汽車等效均布荷載的簡化計算

1、 17Building Structure設計交流We learn we go汽車等效均布荷載的簡化計算朱炳寅/中國建筑設計研究院汽車(消防車輪壓以其荷載數(shù)值大、作用位置不確定及一般作用時間較短而倍受結構設計者關注。結構設計的關鍵問題在于汽車輪壓等效均布荷載數(shù)值的確定。輪壓荷載作用位置的不確定性,給等效均布荷載的確定帶來了一定難度,一般情況下,要精確計算輪壓的等效均布荷載是比較困難的,且從工程設計角度看,也沒有必要。“等效”和“折減”的本質(zhì)都是“近似”,且其次數(shù)越多,誤差就越大。本文推薦滿足工程設計精度需要的汽車輪壓等效均布荷載的簡化計算方法,供讀者參考。 1 影響等效均布荷載的主要因素 1.

2、1跨度等效均布荷載的數(shù)值與構件的跨度有直接的關系,在相同等級的汽車輪壓作用下,板的跨度越小,則等效均布荷載的數(shù)值越大;而板的跨度越大,則等效均布荷載數(shù)值越小。結構設計中應注意“等效均布荷載”及“效應相等”的特點,汽車輪壓荷載具有荷載作用位置變化的特性,是移動的活荷載,其最大效應把握困難,且效應類型(彎矩、剪力等不同,等效均布荷載的數(shù)值也不相同,等效的過程就是一次近似的過程。 1.2 動力系數(shù)汽車輪壓荷載傳至樓板及梁的動力系數(shù) 表1 覆土厚度/m 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.650.70動力系數(shù)1.30 1.27 1.24 1.20 1.1

3、7 1.14 1.10 1.07 1.041.001.3 覆土層厚度2結構板面的覆土及面層對汽車輪壓具有擴散作用(車輪壓力擴散角,在混凝土按45°考慮,在覆土中可按30°考慮,覆土越厚,汽車輪壓擴散越充分,當覆土層厚度足夠厚,輪壓擴散足夠充分時,汽車輪壓荷載可按均布荷載考慮。當覆土層厚度足夠時,可按汽車在合理投影面積范圍內(nèi)的平均荷重計算汽車的輪壓荷載,見表2。覆土厚度足夠時消防車的荷載 表2汽車類型 100kN150kN 200kN 300kN550kN荷載/kN/m 2 4.3 6.3 8.5 11.3 11.4 覆土厚度最小值h min /m2.5 2.4 2.4 2.

4、3 2.6足夠的覆土厚度指:汽車輪壓通過土層的擴散、交替和重疊,達到在某一平面近似均勻分布時的覆土層厚度。足夠的覆土厚度數(shù)值應根據(jù)工程經(jīng)驗確定,當無可靠設計經(jīng)驗時,可按后軸輪壓的擴散面積不小于按荷重比例劃分的汽車投影面積(圖1確定相應的覆土厚度為h min ,當實際覆土厚度h h min 時,可認為覆土厚度足夠。以300kN 級汽車為例(圖1:考慮汽車合理間距(每側600mm后汽車的投影面積為(8+0.6×(2.5+0.6=26.66m 2后軸輪壓占全車重量的比例為240/300=0.8 取后軸輪壓的擴散面積為0.8×26.66=21.33m 2 根據(jù)后軸輪壓的擴散面積不小

5、于按荷重比例劃分的汽車投影面積有:200030tan 22(30tan 22(30tan 22(h h h +=+21.33則:h 2.28m,取h =2.3m,此時可確定為覆土層厚度足夠,車身合理投影范圍內(nèi)的平均重量為300/26.66 =11.3 kN/m 2。圖1 足夠的覆土層厚度計算示意/m2 等效均布荷載的折減1荷載規(guī)范按跨中彎矩相等的原則進行等效荷載的計算,并將其用于所有的各類構件(板、梁、柱和墻等全部效應(彎矩、剪力、軸力等的設計計算。采用的是按構件類型及從屬面積折減的方法。2對現(xiàn)澆梁板結構,汽車輪壓荷載在地下結構頂板及頂板梁內(nèi)都有分布和傳遞,結構設計時可將輪壓荷載按:樓板次梁主

6、梁的路徑傳遞,以簡化設計過程。樓板傳遞給 18設計交流Building StructureWe learn we go3由于等效均布荷載與其效應具有一一對應的關系,不同效應之間的等效均布荷載不同,原則上不能通用?？梢园l(fā)現(xiàn),此處對等效均布荷載的折減又是一次更大程度的近似過程。同時也再次表明,對等效均布荷載進行所謂精細計算是沒有意義的,計算以滿足工程精度為宜。 3 汽車等效均布荷載的簡化計算1荷載規(guī)范明確規(guī)定了等效均布荷載的計算原則,但由于消防車輪壓位置的不確定性,實際計算復雜且計算結果有時與規(guī)范數(shù)值出入很大。特殊情況下(如雙向板等,等效均布荷載的計算結果明顯不合理,當支承情況越復雜、局部荷載的作

7、用面積越小、板頂面層或覆土層很薄時,等效均布荷載的數(shù)值偏差幅度越大,因此,應注意對等效均布荷載的比較并合理取值。舉例說明如下:某簡支雙向板,跨度y xl l =2m,板厚h =150mm,其上作用有300kN 級消防車,已知后軸輪壓P =60kN,輪壓著地面積為0.2m×0.6m,動力系數(shù) 1.3,板頂面混凝土面層s =100mm 厚求e q 。解:考慮板頂混凝土面層對輪壓的擴散作用,在混凝土內(nèi)的輪壓擴散角按45°考慮(見圖2,查建筑結構靜力計算手冊(第二版表4-29,x a =0.2+2×0.1=0.4m ,y a =0.6+2×0.1=0.8m ,x

8、 x l a /=0.4/2=0.2,x y l a /=0.8/2=0.4,考慮動力系數(shù)后/(3.1y x a a P q =244 kN/m 2。簡支雙向板的絕對最大彎矩1434.0max =x M ×244×0.4×0.8=11.2 kN.m ,1176.0max =y M ×244×0.4×0.8=9.18 kN.m <max x M =11.2 kN.m ,取max max x M M =11.2 kN.m 。簡支雙向板在等效均布荷載作用下的跨中彎矩值查建筑結構靜力計算手冊(第二版表4-16,max e M =0.03

9、682l q e =0.1472e q 則,=eq 11.2/0.1472=76 kN/m 2,比規(guī)范給定的簡支單向板等效均布荷載值(35 kN/m 2還大,明顯不合理。圖2 簡支雙向板在汽車輪壓作用下的等效均布荷載計算2為避免上述問題的出現(xiàn),實際工程中可按線性關系確定等效均布荷載的數(shù)值。為方便設計,此處提供在消防車(300kN 級輪壓作用下,滿足工程設計精度要求的等效荷載計算表,供設計者選擇使用。(1不同板跨時,雙向板等效均布荷載見表3。消防車輪壓直接作用下雙向板的等效均布荷載 表3 板跨/m2.0 2.53.0 3.54.0 4.55.0 5.56.0等效均布荷載/kN/m 2(2不同覆土

10、厚度時,消防車輪壓等效均布荷載的調(diào)整系數(shù),按表4確定。等效均布荷載調(diào)整系數(shù) 表41.000.32(3綜合考慮板跨和不同覆土層厚度時,消防車輪壓等效均布荷載見表5、6。消防車輪壓作用下單向板的等效均布荷載值/kN/m2 表5 覆土厚度/m板跨/m0.252.50211.3消防車輪壓作用下雙向板的等效均布荷載值/kN/m2 表6 覆土厚度/m板格的短邊跨度/m0.2518.917.816.715.7 14.6 13.5 12.411.34 結論1汽車等效均布荷載與板跨、覆土層厚度等密切相關。 2汽車的等效均布荷載還與效應的選擇有關,效應不同等效均布荷載的數(shù)值也不相同,不同效應之間等效均布荷載不可通用。3規(guī)范按跨中彎矩相等原則確定等效均布荷載,并將其用于