重型貨車停車庫等效均布活荷載取值研究

周國偉，朱祖敬

（1、廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司 廣州 510507；2、廣州市設(shè)計院集團有限公司 廣州 510620）

0 引言

文獻［1］中的客車停車庫及車道的活荷載僅考慮由小轎車、吉普車、小型旅行車的車輪局部荷載及其他必要的維修設(shè)備荷載，對于特殊車輛荷載的等效均布活荷載問題，國內(nèi)外專家學(xué)者已進行了較多研究，研究重點主要針對消防車荷載［2-4］。文獻［2-3］分別研究了30 t及78 t的重型消防車在不同覆土厚度下的等效均布活荷載；文獻［4］針對地下空間頂板用于主干道時的等效車輛荷載進行了研究；范重等人［5］對小型客車停車庫在多種柱網(wǎng)尺寸下的均布活荷載取值進行了研究；趙建峰［6］對河北、上海、浙江3 個地區(qū)的特重車荷載參數(shù)進行了統(tǒng)計分析。

近年來，在物流樞紐基建項目中，出于貨物調(diào)度的需求，出現(xiàn)了貨車停車樓這一業(yè)態(tài)。貨車按載重量大小可分為輕卡、中卡、重卡幾種類型，每種類型的貨車尺寸及載重參數(shù)均不相同，在結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載取值時，需進行專門研究。其中，重型貨車停車庫主要有以下幾個特點：①超長車身（通常為12 m）導(dǎo)致結(jié)構(gòu)柱距遠超常規(guī)停車庫；②輪壓與樓板直接接觸，基本無擴散角，因此無需考慮輪壓擴散折減；③車軸數(shù)量多、軸重大，導(dǎo)致樓板設(shè)計時的等效活荷載取值可能較大；④大柱距導(dǎo)致主梁、次梁受荷面積大，主梁、次梁設(shè)計時的等效活荷載折減系數(shù)需專門研究。

針對以上問題，本文以廣州東部某交通物流樞紐基建項目中的車輛調(diào)度場為例，通過收集市場常見的重型貨車參數(shù)，確定了重型貨車停車樓車輛荷載計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于初設(shè)階段的井字梁布置方案，考慮輪壓不利布置，計算了樓板等效均布活荷載。在研究主梁、次梁的等效均布活荷載時，考慮重型貨車車身較長的特點，采用移動荷載分析手段模擬貨車車隊在樓板上的移動過程，得出主、次梁在實際使用時可能產(chǎn)生的最大內(nèi)力，以此換算主、次梁等效均布活荷載。本文的分析思路，可供其他車輛類型的荷載研究參考。

1 車身參數(shù)及軸荷

《道路車輛外廊尺寸、軸荷及質(zhì)量限值：GB 1589—2004》［7］中，對各類車輛的輪廓尺寸、最大軸重均有明確規(guī)定，其中，貨車車長限值為12 m，車寬限值為2.5 m。車輛外形的主要參數(shù)由前懸長度、軸數(shù)及軸距、后懸長度組成，詳見圖1所示，這些參數(shù)與車輛等效均布活荷載計算密切相關(guān)。

圖1 貨車車身參數(shù)示意Fig.1 Truck Body Parameters

以重卡貨車為例，通過收集市場常見重型貨車品牌的參數(shù)，如表1 所示，確定了常用貨車的軸數(shù)及軸距，用于后續(xù)的荷載分析。從表1可以看出，重卡貨車通常為4軸，前、后軸數(shù)各為2根，前軸每側(cè)單車輪，后軸為雙車輪。車身尺寸按文獻［7］上限設(shè)計，以12 m居多，前軸距為1.8～2.1 m，中軸距為4.1～5.05 m，后軸距各品牌基本一致，為1.35 m；各品牌前、后輪距差別亦較小，滿載質(zhì)量均為31 t。

表1 重卡貨車品牌參數(shù)Tab.1 Heavy Truck Brand Parameters

用于分析的貨車車身參數(shù)詳見表2，表2 中的中卡和輕卡車身參數(shù)基于同樣的收集方式獲得，供同類項目參考，本文后續(xù)分析以重卡貨車為例。

表2 用于分析的貨車車身參數(shù)Tab.2 Truck Body Parameters for Analysis

重卡貨車車軸荷載取值參照文獻［7］中的軸荷限值確定（前軸70 kN，后軸120 kN）。單輪及雙輪接地面積分別按0.2 m×0.3 m 及0.2 m×0.6 m 考慮，后續(xù)分析的前、后輪輪壓分別取為600 kPa 及500 kPa，全車總重按各軸荷總和考慮取37 t，大于表1 中的滿載質(zhì)量，可認為考慮20%的超載。

2 工程背景

本工程為廣州東部某物流樞紐中心的車輛調(diào)度場，建筑平面布置詳圖2。由于重卡貨車車身較長，應(yīng)盡量減少掉頭、倒車入庫等操作，建筑采用兩側(cè)停車的布局方式，中間為單向車道，通過兩端回轉(zhuǎn)平臺實現(xiàn)車流循環(huán)組織。停車位區(qū)域結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)為15 m×15 m，采用井字梁布置，樓板跨度為5 m×5 m。兩端回轉(zhuǎn)平臺柱跨24 m，單個車位尺寸為4 m×15 m。

圖2 重型貨車停車庫建筑平面布置Fig.2 Building Layout of Heavy Truck Parking Garage（mm）

3 樓板等效均布活荷載

樓板等效均布活載可按四邊簡支板最大彎矩等值確定，可表達為：

式中：q0為單位均布荷載；M0為單位均布荷載下的樓板跨中最大彎矩，可按《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》［8］計算；Mmax為輪壓作用下的樓板最大彎矩，可采用有限元計算軟件分析求得。車輛緊密排列下的輪壓位置示意如圖3所示，陰影區(qū)為5 m×5 m樓板。

圖3 重卡貨車前、后輪壓不利布置Fig.3 Unfavorable Arrangement of Front and Rear Wheel Pressure of Heavy Truck （mm）

采用SAP2000 進行建模分析，對樓板殼單元按輪壓接地尺寸進行網(wǎng)格劃分，輪壓布置示意詳見圖4，從左至右依次對應(yīng)圖3?～圖3?工況。由于后輪車軸重量顯著大于前輪車軸，計算結(jié)果表明，后輪輪壓對樓板彎矩起控制作用。后輪輪壓作用下兩個方向的樓板彎矩云圖如圖5 所示，其中，上、下排分別為繞x、y軸方向的彎矩。輪壓作用下的樓板彎矩計算值及等效均布荷載統(tǒng)計如表3所示，由表3可知，本工程井字梁樓蓋的樓板等效均布活荷載最大為圖3?工況下的26.13 kPa，幾種不利工況布置下的等效均布活荷載差別約為4 kPa。

表3 各工況樓板等效均布活荷載Tab.3 Equivalent Uniform Live Load of Floor in Each Working Condition

圖4 重卡貨車輪壓加載示意Fig.4 Heavy Truck Wheel Pressure Loading Diagram

圖5 后輪輪壓作用下的樓板彎矩云圖Fig.5 Floor Bending Moment Cloud Diagram under the Action of Rear Wheel Pressure

4 次梁等效均布活荷載

次梁等效均布活載取彎矩等效及剪力等效二者的較大值?？紤]重卡貨車軸距大，軸數(shù)多，按靜力不利布置分析不能全面反應(yīng)車輛移動過程中的不利情況，本文采用移動荷載分析方法［9-10］，統(tǒng)計次梁在移動過程中的最大彎矩及剪力，以此換算次梁的等效均布活荷載。

移動荷載分析步驟如下：①根據(jù)柱網(wǎng)跨度，選取極限滿布的4 列頭尾相連的車隊，每列車隊長度應(yīng)大于次梁的計算跨度，本工程每列車隊為2輛；②車隊的行駛路徑從車頭進入次梁的支座開始，到車尾駛離次梁另一端支座終止；③在次梁跨度內(nèi)，按車隊排布的輪壓及行駛位置定義車輛荷載及行駛軌道；④統(tǒng)計移動荷載中次梁的最大彎矩及剪力，并換算井字梁的等效均布活荷載。計算次梁內(nèi)力時，不考慮樓板剛度貢獻，采用剛臂將軌道輪壓荷載按力矩平衡原則分配到兩側(cè)次梁上，次梁跨度范圍內(nèi)的軌道布置、車隊移動荷載示意詳見圖6。

圖6 移動荷載、移動軌道布置示意Fig.6 Moving Load and Moving Track Layout （mm）

圖7可直觀地表達次梁彎矩隨移動荷載的變化過程。表4 為基于移動荷載分析的次梁彎矩、剪力包絡(luò)值，并換算了用于次梁分析的等效均布活荷載。從表4可以看出，本工程次梁等效均布活荷載值為剪力控制，可取為20 kPa，相對樓板計算的折減系數(shù)為約0.76。

表4 次梁等效均布活荷載Tab.4 Beam Equivalent Uniform Live Load

圖7 移動荷載作用下的次梁彎矩變化Fig.7 Moment Variation of Secondary Beam under Moving Load

5 框架梁等效均布活荷載

文獻［1］附錄C 第C.0.8 條規(guī)定：當(dāng)荷載分布比較均勻時，主梁上的等效均布活荷載可由全部荷載總和除以全部受荷面積求得。本工程在主梁分析時，對以下3種荷載工況產(chǎn)生的框架梁內(nèi)力進行對比分析：

⑴每跨按圖8 布置4 輛重型貨車，軸荷按本文第一節(jié)考慮，標(biāo)準(zhǔn)跨內(nèi)最多可能布置4 排16根后輪車軸及2 排8 根前輪車軸。按文獻［1］換算的等效均布活荷載值為：

圖8 標(biāo)準(zhǔn)柱跨內(nèi)重型貨車排布Fig.8 The Arrangement of Heavy Trucks in the Standard Column Span

（70×8+120×16）÷152=11.02 kN/m2

⑵按單車總重除以車身投影面積計算等效均布活荷載：

（70×2+120×2）÷2.55÷12=12.42 kN/m2

⑶采用移動荷載分析方法，建立3×3 標(biāo)準(zhǔn)柱跨模型，每跨內(nèi)參照圖6布置4輛車行軌道，每列車隊數(shù)量增加至5輛，詳見圖9。

圖9 主梁分析的移動荷載及軌道布置示意圖Fig.9 Moving Load and Track Layout of Main Girder Analysis

以上3種工況的中跨框梁內(nèi)力詳見表5，由表5可知，移動荷載計算的內(nèi)力與工況2基本吻合，大于文獻［1］建議的換算值。其中，工況3 較工況1 的最大負彎矩增大約13.9%，剪力值增大約16.1%。因此，對于重型貨車停車庫而言，建議主梁分析時，采用單車總重除以車身投影面積計算等效均布活荷載，并輔以移動荷載分析進行驗證。

表5 各工況中跨主梁內(nèi)力Tab.5 Internal Force of Mid-span Girder in Each Working Condition

6 總結(jié)及建議

⑴通過收集市場常見的9 個品牌的重型貨車車身尺寸、軸距、軸數(shù)等參數(shù)，確定了用于重型貨車停車庫結(jié)構(gòu)分析的車輛參數(shù)。

⑵基于廣州東部某物流樞紐中心的車輛調(diào)度場項目，分析了采用15 m×15 m柱距、井字梁樓蓋方案在重型貨車輪壓下的樓板等效均布活荷載為26 kPa。

⑶采用移動荷載分析方法模擬車輛行駛過程，得出次梁計算的等效均布活荷載約為20 kPa，即次梁計算時折減系數(shù)約為0.77。

⑷主梁的等效均布活荷載建議采用車軸總重除以車身總面積確定，按文獻［1］根據(jù)車輛排布除以受荷面積的方式可能偏小。

⑸確定特殊車輛的等效均布活荷載時，移動荷載分析是較為有效的分析手段。