荷載動(dòng)力系數(shù)μd可參照《給水排水工程埋地玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[10]中表4.2.5以及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[11]4.3.2條第6款規(guī)定取值。無覆土工況在計(jì)算輪壓時(shí)取動(dòng)力系數(shù)1.30,覆土厚度為0.5 m工況時(shí)取動(dòng)力系數(shù)1.14,覆土厚度大于0.7 m工況時(shí)取動(dòng)力系數(shù)1.0,按跨中最大彎矩相等的原則計(jì)算等效均布活荷載[12]。單向板局部荷載的等效均布活荷載根據(jù)《荷規(guī)》附錄C0.4和C0.5計(jì)算求得;雙向板局部荷載的等效均布活荷載根據(jù)《荷規(guī)》附錄C.0.6及《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算使用手冊》[13]的方法,按彈性薄板小撓度理論[14]計(jì)算四邊簡支雙向樓板兩個(gè)方向的跨內(nèi)彎矩時(shí),可按式(1),式(2)求得:

(1)

(2)

其中,Mx,My均為v=0時(shí)的跨中彎矩。

均布荷載作用下的正方形樓板跨中彎矩Mx=My,故式(1),式(2)可以轉(zhuǎn)換成式(3),式(4):

(3)

(4)

按查表法計(jì)算:Mx,y=彎矩系數(shù)C×ql2。

C=Mx,y/(qel2)

(5)

qe=Mmax/[(1+v)(Cl2)]

(6)

其中,v為泊松比,對鋼筋混凝土板可取1/6;l為樓板跨度;C為彎矩系數(shù),查表法[15]得,對于正方形板跨Cx=Cy=0.036 8。代入式(6)得出簡化式子:qe=Mmax/(0.042 9l2)。

3 覆土影響

消防車輪壓及支腿作用于樓板時(shí),作用面會(huì)通過覆土、墊層以及樓板進(jìn)行擴(kuò)散。當(dāng)有覆土?xí)r,樓板上的作用面會(huì)由于土的擴(kuò)散作用[16]而放大,導(dǎo)致壓強(qiáng)變小。隨著覆土厚度的增加,擴(kuò)散后的作用面增大。各輪壓作用面隨著覆土深度增加會(huì)出現(xiàn)重疊[17],詳見圖2。輪壓計(jì)算面按45°擴(kuò)散至樓板底[18]。經(jīng)覆土及樓板擴(kuò)散后的輪壓作用面寬度bsx和長度bsy按式(7),式(8)計(jì)算:

bsx=btx+2(stanθ+h+b/2)

(7)

bsy=bty+2(stanθ+h+b/2)

(8)

其中,btx,bty分別為無覆土?xí)r的輪壓作用面寬度和長度;s為實(shí)際覆土厚度;b為實(shí)際樓板厚度;h為建筑墊層厚度;θ為土的擴(kuò)散角,一般取35°。

輪壓作用面擴(kuò)散后的壓強(qiáng)按式(9)計(jì)算:

P=μd·F/(bsx·bsy)

(9)

其中,μd為動(dòng)力系數(shù);F為輪壓。

4 輪壓布置及計(jì)算簡圖

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[19-20],結(jié)合工程實(shí)際,選取如下不同板跨下的荷載作用工況。

1)2 m跨度單向板消防車道及登高場地下的最不利輪壓布置如圖3所示,分別取車輛第5軸輪壓;第3軸,4軸輪壓短邊平行受力方向;第3(4)軸輪壓全部作用;第3軸—第5軸輪壓單邊共同作用;登高場地支腿輪壓作用于板跨中5種工況。

2)3 m×3 m跨度雙向板消防車道及登高場地下的最不利輪壓布置如圖4,圖5所示,分別取車輛第3軸,4軸雙邊輪壓;第4軸,5軸雙邊輪壓;第3(4)軸單邊輪壓;第3軸,4軸單邊輪壓共同作用;第4軸,5軸單邊輪壓共同作用;登高場地支腿輪壓作用于板跨中6種工況。

3)6 m×6 m跨度雙向板消防車道及登高場地下的最不利輪壓布置如圖6所示,分別取第3軸、4軸、5軸雙邊輪壓共同作用以及登高場地支腿輪壓作用于板跨中2種工況。

根據(jù)式(7),式(8)及式(9)計(jì)算不同覆土厚度下的輪壓作用面擴(kuò)散后的尺寸及壓強(qiáng),結(jié)果詳如表2所示。

表2 不同覆土厚度下的單輪壓作用面擴(kuò)散尺寸及壓強(qiáng)

5 等效均布荷載取值算例及結(jié)果分析

由于各工況下的計(jì)算模型差異不大,僅是荷載和尺寸的區(qū)別,建模手段一致,故以6 m×6 m跨度雙向板取第3軸,4軸,5軸雙邊輪壓共同作用工況(工況1)為例,建立ANSYS計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

按上述輪壓布置及計(jì)算簡圖計(jì)算登高消防車作用在三種板跨及四種覆土厚度工況下板底最大彎矩如表3所示。

表3 不同覆土厚度及板跨下的最大彎矩計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《荷規(guī)》附錄C.0.4及C.0.5計(jì)算單向板上的等效均布活荷載以及上述式(6)換算成等效均布活荷載如表4所示。

表4 不同覆土厚度及板跨下的等效均布荷載計(jì)算結(jié)果

由上述計(jì)算結(jié)果可知,相同板跨,隨著覆土厚度的增加,消防車等效均布荷載逐漸減少,且減少的幅度隨覆土厚度增加而減小。不同板跨之間,跨度越小,等效均布荷載隨著覆土厚度增大而降低的幅度越大,即覆土厚度的影響對小跨度板更加顯著。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)匯總得出等效均布活荷載取值建議如表5所示,記錄不同板跨下,按消防車道及登高場地兩種場地工況分別統(tǒng)計(jì)等效荷載最大值。由表5可知,49 t級消防車在消防車道上的等效均布活荷載與現(xiàn)行《荷規(guī)》及《通規(guī)》中規(guī)定的30 t級消防車取值相差不大,可相互參考取值,表中計(jì)算值小于規(guī)范值時(shí)均取規(guī)范值。但應(yīng)注意登高場地上的等效均布活荷載,其值遠(yuǎn)超于規(guī)范值,應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況考慮。

6 結(jié)論

1)49 t級登高消防車作用于消防車道上樓板的等效均布荷載與現(xiàn)行《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》規(guī)定的30 t級消防車情況相差不大,在板跨較大且覆土較小時(shí)略會(huì)高于規(guī)范值。2)等效均布活荷載輸入時(shí),應(yīng)區(qū)分消防車道和登高場地,當(dāng)板跨較大且覆土厚度較小時(shí),應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)復(fù)核消防登高場地的等效均布活荷載值。3)本文所取計(jì)算板跨最大為6 m,計(jì)算時(shí)未考慮多臺消防車的組合作用以及登高場地的荷載偏心;當(dāng)板跨大于6 m時(shí),應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況考慮多臺消防車組合作用;偏心作用可通過計(jì)算值乘以偏心放大系數(shù)考慮。4)本文可為同類型消防車荷載的等效均布活荷載提供取值建議。也可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況在本文結(jié)論基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。