淺談地下室結構頂板的效活荷載計算

李欽華

摘要：本主主要對消防車荷載、 城-A級汽車荷載進行論述。

關鍵詞：地下結構；汽車荷載；影響線；等效荷載

中圖分類號：F407.471文獻標識碼：A 文章編號：

1 消防車荷載

對于普通建筑地下室，頂板一般需要考慮的較大活荷載是消防車道區域的消防車荷載?！督ㄖY構荷載規范》[1](以下簡稱《荷載規范》)中規定了消防車活荷載標準值：雙向板(板跨不小于6m×6m)采用20kN/m2，單向板(板跨不小于2m)采用35kN/m2，對于常見的板頂覆土的情況，規范未做出明確規定。結構工程師在實際設計中多在10~35kN/m2之間取值，具有一定的主觀隨意性，往往導致構件設計過于保守或者偏于不安全。

1.1 計算依據及基本參數取值

根據《荷載規范》附錄B，本文按內力的等值來計算等效荷載。據《荷載規范》4.1.1條，消防車總重取300kN；參照《公路橋涵設計通用規范》[2](以下簡稱《公路規范》)4.3.4條，覆土壓力擴散角取30度；據《全國民用建筑工程設計技術措施-結構》[3](以下簡稱《技術措施》)確定消防車平面尺寸及橫向布置，車前軸重60kN，單個后軸重120kN，考慮雙車并列時車輛橫向凈距0.6m。荷載的有效分布寬度按《荷載規范》附錄B計算。

圖1 300kN消防車平面尺寸（單位：mm）

需要指出的是，由于《公路規范》及《技術措施》車輛尺寸圖中車輪著地尺寸未按實際尺寸表示且未標注具體尺寸，僅以文字說明尺寸數據，導致目前較多設計人員在計算汽車等效荷載考慮輪壓布置時，均錯誤地將車輪著地寬度及長度調轉了，這樣會導致計算荷載擴散區域出現一部分偏差。關于車輪著地尺寸，可以參考《城市橋梁設計規范》[4](以下簡稱《城市橋規》)。

1.2 荷載作用范圍

輪壓荷載自輪壓邊緣向下擴散，擴散后平面尺寸按bcx=btx +2（s×tanθ+h/2）；bcy =bty +2（s×tanθ+h/2）計算，式中：bcx、bcy為荷載作用面在兩個方向的計算寬度；btx、bty為輪壓著地寬度和長度；s為覆土厚度；h為板厚；θ為擴散角。

取板厚為0.2m估算可得，當覆土厚度為0.865m時，后四輪輪壓的擴散范圍已相連，此時，考慮四輪擴散輪壓共同作用在板上時為控制工況；當覆土厚度>0.865m時，輪壓擴散范圍相互重疊，需按擴散后的總面積進行計算；從實際情況出發，消防車道>5m時，筆者認為應考慮兩輛車同時作用的不利情況。

1.3 計算結果

計算時區分車縱向垂直板跨方向及平行板跨方向。經試算，對于跨度2m的單向板，覆土厚度≤0.27m時，車縱向垂直板跨方向起控制作用；覆土厚度增大，車縱向平行板跨方向起控制作用；隨著板跨增大，此臨界覆土厚度增大。

表1 跨度2m的單向板上車后輪等效活荷載

需要指出的是，《荷載規范》規定在設計梁、墻、柱及基礎時應對消防車活載進行較大程度的折減，筆者認為其折減系數僅適用無覆土樓蓋；對于有覆土的情況，由于車活載已經被覆土擴散均布化，設計梁等構件時應適當減弱折減幅度，文獻[5]對此進行了部分研究。

2. 城-A級汽車荷載

對于地面上為市政道路的地下結構，按照《城市橋規》[4]，道路屬于城市主干路或者重型車輛行駛頻繁的快速路和次干路的，應取城-A級汽車荷載進行設計，包含車道荷載和車輛荷載，車道荷載為均布荷載qk=10.5kN/m附加1個移動集中荷載Pk=180~360kN（按跨度5m~50m內插取值）；車輛荷載取700kN重車，布置如圖2；車道荷載和車輛荷載不同時作用。本文以某三跨單向板結構為例，求解頂板等效活荷載。

圖2 城-A級車輛荷載布置圖（單位：mm）

2.1 計算參數

結構上覆土1.5m，邊跨跨度7.5m，中跨6m，頂板厚700mm，側壁厚700mm，按縱向單位延米長度簡化為單層平面框架進行計算，中柱按軸向剛度等效為110mm厚，側壁及中柱底端設固結支座，車行方向平行板跨方向。

輪壓擴散的參數及計算方法同前述，考慮多車道車輛并行的不利情況，按車輛凈距0.6m，單輛車輪壓橫向擴散總寬度取為3.1m，計得擴散后各車軸處均攤面荷；車道集中荷載Pk取190kN，按單軸輪壓擴散。

各活載均為移動荷載，需根據影響線確定荷載布置，對于多次超靜定結構，在沒有特定計算軟件的情況下，繪制確定數值的影響線較為繁瑣，筆者采用撓度法僅繪制影響線的大概形狀，在此基礎上進行荷載布置，然后通過常規計算軟件試算比較得到等效荷載值。撓度法亦稱機動法，是根據虛外功互等定理的的推理：位移互等定理、反力位移互等定理，使在所求約束力方向給出一個強迫位移時，承載桿所發生的撓曲線成為該約束力的影響線。

2.2 計算結果

按照影響線的形狀對荷載進行不利布置，計算結果詳表3。

表3 各類活載工況內力包絡值（kN/m或kN）

由計算結果可知，取20kN/m2的滿布活載不能包絡住各種不利情況；考慮不利布置后基本能包絡住車輛荷載各工況下的內力值，不滿足車道荷載工況；本工程取值25kN/m2同時考慮不利布置能滿足設計要求。

3. 結語

消防車活載的取值與結構類型及尺寸關系密切，從經濟合理的角度出發，建議選取典型結構布置區域進行等效荷載試算并參考相關文獻確定取值；對于小跨度板，宜按照局部輪壓擴散重疊的較不利情況進行承載力設計；梁柱活載折減不可盲目按照無覆土樓面的系數取值。

頂板上覆土較薄時取20kN/m2的滿布活載不能包絡住城-A級汽車荷載的設計要求，應根據工程實際情況做出調整。

參考文獻

[1] GB5009-2001.建筑結構荷載規范（2006年版）[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[2] JTG D60-2004.公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 中國建筑標準設計研究所編著.全國民用建筑工程設計技術措施-結構[M].北京：中國計劃出版社，2003.14-16.

[4] CJJ 11-2011.城市橋梁設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[5] 殷寶才,魏大平.地下室頂板考慮覆土影響后的消防荷載取值[J]．江蘇建筑，2010，2(2)：88-90.

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。