地下室頂板運渣車等效均布活荷載取值分析

雷　云， 陳文明

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610041)

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地下室頂板運渣車等效均布活荷載取值分析

雷云， 陳文明

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610041)

【摘要】針對用作臨時施工通道需要行駛運渣車的地下室頂板，根據(jù)荷載效應(yīng)等效原則計算了2～4 m的單向板、3～8.1 m的雙向板、柱距8.1 m的框架次梁和主梁在不同滿載重量的運渣車輪壓下的等效均布活荷載，為工程設(shè)計和現(xiàn)場施工提供參考。

【關(guān)鍵詞】地下室頂板；運渣車；等效均布活荷載

在某些施工場地局促或?qū)κ┕ねǖ烙刑囟ㄒ蟮墓こ添椖恐?，?jīng)常需要將已經(jīng)施工完畢的地下室頂板的局部范圍用作現(xiàn)場臨時施工通道，此時地下室頂板上可能行駛各種施工車輛，如混凝土泵車、小型貨車和運渣車，其中車輛荷載變化較大的是運渣車。根據(jù) GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]表5.1.1注3“……當不符合本表的要求時，應(yīng)將車輪的局部荷載按結(jié)構(gòu)效應(yīng)的等效原則，換算為等效均布荷載”，應(yīng)將不同重量的運渣車按照結(jié)構(gòu)效應(yīng)等效原則換算為等效均布活荷載后驗算地下室頂板的受力性能。在實際工程中，由于等效均布活荷載的計算過程較為繁瑣、設(shè)計與施工周期短等各種原因，大都未進行等效均布活荷載的計算。施工時僅采取簡單的措施或未采取任何措施便將運渣車輛行駛至地下室頂板上，設(shè)計人員又未進行地下室頂板配筋的復(fù)核，對于地下室頂板的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件存在較大的安全風(fēng)險。

資料表明，現(xiàn)場施工中采用的運渣車多為三車軸式的重型自卸車，軸距、輪距和車輪數(shù)等參數(shù)變化不大。運渣車的眾多參數(shù)中，對地下室頂板等效均布活荷載取值影響最大的是空車重量、貨箱長度、貨箱寬度、貨箱高度和渣土重度?？哲囍亓?、貨箱長度、貨箱寬度在車輛出廠時已經(jīng)確定，變化范圍較?。滑F(xiàn)場施工時為了增大貨箱容積可能出現(xiàn)增加貨箱高度的情況，且貨箱高度的變化范圍較大；渣土的重度也存在較大的變化，如松散裝載的黏土和密實裝載的飽和含水砂土的重度相差較大。因此本文分析時將三車軸式的渣土車的總重量劃分為300 kN、350 kN、400 kN、450 kN、500 kN、550 kN、600 kN、650 kN和700 kN共9個等級。

本文主要針對跨度為2～4 m的單向板、跨度3～8.1 m的雙向板、柱距8.1 m次梁井字布置的框架的次梁和主梁，綜合考慮運渣車臺數(shù)、樓板跨度、板長寬比等因素的影響，按照荷載最不利布置的原則確定運渣車布置，基于ANSYS有限元軟件，采用APDL語言建立高效率的參數(shù)化等效均布活荷載研究模型，直接根據(jù)構(gòu)件效應(yīng)等效原則計算了上述構(gòu)件的等效均布活荷載，其結(jié)果可供結(jié)構(gòu)設(shè)計和現(xiàn)場施工參考。

1計算依據(jù)

1.1運渣車規(guī)格及荷載分布

《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計手冊》(第二版)[2]附錄三車輛荷載中詳細介紹了我國現(xiàn)有汽車荷載的主要技術(shù)指標。滿載300 kN汽車全車總重300 kN，前軸重60 kN，后軸重2×120 kN，有2個前輪和4個后輪，前輪著地尺寸為0.2 m(縱向)×0.3 m(橫向)，后輪著地尺寸為0.2 m(縱向)×0.6 m(橫向)。車輪的平面尺寸和橫向布置參照《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施(結(jié)構(gòu))》[3]，該參數(shù)與收集資料中的三車軸式重型自卸車的較為吻合，如圖1所示。結(jié)合前文分析以及中國卡車網(wǎng)的收集數(shù)據(jù)，本文取渣土車的空車重量為120 kN，渣土車的滿載重量為300～700 kN，各根軸的軸重按照前軸20%、后軸40%+40%進行分配。

圖1　運渣車的尺寸和橫向布置(單位:mm)

運渣車在地下室頂板行駛時通常按車隊進行，本文分析時根據(jù)可能出現(xiàn)的情況將滿載車輛作為一個車隊和空車作為一個車隊對向行駛，同一車隊內(nèi)車輛縱向凈距取為1.5 m，兩個車隊之間的車輛橫向凈距取為0.6 m，其平面布置如圖2所示。

圖2　運渣車車隊縱向和橫向布置(單位:mm)

1.2覆土厚度與輪壓擴散

(1)

式中：s為實際覆土厚度；θ為覆土應(yīng)力擴散角，不大于45°。CJJ 105-2005《城市供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]附錄C中將覆土應(yīng)力擴散角取為35°，假定輪壓在混凝土板中的應(yīng)力擴散角為45°，則擴散后受力面積邊長的計算公式為：

(2)

(3)

式中：bx、by為輪壓作用在兩個方向的計算寬度；btx、bty為輪壓作用在兩個方向的寬度，此處則為輪胎著地尺寸；s為實際覆土厚度；h為樓板厚度。

本文分析地下室頂板運渣車等效均布活荷載時，由于實際工程中施工階段地下室頂板通常未進行覆土，因此暫不考慮地下室頂板覆土的影響。

1.3輪壓下的有限元計算模型

本文采用ANSYS中的Shell181殼元模擬樓板，單元網(wǎng)格尺寸為0.05 m×0.05 m，采用Beam188梁元模擬梁柱單元，單元長度為0.05 m。計算樓板等效均布活荷載時單向板跨度為2 m×6 m、3 m×9 m、4 m×12 m，雙向板跨度為3 m×3 m、4 m×4 m、5 m×5 m、6 m×6 m、8.1 m×8.1 m，板厚取為0.16 m，樓板四邊簡支。計算次梁和主梁等效均布活荷載時采用1跨×5跨框架，柱距為8.1 m，次梁井字布置，次梁間距為2 700，板厚取為0.16 m，次梁截面為0.3 m×0.7 m，主梁截面為0.4 m×0.9 m，柱截面為0.6 m×0.6 m，柱底固定?；炷恋膹椥阅Ａ咳c=30 000 MPa，泊松比取0.2。計算運渣車等效均布荷載時首先在模型上施加1 kN/m2的單位均布荷載，求得此時最大的剪力V1和最大的彎矩M1，再通過最不利布置計算得到構(gòu)件的最大剪力Vmax和最大彎矩Mmax。等效均布荷載按下式計算：

(4)

2樓板計算

2.1單向板

以3 m×9 m的單向板計算為例，經(jīng)過多種比較計算得到的運渣車最不利布置如圖3所示。3 m×9 m的單向板在單位荷載作用下的彎矩如圖4所示，在300 kN運渣車輪壓作用下的彎矩如圖5所示。

圖3　3 m×9 m樓板計算時的運渣車最不利布置

根據(jù)圖4、圖5和公式(4)計算3 m×9 m單向板300 kN運渣車的等效均布活荷載，如下式：

24.51kN/m2

(a) X向彎矩　　　　　　　　　(b) Y向彎矩圖4　3 m×9 m樓板在單位荷載作用下的彎矩

(a) X向彎矩　　　　　　　　　(b) Y向彎矩圖5　3 m×9 m樓板在300 kN運渣車輪壓作用下的彎矩

參照上述計算原則，得到2 m×6 m、3 m×9 m和4 m×12 m單向板在300～700 kN運渣車下的等效均布荷載，如表1和圖6所示。

表1　單向板的運渣車等效均布活荷載　kN/m2

圖6　單向板運渣車等效均布活荷載

從表1和圖6可以看出，隨著樓板跨度的增大，運渣車的等效均布活荷載逐漸減??；隨著運渣車滿載重量的增大，運渣車的等效均布活荷載逐漸增大。因假定車輪的荷載按照固定比例進行分配，等效均布活荷載隨滿載重量增大基本呈線性增大。

2.2雙向板

雙向板的計算方法與單向板相同，計算結(jié)果如表2和圖7所示。

表2　雙向板的運渣車等效均布活荷載　kN/m2

從表2和圖7可以看出，雙向板運渣車的等效均布活荷載規(guī)律與單向板相同，隨跨度的增大而減小，隨滿載重量的增大基本呈線性增大。表1和表2進行比較可以發(fā)現(xiàn)，同樣的計算跨度，3 m×9 m的單向板等效均布活荷載要小于3 m×3 m的雙向板等效均布活荷載，是因為讓運渣車輪壓使長向長度更長的單向板內(nèi)達到等效荷載對應(yīng)的效應(yīng)值的概率要小。

圖7　雙向板運渣車等效均布活荷載

3次梁計算

以滿載重量為300 kN的運渣車為例，經(jīng)過多種比較計算得到的運渣車最不利布置如圖8所示。

8.1 m柱距1跨×5跨框架在單位荷載下的彎矩和剪力計算結(jié)果如圖9所示，在最不利布置下的彎矩和剪力計算結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)公式(1)得到8.1 m柱距1跨×5跨框架次梁的不同滿載重量運渣車等效均布荷載，如表3所示。

圖8　8.1 m柱距1跨×5跨框架次梁計算時的最不利布置

(a) 彎矩圖　　　　　　　　　(b) 剪力圖圖9　8.1 m柱距1跨×5跨框架梁在單位荷載下的內(nèi)力圖

kN/m2

4主梁計算

主梁的計算方法與次梁計算方法相同。

以滿載重量為300 kN的運渣車為例，經(jīng)過多種比較計算得到的運渣車最不利布置如圖8所示。8.1 m柱距1跨×5跨框架主梁的不同滿載重量運渣車等效均布荷載如表4所示。

(a) 彎矩圖　　　　　　　　　(b) 剪力圖圖10　8.1 m柱距1跨×5跨框架梁在300 kN運渣車下的內(nèi)力圖

kN/m2

將8.1 m柱距1跨×5跨框架次梁和主梁的運渣車等效荷載繪制在同一表格中如圖11所示。

圖11　主梁與次梁運渣車等效均布荷載

從表3、表4和圖11可以看出，8.1 m柱距1跨×5跨框架的次梁和框架梁的運渣車等效均布荷載隨滿載重量的增大基本呈線性增大，次梁的等效均布荷載大于主梁的等效均布荷載。

5動力系數(shù)K的取值

按GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]第5.6.2條“搬運和裝卸重物以及車輛啟動和剎車的動力系數(shù)，可采用1.1～1.3；其動力系數(shù)只傳至樓板和梁”。對于運渣車而言，起動和剎車隨時都可能存在，且用作施工通道的地下室頂板通常未進行覆土，因此運渣車等效均布荷載的動力系數(shù)K應(yīng)根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]進行取值。冷軋帶肋鋼筋、冷拉鋼筋等經(jīng)冷加工的鋼筋伸長率低、塑性變形能力差，延性不好，而運渣車的起動和剎車均產(chǎn)生的是動力作用，因此地下室頂板用作臨時施工通道需要形式運渣車時，頂板鋼筋不宜采用冷加工處理的鋼筋。

6結(jié)論

(1)單向板和雙向板隨著運渣車滿載重量的增大，運渣車等效均布荷載基本呈線性增大；隨著板跨度的增大，運渣車等效均布荷載值逐漸減小；在相同跨度條件下，單向板的

等效均布荷載值較雙向板的小。

(2)8.1 m柱距的1跨×5跨框架的次梁與主梁的運渣車等效荷載值隨著滿載重量的增大基本呈線性增大，次梁的等效均布荷載值要小于主梁的值。

(3)地下室頂板作為臨時施工通道需要行走運渣車時，需要配合施工方案對地下室頂板構(gòu)件進行驗算復(fù)核；現(xiàn)場施工時也應(yīng)根地下室頂板的設(shè)計荷載，選擇合適重量的運渣車進行現(xiàn)場運輸。

參考文獻

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[作者簡介]雷云(1983～),男，碩士，工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

【中圖分類號】TU312+.1

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2015-11-04