全埋式地下車庫活荷載荷載的等效均布荷載值研究

全埋式地下車庫活荷載荷載的等效均布荷載值研究

0滲流式聯(lián)合結(jié)構(gòu)中承擔(dān)的挑戰(zhàn)目前，住宅用地建設(shè)中常見的是幾棟房屋周圍的大型集中綠地。集中綠地下有大型全埋式地下車庫，與住宅區(qū)秘密相連。消防車道和消防登高面往往壓在地下車庫頂板之上。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,通常將消防車活荷載視同一般活荷載,按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)(簡稱荷載規(guī)范)表5.1.1,消防車活荷載標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)地下室頂板的結(jié)構(gòu)形式,單向板取35kN/m2,雙向板或無梁樓蓋取20kN/m2;參與荷載的基本組合,進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度驗算;參與荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合,進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撓度和裂縫寬度驗算。這樣處理雖簡單,但沒有考慮消防車活荷載的特征,無論是在荷載組合概念上還是在活荷載具體取值上都是有問題的,從而對地下車庫頂板設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生明顯影響。1總線啟動橋的功能特點(diǎn)1.1地下單車升壓車建筑物失火是偶然事件,本身發(fā)生的概率很小。消防站接警后,消防車才會疾馳至火災(zāi)現(xiàn)場實(shí)施撲救。對地下車庫頂板而言,消防車活荷載可視為偶然荷載。另外還有一種可稱為偶然荷載的伴隨荷載,如雪荷載、路面維修荷載、上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件因著火而局部跌落甚至坍塌對地下車庫頂板造成的撞擊荷載,或因著火引起局部爆炸所產(chǎn)生的沖擊波作用等,這些荷載都是可能發(fā)生、也可能不發(fā)生的。1.2地下車庫頂板持續(xù)時間消防車施救過程通常只有幾十分鐘,最多幾小時,故消防車活荷載作用在地下車庫頂板上的持續(xù)時間短暫,其占地下室整個設(shè)計基準(zhǔn)期(一般取50年)總持續(xù)時間的比例極小。1.3荷載的特定區(qū)域跨間行駛在消防車道上的消防車活荷載是一個移動荷載,對地下車庫頂板的某個特定區(qū)域(跨間)而言,荷載的作用位置和作用力大小是隨時間變化的。荷載的到來與離開,可能是一瞬間的事,如消防車在行駛途中;也可能持續(xù)幾小時,如消防車停在消防登高面或合適的撲救位置。1.4局部均布荷載說消防車活荷載包括消防車自重和充水重,其對地下車庫頂板并不是一個滿鋪的均布荷載,是通過輪壓(作用面積很小),或再經(jīng)上覆土層應(yīng)力擴(kuò)散后作用于頂板上局部區(qū)域的局部均布荷載。1.5攻擊消防車活荷載同其他汽車活荷載一樣,因在消防車道上行駛,要考慮車輛啟動和剎車時的沖擊。2發(fā)動機(jī)動力損失的合理價值2.1通過荷載區(qū)分控制可能具有可能無同時考慮的荷載考慮到消防車活荷載的偶然性,對于承載能力極限狀態(tài),消防車活荷載不應(yīng)參與荷載的基本組合,而應(yīng)參與荷載的偶然組合。荷載規(guī)范第3.2.6條條文說明指出:“偶然荷載效應(yīng)組合的表達(dá)式內(nèi)不再考慮荷載分項系數(shù),也不必同時考慮兩種或兩種以上偶然荷載”。顯然,作為偶然組合內(nèi)唯一的偶然荷載,消防車活荷載應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值。上述的所謂偶然荷載的“伴隨荷載”可能有可能無,情況復(fù)雜,按荷載規(guī)范規(guī)定不與消防車活荷載同時考慮。荷載規(guī)范公式(3.2.6-1)將荷載的偶然組合寫為:式中:SGjk為按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gjk計算的荷載效應(yīng)值;SQik為按第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik計算的荷載效應(yīng)值,其中SQik為諸可變荷載效應(yīng)中起控制作用者;SAd為按偶然荷載標(biāo)準(zhǔn)值A(chǔ)d計算的荷載效應(yīng)值;ψf1為第1個可變荷載的頻遇值系數(shù);ψqi為第i個可變荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)。2.2正常使用極限狀態(tài)下的荷載計算考慮到消防車活荷載的短暫性,對于正常使用極限狀態(tài),消防車活荷載不應(yīng)參與荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合,而應(yīng)參與荷載的頻遇組合。荷載規(guī)范第3.2.7~3.2.10條條文說明:“在正常使用的極限狀態(tài)設(shè)計時,與狀態(tài)有關(guān)的荷載水平,不一定非以設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的最大荷載為準(zhǔn),應(yīng)根據(jù)所考慮的正常使用具體條件來考慮”?？紤]到消防車活荷載的短暫性,對于正常使用極限狀態(tài),若參與標(biāo)準(zhǔn)組合,實(shí)際上反映的仍是設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載效應(yīng)組合,是一個極值效應(yīng),只是在可靠度水平上略有降低。將它作為正常使用條件下驗算具有短暫特征的荷載水平,在邏輯概念上是有欠缺的。對此,筆者認(rèn)為對于正常使用極限狀態(tài),消防車活荷載應(yīng)參與頻遇組合。具體可參見荷載規(guī)范式(3.2.9),寫為:式中:第1項為地下室頂板永久荷載產(chǎn)生的效應(yīng)值,應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值;第2項為消防車活荷載產(chǎn)生的效應(yīng)值,作為偶然荷載應(yīng)取頻遇值;第3項指與偶然荷載同時出現(xiàn)的其他活荷載產(chǎn)生的效應(yīng)值,可能有可能無,至于哪一項參與荷載組合,規(guī)范沒作具體規(guī)定,設(shè)計時可視具體情況而定,如需要考慮,應(yīng)取準(zhǔn)永久值。這樣考慮恰好體現(xiàn)了消防車活荷載的短暫特征。考慮到消防車和普通小客車在小區(qū)消防車道(地下車庫頂板)上通過的持續(xù)時間占整個設(shè)計基準(zhǔn)期總持續(xù)時間的比例大不相同,故荷載規(guī)范表5.1.1對兩者取不同的頻遇值系數(shù)是合乎情理的。2.3全埋式地下單車結(jié)構(gòu)布置考慮到消防車活荷載的移動性,顯然在研究消防車活荷載取值時,首先要確定消防車輪壓的最不利布置。常用300kN級消防車平面尺寸與排列間距見圖1。一臺消防車總重(包括消防車自重+滿水重)300kN,共有2個前輪,4個后輪,每個前輪重30kN,每個后輪重60kN,每個輪子作用面積0.2m×0.6m。全埋式地下車庫的常用柱網(wǎng)尺寸為8.1m×8.1m~8.4m×8.4m,現(xiàn)以8.4m×8.4m區(qū)格板為例。常用的結(jié)構(gòu)布置方案有3種,見圖2。消防車輪壓的最不利布置方式共有8種,見圖3。2.4板厚與等效荷載現(xiàn)采用SAP2000有限元軟件中的薄板單元模型推導(dǎo)上述8種最不利布置方式下的消防車活荷載的等效均布荷載。由文第2.7.14條和第3.2.11條第2款可知,當(dāng)考慮防水和種植要求時,全埋式地下室鋼筋混凝土頂板厚度應(yīng)不小于250mm。當(dāng)考慮防水與種植要求時,單向板及雙向板板厚均取250mm,無梁樓蓋板厚取300mm;當(dāng)不考慮防水與種植要求時,板厚分別取:單向板100mm,雙向板120mm,無梁樓蓋300mm。單元網(wǎng)格劃分尺寸為0.5m×0.5m;梁采用空間梁單元模擬,主梁截面采用0.3m×0.7m,次梁采用0.3m×0.5m。柱子支座考慮X,Y,Z的平動約束;不考慮板頂覆土影響,輪壓按集中力考慮。計算結(jié)果見表1。分析上述結(jié)果可知,當(dāng)消防車后軸輪處于板跨跨中時為最不利布置(圖3(a),(c),(e),(g)),其等效均布荷載值單向板最大為18kN/m2,小于規(guī)范建議值35kN/m2;雙向板最大為17kN/m2,無梁樓蓋最大為15kN/m2,均小于荷載規(guī)范建議值20kN/m2。2.5覆土厚度對等效均布荷載的影響通常情況下住宅小區(qū)全埋式地下車庫之上均建有集中綠地,這樣地下車庫頂板上面必有覆土,覆土厚度隨綠化種植植物的種類而異。消防車輪壓經(jīng)消防車道路面與覆土層的應(yīng)力擴(kuò)散與交迭,作用于地下車庫頂板。根據(jù)文,當(dāng)有一臺消防車作用時,若覆土厚度≤0.5m,主要表現(xiàn)為應(yīng)力擴(kuò)散,作用于地下室頂板上的輪壓會顯著減小(而文假設(shè)的2臺消防車同時作用,車尾相對排列的工況,實(shí)際上不可能發(fā)生,在此不贅述);若覆土厚度>0.5m,除應(yīng)力擴(kuò)散外,同側(cè)2個后輪前后產(chǎn)生應(yīng)力交迭;若覆土厚度>1.07m,除應(yīng)力擴(kuò)散外,左、右側(cè)前后共4個后輪產(chǎn)生應(yīng)力交迭,在4個后輪中間部位,共交迭4次。文分別研究了跨度為2~4m周邊簡支單向板和3m×3m~6m×6m跨度四邊簡支板,發(fā)現(xiàn)隨著覆土厚度增加,消防車等效均布荷載的變化為:(1)板跨較小的板,等效均布荷載隨覆土厚度的增加下降較快,尤其是覆土厚度在0~0.5m范圍內(nèi),這完全是因為應(yīng)力擴(kuò)散的作用。(2)當(dāng)覆土厚度>0.5m以后,無論板跨大小,總體而言隨著覆土厚度的增加,等效均布荷載仍在下降,但下降速率逐漸趨緩。說明應(yīng)力擴(kuò)散和應(yīng)力交迭同時在起作用,局部區(qū)域消防車輪壓出現(xiàn)部分增減相抵的情況,總體而言擴(kuò)散引起的減小大于交迭引起的增大。文得到的單向板和雙向板樓面消防車等效活荷載覆土厚度折減系數(shù)見表2,3。2.6單車動力系數(shù)載規(guī)范第5.6.2條考慮到消防車活荷載的沖擊性,應(yīng)按荷載規(guī)范第5.6.2條規(guī)定,考慮消防車啟動和剎車時的動力系數(shù)。該系數(shù)的取值可參見文第4.2.5條,見表4。3單車活荷載驗算現(xiàn)以8.4m×8.4m區(qū)格板作為研究對象,先按表1給出的消防車等效均布荷載值,按式(1)考慮荷載的偶然組合,按式(2)考慮荷載的頻遇組合,分別算出驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度、撓度、裂縫寬度時取用的消防車活荷載等效均布荷載值。再按荷載規(guī)范表5.1.1給出的消防車活荷載建議值,按荷載規(guī)范式(3.2.3-1)考慮荷載的基本組合,按荷載規(guī)范式(3.2.8)考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合,分別算出驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度、撓度、裂縫寬度時取用的消防車等效均布荷載值。在上述比較計算中,僅考慮種植要求,不考慮覆土的應(yīng)力擴(kuò)散與交迭作用,也不考慮消防車起動和剎車時的動力作用。各種樓板類型均取最不利布置方式,板厚取值見本文第2.4節(jié),計算結(jié)果見表5。表5僅對消防車活荷載取值作了比較,未計算其他活荷載對荷載效應(yīng)的影響。若要考慮此影響,在其他活荷載的荷載效應(yīng)值項內(nèi)還要乘一個遠(yuǎn)小于1.0的準(zhǔn)永久值系數(shù)ψq,使荷載效應(yīng)組合值更小。4全埋式地下單車等效均布荷載計算(1)考慮到消防車活荷載作用的偶然性和短暫性,提出消防車活荷載不應(yīng)參與荷載的基本組合,而應(yīng)參與荷載的偶然組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)驗算;不應(yīng)參與荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合,而應(yīng)參與荷載的頻遇組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用極限狀態(tài)驗算。顯然目前結(jié)構(gòu)設(shè)計界包括荷載規(guī)范將消防車活荷載視同一般活荷載處理,在荷載組合概念上是欠妥當(dāng)?shù)摹?2)考慮到消防車活荷載作用的移動性和局部性,以住宅小區(qū)最常用的柱網(wǎng)尺寸為8.4m×8.4m的全埋式地下車庫為例,根據(jù)地下室頂板分別采用單向板、雙向板和無梁樓蓋方案的不同情況,提出消防車輪壓可能出現(xiàn)的8種最不利布置方式,并采用SAP2000有限元軟件的薄板模型,推導(dǎo)出上述每種布置方式的消防車活荷載的等效均布荷載值。其最不利布置方式更直觀,計算模型更貼近真實(shí)情況,計算結(jié)果明顯減小。(3)對于消防車輪壓經(jīng)地下室頂板上覆土層的應(yīng)力擴(kuò)散與交迭以及消防車