關(guān)于地下車庫(kù)頂板消防車荷載以及無(wú)梁樓板計(jì)算探討

【摘要】近年來(lái)，隨著國(guó)民生活水平提高以及城市化進(jìn)程，越來(lái)越多的綜合體項(xiàng)目，大型小區(qū)項(xiàng)目，都設(shè)有地下車庫(kù)以充分利用地下空間，地下車庫(kù)頂板又因?yàn)榉N植綠化物或埋設(shè)外網(wǎng)管道而設(shè)有一定厚度的覆土，且因消防要求往往在車庫(kù)頂板局部又設(shè)有消防車道，甚至有時(shí)還有人防荷載。這就給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)：在如此大的荷載之下要保證經(jīng)濟(jì)合理安全的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，既滿足業(yè)主的功能需求，又要滿足結(jié)構(gòu)正常使用安全指標(biāo)。這些年來(lái)經(jīng)過(guò)房地產(chǎn)行業(yè)以及設(shè)計(jì)行業(yè)的共同實(shí)踐和探討，無(wú)梁樓板以其不可替代的優(yōu)勢(shì)被越來(lái)越多的業(yè)主青睞，比如萬(wàn)達(dá)，萬(wàn)科等大型地產(chǎn)商，會(huì)直接指定設(shè)計(jì)院采用無(wú)梁樓板形式設(shè)計(jì)地下車庫(kù)，可見(jiàn)地庫(kù)無(wú)梁樓板的技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的重要性。無(wú)梁樓板具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，板底平整，建筑空間高，結(jié)構(gòu)高度小，施工速度快的優(yōu)點(diǎn)，但與梁板式相比，也具有抗震性能差，混凝土用量稍高的缺點(diǎn)，但用于地下車庫(kù)這種抗震要求不高的結(jié)構(gòu)，綜合經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)勢(shì)極其明顯。本文系統(tǒng)的討論了無(wú)梁樓板頂部覆土下消防車輪壓荷載的計(jì)算，并且對(duì)比了無(wú)梁樓板幾種計(jì)算方法，總結(jié)出在實(shí)際設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師宜采用何種方法更實(shí)用更準(zhǔn)確的進(jìn)行輪壓荷載計(jì)算以及無(wú)梁樓板的計(jì)算。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；消防車荷載；無(wú)梁樓板

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]GB50009-2012（以下簡(jiǎn)稱《荷規(guī)》）附錄B中規(guī)定了消防車活荷載考慮覆土厚度影響的折減系數(shù)，主要針對(duì)4米跨以內(nèi)的單向板和6米跨以內(nèi)的雙向板，而地下車庫(kù)無(wú)梁樓板往往柱網(wǎng)為8.1mx8.1m以上，故無(wú)法直接采用本表格?！逗梢?guī)》表5.1.1規(guī)定了消防車活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，即單向板時(shí)為35kN/m2，雙向板以及無(wú)梁樓板時(shí)為20kN/m2，這樣大的活荷載如果不經(jīng)過(guò)覆土輪壓折減的話，勢(shì)必會(huì)造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和配筋都極大?！逗梢?guī)》表5.1.1注1規(guī)定：“本表所給荷載適用于一般使用條件，當(dāng)使用荷載較大、情況特殊或有專門要求時(shí)，應(yīng)按實(shí)際情況采用”。注3規(guī)定：“消防車活荷載是適用于滿載總重為300kN的大型車輛；當(dāng)不符合本表的要求時(shí)，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?！?/p>

可見(jiàn)，根據(jù)以上規(guī)定，根據(jù)實(shí)際工程情況，應(yīng)充分利用覆土擴(kuò)散作用，對(duì)消防車活荷載進(jìn)行折減，既能保證結(jié)構(gòu)安全又能實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)效益。

1、無(wú)梁樓板消防車荷載計(jì)算

1.1計(jì)算依據(jù)

根據(jù)《荷規(guī)》條文說(shuō)明5.1.1：“計(jì)算中選用的消防車為重型消防車，全車總重300kN，前軸重為60kN，后軸重為2x120kN，有2個(gè)前輪與4個(gè)后輪，輪壓作用尺寸均為0.2mx0.6m.” 參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》【2】中的規(guī)定，如圖1所示：

依據(jù)《城市供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》【3】（CJJ105-2005）的規(guī)定，輪壓在土中的擴(kuò)散按深度每增加 1m，單邊擴(kuò)散寬度增加 0.7m 考慮，即相當(dāng)于擴(kuò)散角 α =35°。

1.2輪壓覆土擴(kuò)散計(jì)算方法

以本人曾經(jīng)做過(guò)的廊坊韓村農(nóng)民回遷樓項(xiàng)目中的地下車庫(kù)做實(shí)例來(lái)計(jì)算。柱網(wǎng)8.1mx8.1m，頂板覆土1.5m厚，雙向消防車道，考慮兩輛消防車并行輪壓荷載。考慮輪壓最不利布置，如圖2。

很明顯，輪壓經(jīng)擴(kuò)散后，等效荷載為q=（4x60kN）/（3.7mx4.5m）=14.4kN/m2

值得說(shuō)明的是，本文著重考察覆土層厚度即墊層厚度對(duì)局部荷載的擴(kuò)散折減作用，所以，只取用《荷規(guī)》附錄 B規(guī)定的局部荷載計(jì)算寬度的概念，從計(jì)算結(jié)果可看出，考慮覆土層厚度的擴(kuò)散作用所得到的消防車輪壓的計(jì)算寬度即可在很多情況下作為地下室頂板的均布活荷載（滿布或接近滿布板跨） ，而無(wú)須再按《荷載規(guī)范》附錄 B 的規(guī)定將該荷載再等效為樓面均布活荷載。一般情況下，要精確計(jì)算輪壓的等效均布荷載是比較困難的，且從工程設(shè)計(jì)角度看，也沒(méi)有必要?！暗刃А焙汀罢蹨p”的本質(zhì)都是“近似”，且其次數(shù)越多，誤差就越大。

2、無(wú)梁樓板計(jì)算方法

前面講述了無(wú)梁樓板頂部消防車荷載在覆土作用下的等效折減計(jì)算，荷載有了，下面我們討論一下無(wú)梁樓板的計(jì)算方法。目前國(guó)內(nèi)存在三種計(jì)算方法，下面我一一介紹。

2.1經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法是從國(guó)外引進(jìn)的計(jì)算無(wú)梁樓板最原始的方法。表1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算無(wú)梁樓板時(shí)，柱上板帶和跨中板帶彎矩分配比例。引自《鋼筋混凝土升板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》【4】GBJ130-90。

但是，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算無(wú)梁樓板必須要滿足以下條件：

（1）每個(gè)方向至少有三個(gè)連續(xù)跨。

（2）任一區(qū)格長(zhǎng)邊與短邊之比不大于1.5。

（3）同一方向相鄰跨度跨長(zhǎng)變化不超過(guò)較長(zhǎng)跨的1/3。

（4）所有荷載均為豎向均布荷載，活荷載與恒載之比≤3。

而在現(xiàn)實(shí)工程設(shè)計(jì)中，往往很難滿足這四個(gè)前提條件，仍然以本人所設(shè)計(jì)的廊坊韓村農(nóng)民回遷樓項(xiàng)目為例，如上圖：

很明顯，因地下車庫(kù)坡道的設(shè)置，與地下室外墻之間，僅僅剩了一跨，不能滿足連續(xù)三跨的條件，且柱網(wǎng)設(shè)置AB跨與BC跨的差距（8100-4700）/8100=1/2.38>1/3，亦不能滿足第（3）條要求，7，8軸與B，C軸之間的板塊，8100/4700=1.73>1.5，不滿足第（2）條。

可見(jiàn)，現(xiàn)實(shí)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，有很大的局限性。

2.2等代框架法

無(wú)梁樓板為支撐在柱頂?shù)牡却?，考慮支撐柱（墻）對(duì)等代梁的約束作用，將等代梁與支撐柱（墻）視為連續(xù)結(jié)構(gòu)，則構(gòu)成了平面等代框架，豎向荷載下可求解無(wú)側(cè)移等代框架各桿件的內(nèi)力。等代框架法在豎向荷載作用下，不受經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法限制條件的局限，被大量用于工程設(shè)計(jì)中。接下來(lái)仍以本人設(shè)計(jì)廊坊農(nóng)民回遷樓項(xiàng)目為實(shí)例，利用理正軟件進(jìn)行等代框架法計(jì)算。

消防車輪壓荷載經(jīng)之前計(jì)算為14.4kN/m2，考慮將來(lái)使用過(guò)程中業(yè)主在頂板覆土上庭院綠化及建筑小品等靈活位置堆載，活荷載做適當(dāng)增加，按20kN/m2。

1.2x43.4+1.4x20=80kN/m2

1.35x43.4+0.7x1.4x20=78.2kN/m2

頂板荷載設(shè)計(jì)值取80kN/m2

理正軟件設(shè)置中，恒載直接輸入荷載設(shè)計(jì)值。恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.0，活載及其分項(xiàng)系數(shù)取0，板重取0。柱帽尺寸：3000（托板寬）x3000（托板寬）。取5跨進(jìn)行等代框架計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下：

2.3精細(xì)有限元計(jì)算法

精細(xì)有限元計(jì)算法，就是不再對(duì)無(wú)梁樓板進(jìn)行人為簡(jiǎn)化和等代，而是利用MIDAS，SAP2000，以及PKPM中的SLABCAD模塊，進(jìn)行真實(shí)的三維建模進(jìn)行有限元分析，本方法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果，柱帽位置局部會(huì)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)配筋值極大現(xiàn)象，故當(dāng)柱網(wǎng)及板塊極不規(guī)則時(shí)，可用有限元計(jì)算方法進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

結(jié)論：

本文討論了地下車庫(kù)頂板的覆土對(duì)消防車輪壓荷載的擴(kuò)散作用，分析結(jié)果表明，覆土深度對(duì)消防車荷載有極大的折減作用，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽視的要點(diǎn)。文章對(duì)比了無(wú)梁樓板三種計(jì)算方法的原理及計(jì)算方式，得出結(jié)論，最適合目前工程現(xiàn)狀的設(shè)計(jì)方法為等代框架法，當(dāng)遇到極其復(fù)雜且不規(guī)則的柱網(wǎng)及板塊時(shí)，須采用有限元法進(jìn)行精細(xì)計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[2]JTGD60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范.北京：人民交通出版社.

[3]CJJ105-2005城市供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[4]GBJ130-90鋼筋混凝土升板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

作者簡(jiǎn)介：

王金（身份證：130282198202233314）。

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