舉高消防車登高操作場地荷載取值研究

張玉春

廊坊市消防救援支隊(duì)，河北 廊坊 065000

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，高層建筑不斷增多，高層建筑火災(zāi)也屢有發(fā)生。高層建筑火災(zāi)人員密集、疏散困難，僅依靠內(nèi)部設(shè)施的救援難度大，依托舉高消防車進(jìn)行的外部救援具有重大意義。而在高層建筑滅火救援過程中，舉高消防車體型龐大、展開困難，對場地要求嚴(yán)苛，普通登高操作場地?zé)o法滿足舉高消防車作業(yè)要求，導(dǎo)致舉高消防車無法順利實(shí)施滅火救援。為此，國內(nèi)多名學(xué)者對登高操作場地設(shè)置有關(guān)問題展開研究。楊震等［1］從41 t舉高消防車性能參數(shù)出發(fā)，利用模擬軟件對該車在不同情況下（不同車型組合、不同覆土厚度、撲救面等）的均布荷載進(jìn)行對比研究。萬瑞明［2］結(jié)合建設(shè)工程消防監(jiān)督管理要求，建議增加對登高操作場地和消防車道的要求并將其設(shè)置為強(qiáng)制性條文。蘇明濤等［3］結(jié)合舉高消防車的實(shí)際性能，對消防規(guī)范中消防車道、登高面、撲救場地的設(shè)置以及撲救場地的管理進(jìn)行補(bǔ)充。青劍［4］結(jié)合具體案例，提出登高操作場地設(shè)計(jì)中應(yīng)該遵循的防火設(shè)計(jì)原則和火災(zāi)防控技術(shù)與撲救對策，并對消防設(shè)計(jì)審查中所涉及的消防登高撲救面、防火分區(qū)、人員疏散以及避難層設(shè)置等方面存在主要問題進(jìn)行分析。劉瑞娟［5］從規(guī)劃總平面防火設(shè)計(jì)、建筑單體防火設(shè)計(jì)及建筑單元戶型防火設(shè)計(jì)等方面綜合分析，提出登高操作場地設(shè)計(jì)中應(yīng)該遵循的防火設(shè)計(jì)原則及要點(diǎn)。

上述研究多以具體建筑或具體舉高消防車為對象，缺乏普遍適用性。對舉高消防車的性能進(jìn)行研究，分析計(jì)算舉高消防車登高操作場地的荷載取值，對于提高消防救援隊(duì)伍高層建筑滅火救援和舉高消防車應(yīng)用能力具有重要意義。

1 舉高消防車發(fā)展概況

舉高消防車最早出現(xiàn)于1875 年，至今已有將近150 年歷史，其目的是開辟滅火救援的“第二戰(zhàn)場”，供救援人員及裝備從高處救援入口進(jìn)入建筑物內(nèi)部，以此提高火災(zāi)中被困人員生還率。

舉高消防車按底盤載重能力可劃分為微型、輕型、中型、重型。舉高消防車種類更多是按照用途劃分，可劃分云梯消防車、登高平臺消防車以及舉高噴射消防車。在這三類舉高消防車中，云梯消防車和舉高噴射消防車質(zhì)量多介于10～30 t之間，20～30 t舉高噴射消防車占比較多；登高平臺消防車質(zhì)量多為20～40 t 之間，也有超過40 t 的重型消防車。這三類舉高消防車最大工作高度也不同：云梯消防車最大工作高度多分布于25～50 m 區(qū)間內(nèi)；舉高噴射消防車最大工作高度則多為25 m 以下：登高平臺消防車最大工作高度雖多分布于25～75 m 區(qū)間內(nèi)，但也存在部分工作高度超過75 m 甚至100 m 的登高平臺消防車。

經(jīng)查閱資料，國內(nèi)外規(guī)范中對于登高操作場地的要求如表1 所示?，F(xiàn)階段消防規(guī)范中對于登高操作場地的規(guī)定多局限于對登高操作場地及消防車通道大小的要求，缺少對于登高操作場地承重能力的要求［6］。

表1 舉高消防車登高操作場地要求

2 舉高消防車登高操作場地荷載分析

舉高消防車在登高操作場地的荷載主要分為兩部分，即消防車輪荷載以及處于工作狀態(tài)時(shí)整車荷載。影響舉高消防車最大荷載值的主要因素有消防車質(zhì)量、可攜帶裝備質(zhì)量、最大工作高度與幅度、車輪著地面積、覆土厚度、樓板尺寸及厚度、簡支板尺寸、簡支板中心間距。

2.1 舉高消防車荷載面積計(jì)算

消防車對登高操作場地的荷載受到覆土厚度的影響。當(dāng)覆土厚度大于零時(shí)，覆土的擴(kuò)散作用會相應(yīng)地?cái)U(kuò)大車輪對登高操作場地的壓力受力面積，從而使輪壓荷載減小，覆土厚度越大，受力面積越大，荷載越小。當(dāng)覆土厚度為零時(shí)，登高操作場地的壓力受力面積即為輪胎著地面積。不僅場地覆土對輪壓有擴(kuò)散作用，而且混凝土樓板本身對車輪壓力也有擴(kuò)散作用。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012，以下簡稱《荷載規(guī)范》）附錄B，混凝土樓板情況下車輪壓力擴(kuò)散角通常為45°，如圖1所示。

圖1 單個(gè)輪壓擴(kuò)散示意圖

圖1 中厚度為s的覆蓋層攤鋪后的輪壓長度bsx和寬度bsy計(jì)算如式（1）和（2）所示：

式中：btx、bty分別為沒有覆土?xí)r的車輪輪壓長度和寬度，s、h分別為樓板上的覆土厚度和樓板厚度；θ為覆土的擴(kuò)散角，根據(jù)《荷載規(guī)范》，θ通常取35°。

由此可得出車輪等效荷載面積S=bsxbsy，由于輪胎間距固定，經(jīng)過一定深度的覆土擴(kuò)散后，場地上的輪壓面積會有一定程度的重疊，使得重疊區(qū)域內(nèi)的壓力較大。重疊次數(shù)越多，重疊區(qū)域的壓力越大。然而，由于主戰(zhàn)消防車車輪間距相對較大，輪壓重疊的情況可忽略不計(jì)。同理，消防車工作狀態(tài)時(shí)伸臂下所鋪墊的簡支板等效面積也可采用上述方法計(jì)算。

2.2 舉高消防車操作場地荷載

2.2.1 舉高消防車靜荷載

根據(jù)《荷載規(guī)范》附錄C，可確定舉高消防車荷載有效寬度b，從而確定單位均布荷載q，求出X 和Y方向兩跨中間彎矩之和Mx和My如式（3）和（4）所示：

式中：ν為混凝土的泊松比，工程計(jì)算中取0.2；Mx0、My0是ν為0時(shí)，四邊簡支雙向板上X、Y 方向的彎矩。對于均布荷載作用下正方形的四邊簡支雙向板Mx0=My0，故式（3）可以轉(zhuǎn)換成：Mx0=Mx/(1 +ν)。

進(jìn)而可求出彎矩計(jì)算系數(shù)β=Mx0/ql2，l為樓板跨度。然后求出消防車最不利布置時(shí)，輪壓局部荷載作用下四邊簡支雙向板X、Y 方向的跨中彎矩值M1和M2，取兩者的較大值為Mmax，其對應(yīng)的等效均布荷載qe=Mmax/[βl2(1 +ν)]。

2.2.2 舉高消防車荷載偏心放大系數(shù)

在舉高消防車處于工作狀態(tài)時(shí)，工作臂通常處在舉高消防車的左右兩側(cè)，工作臂所在側(cè)的簡支板荷載較另一側(cè)大。當(dāng)工作臂與車輛行駛方向垂直時(shí)，工作臂所在側(cè)簡支板荷載與工作臂未展開荷載之比即為荷載偏心放大系數(shù)k。

下面以芬蘭博浪濤F78HLA 登高平臺消防車為例，計(jì)算其工作時(shí)荷載偏心放大系數(shù)。F78HLA登高平臺消防車整車長15.8 m，寬2.5 m，高4 m，臂展采用曲臂型式，最大登高高度78 m，最大工作幅度30 m。整車質(zhì)量為46 t，可攜帶最多質(zhì)量為400 kg 的裝備。F78HLA登高平臺消防車處于工作狀態(tài)時(shí)，整車重量支撐在展開的四個(gè)工作臂上，每個(gè)工作臂與地面之間采用墊板。當(dāng)工作臂與車輛行駛方向垂直且工作幅度最大時(shí)，消防車最容易傾覆，此時(shí)，工作臂一側(cè)的支架對地面造成的荷載值最大，其工作狀態(tài)簡圖如圖2所示，通過以下計(jì)算可得出F78HLA 登高平臺消防車荷載偏心放大系數(shù)k。

圖2 工作臂最大工作幅度受力圖

根據(jù)圖2，設(shè)重心距消防車中心點(diǎn)水平距離為xm，可列出方程式為：

經(jīng)整理計(jì)算得到：Y1= 214.76 kN，Y2=249.24 kN。因此，F(xiàn)78HLA 的荷載偏心放大系數(shù)k=Y2/230 = 1.08。

2.2.3 舉高消防車輪荷載的動力放大系數(shù)

當(dāng)舉高消防車啟動和制動時(shí)，車輪的載荷會相應(yīng)增加，這就是消防車的動力效應(yīng)。根據(jù)覆土厚度的不同，車輪荷載應(yīng)放大相應(yīng)的倍數(shù)，該倍數(shù)μ稱為動力放大系數(shù)。當(dāng)土層厚度不小于0.7 m 時(shí)，車輪荷載的動力效應(yīng)可以忽略不計(jì)。根據(jù)《荷載規(guī)范》，搬運(yùn)和裝卸重物以及車輛起動和剎車的動力系數(shù)，可采用1.0～1.3。

3 某酒店舉高消防車登高操作場地荷載實(shí)測分析

3.1 酒店概況

該酒店總建筑面積140 666 m2，地下1 層，地上21 層，建筑高度93 m。主要使用功能為客房、商業(yè)中心、餐廳、KTV、會議中心等，屬于一類高層公共建筑。該建筑除第二層設(shè)置室外平臺以外，整體采用下大上小的設(shè)計(jì)，建筑逐層向上收緊。本案例選取104 m 的登高平臺消防車F104HLA 作為該高層建筑救援用消防車。

3.2 F104HLA登高平臺消防車最大荷載

3.2.1 工作狀態(tài)荷載

F104HLA 消防車整車長16.9 m，寬2.55 m，高3.96 m，臂展采用曲臂型式，最大登高高度104 m，最大工作幅度29.6 m。整車質(zhì)量為62 t，可攜帶最多質(zhì)量為500 kg 的裝備。F104HLA 消防車共有6 對車輪，其中2 對為前輪，4 對為后輪。前軸重2×90 kN，后軸重4×112.5 kN，輪壓荷載尺寸及車輪距（單位：mm）如圖3所示。

圖3 F104HLA消防車輪距與輪壓荷載面積示意圖

由前文可知，當(dāng)覆土厚度為0 時(shí)，輪壓荷載與工作狀態(tài)荷載最大。當(dāng)覆土厚度為0 時(shí)，設(shè)簡支板長1.0 m，寬1.0 m，地下室頂板選用6 m×6 m 樓板，厚度為0.1 m。

3.2.1.1 最大荷載偏心放大系數(shù)

當(dāng)F104HLA 登高平臺消防車處于工作狀態(tài)時(shí)，整車重量支撐在展開的四個(gè)工作臂上，每個(gè)工作臂與地面之間采用簡支板連接，當(dāng)工作臂方向與舉高消防車行駛方向垂直且工作幅度最大時(shí)，舉高消防車最容易傾覆，其對地荷載的偏心放大系數(shù)最大，此工作狀態(tài)受力簡圖如圖4所示。

圖4 F104HLA工作最大時(shí)受力簡圖

此時(shí)，設(shè)F104HLA 登高平臺消防車重心距消防車中心點(diǎn)水平距離為xm，可得出方程式為：620x-Y1(4.05 +x) = 5(29.6 -x) -Y2(4.05 -x)。經(jīng)整理計(jì)算可得：Y1= 294.23 kN，Y2= 330.77 kN。因此，F(xiàn)104HLA 登高平臺消防車最大荷載偏心放大系數(shù)k=Y2/310 = 1.067。

3.2.1.2 F104HLA 登高平臺消防車工作狀態(tài)對地最大荷載

簡支板在工作狀態(tài)時(shí)對地荷載等效作用面長度為：bcx=btx+ 2stanθ+h= 1.1 m，bcy=bty+ 2stanθ+h= 1.1 m，因?yàn)閎cx= bcy，bcx＜l，bcy＜0.6l，可得出：b=bcy+ 0.7l= 5.3 m。當(dāng)荷載中心距樓板非支承邊距離d＜b/2 = 2.65 m 時(shí)，即0.5 ≤d＜2.65 時(shí)，等效分布寬度b，=b/2 +d，即3.15 ≤b，＜5.3 m。

作用樓板表面的均布荷載q= 155/(1.0 ×b，)=155/b，，最大彎矩值當(dāng)b，= 3.15 m時(shí)，彎矩Mmax最大，為7.32 kN·m。

由此可知M0=Mmax/(1 +ν) = 6.1 kN·m，彎矩計(jì)算系數(shù)β=M0/ql2= 3.44 × 10-3，等效均布活荷載qe=Mmax/[βl2(1 +ν)]= 49.26 kN·m-2。當(dāng)d≥b/2時(shí)，即2.65 ≤d≤3 時(shí)，等效分布寬度即為b= 5.3 m，作用樓板表面的均布荷載q= 155/(1.0 × 5.3) =29.25 kN·m-2。此時(shí)，最大彎矩值4.35 kN·m。因此，彎矩計(jì)算系數(shù)β=M0/ql2= 3.44 × 10-3，等效均布活荷載qe=Mmax/[βl2(1 +ν)]= 29.27 kN·m-2。由此，最大等效均布活荷載qemax= 49.26 kN·m-2，單個(gè)簡支板工作狀態(tài)最大荷載qmax=kqemax= 52.56 kN·m-2。

3.2.2 F104HLA登高平臺消防車車輪荷載

3.2.2.1 前后輪荷載

該車前輪等效作用面長寬分別為：bsx1=btx1+ 2stanθ+h= 0.4 m，bsy1=bty1+ 2stanθ+h= 0.3 m。由于bsx1＞bsy1，bsx1＜0.6l，bsy1＜l，等效分布寬度b=bsy1+0.7l= 4.5 m，因?yàn)橄噜弮蓚€(gè)車輪局部荷載間距e=1.4 m ＜b，所以等效分布寬度b，=(b+e)/2 =2.95 m。作用樓板表面的均布荷載q= 45/2.95 ×0.3 = 50.85 kN·m-2，最大彎矩值7.56 kN·m，M0=Mmax/(1 +ν) = 6.30 kN·m，彎矩計(jì)算系數(shù)β=M0/ql2= 3.44 × 10-3，因此，前輪等效均布活荷載qe1=Mmax/[βl2(1 +ν)]= 50.87 kN·m-2。同理求得后輪等效均布活荷載qe2=Mmax/[βl2(1 +ν)]= 31.83 kN·m-2。

3.2.2.2 輪壓荷載最大值

根據(jù)上述計(jì)算，得到最大靜輪壓荷載為qe=50.87 kN·m-2，輪壓荷載最大動力系數(shù)為1.3，因此，最大單個(gè)輪壓荷載qmax=μqemax= 66.13 kN·m-2。

3.3 F104HLA登高平臺消防車場地最大荷載

在覆土厚度為0 時(shí)，F(xiàn)104HLA 對6 m×6 m×0.1 m的場地最大荷載為66.13 kN·m-2。在設(shè)計(jì)登高操作場地時(shí)，應(yīng)選擇型號為6 m×6 m×0.1 m 時(shí)，強(qiáng)度不低于66.13 kN·m-2的材料。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）第4.1.4 條，應(yīng)選擇強(qiáng)度不低于C15 的混凝土。根據(jù)上述計(jì)算過程并以此類推，可得出F104HLA 在地下室頂板選擇3 m×3 m×0.1 m、4 m×4 m×0.1 m、5 m×5 m×0.1 m 樓板時(shí)最大荷載值，并匯總?cè)绫?所示。

表2 F104HLA消防車在不同樓板上的最大荷載值

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段國內(nèi)外對于高層建筑舉高消防車登高操作場地的研究多涉及消防撲救面、消防車道的設(shè)計(jì)，對于舉高消防車登高操作場地的荷載值缺少明確要求。舉高消防車的荷載與消防車質(zhì)量、可攜帶裝備質(zhì)量、最大工作高度與幅度、車輪著地面積、覆土厚度、樓板尺寸及厚度、簡支板尺寸、簡支板中心間距等因素有關(guān)。對于舉高消防車的輪壓荷載，應(yīng)考慮其動力效應(yīng)，在靜荷載的基礎(chǔ)上乘以動力放大系數(shù)；對于消防撲救面的荷載，應(yīng)考慮登高平臺攜帶設(shè)備對車輛產(chǎn)生的荷載偏心放大效應(yīng)，在工作狀態(tài)最大荷載基礎(chǔ)上乘以荷載偏心放大系數(shù)［7］。對于具體高層建筑物，應(yīng)根據(jù)其高度所需使用的消防車，從而計(jì)算出其登高操作場地荷載，進(jìn)而對場地材料選擇提出建議。計(jì)算舉高消防車登高操作場地荷載時(shí)，應(yīng)以簡支板和車輪面積之和作為等效荷載面積，即消防車在最不利設(shè)置情況下的荷載值，將簡支板和車輪面積分開計(jì)算取較大值，此時(shí)計(jì)算結(jié)果可靠。