1、楼面主梁消防车等效均布荷载取值研究 陈彬 储国栋 张继民 南通市建筑设计研究院有限公司 摘 要： 关于楼面板消防车等效均布荷载的研究目前已经比较成熟, 而针对楼面主梁消防车等效均布荷载的研究一直比较匮乏。我国现行建筑结构荷载规范 (GB 500092012) 规定的楼面主梁消防车等效均布荷载是以楼面板消防车荷载为基础乘以一个折减系数, 这种做法误差较大。利用 ANSYS 有限元分析软件的 APDL语言进行移动荷载作用下的编程, 计算出消防车阵列在平面任意分布下楼面主梁的荷载效应, 由此得到楼面主梁的消防车等效均布荷载。经过大量计算, 综合考虑主梁跨度、柱网尺寸、次梁布置对其的影响, 归纳出一定
2、的规律。关键词： 消防车; 等效均布荷载; 楼面主梁; 次梁分布; 作者简介：陈彬, 硕士, 工程师, 一级注册结构工程师, Email:。Study on equivalent uniform live load on main floor beam for fire enginesChen Bin Chu Guodong Zhang Jimin Nantong Architectural Design Abstract： The research on the equivalent uniform load of the floor for fire engines is relative
3、ly mature now, but the research on the equivalent uniform live load of the floor beam for fire engines is scarce. The load on floor beam for fire engines specified in the current Load code for the design of building structures ( GB 500092012) is multiplied by a reduction factor based on the floor lo
4、ad for fire engines, which has a large error. APDL language in ANSYS finite element analysis software was used for programming of moving load, to calculate the load effect of the main floor beam for fire engines array in arbitrary distribution, thus obtaining equivalent uniform live load of the main
5、 floor beam for fire engines. After a lot of calculations, some rules were summed up considering the effects of main beam span, column grid size and layout of secondary beam on the equivalent uniform live load.Keyword： fire engine; equivalent uniform live load; main floor beam; secondary beam layout
6、; 0 引言消防车轮压荷载较大, 一般是结构的主导可变荷载, 合理的消防车荷载取值对结构的安全性和经济性有着重要的意义。由于消防车作用的位置不确定, 结构设计中往往将其简化为均布活荷载进行计算, 传统的设计方法中, 其取值由楼板跨中弯矩等效的原则确定。建筑结构荷载规范 (GB 500092001) 1中, 楼面板消防车等效均布荷载根据楼盖类型取固定值:板跨不小于 2m 的单向板楼盖取 35 k N/m, 板跨不小于 6m6m 双向板楼盖取 20k N/m。而随着研究的深入, 逐渐考虑了其他因素 (如板跨度、覆土厚度) 对其的影响2, 现行建筑结构荷载规范 (GB 500092012) 3 (简
7、称现行荷载规范) 也据此进行了改进, 根据楼盖单双向类别、板跨度和覆土厚度对楼板的消防车活荷载进行取值。但是对楼面主梁消防车等效均布荷载的研究一直比较匮乏, 目前现行荷载规范以楼板消防车荷载为基础乘以一个折减系数进行取值。这种方法简单方便, 但存在不合理之处。举例说明, 如图 1 所示, 根据现行荷载规范, A 类楼盖和 B类楼盖楼板的消防车活荷载分别为 20k N/m 和 34.5k N/m, 楼面梁的消防车活荷载分别为 16k N/m 和 27.6k N/m, 两者相差近一倍。而从力学概念上判断, A类楼盖和 B 类楼盖主梁在消防车轮压作用下的最大效应相差应该不至于如此之大。图 1 A 类
8、楼盖和 B 类楼盖平面布置 下载原图由于消防车荷载的取值直接关系到结构的梁高和配筋, 因此有必要深入研究楼面梁的消防车等效均布荷载取值。本文利用有限元分析软件计算出消防车任意可能分布下楼面主梁的最大荷载效应, 由此得到楼面主梁的消防车等效均布荷载取值, 综合考虑主梁跨度、柱网尺寸、次梁布置对其的影响, 找出其中的规律, 可供结构设计和现行荷载规范修订时参考。1 有限元计算1.1 消防车荷载和几何尺寸依据现行荷载规范第 5.1.1 条的条文说明, 本文的研究对象选取 300k N 级的大型消防车, 全车总重 300k N, 前轴重 60k N, 后轴重 2120k N, 轮压作用尺寸均为 0.2
9、m0.6m, 平面尺寸和平面布置参照全国民用建筑工程设计技术措施 (结构) 4, 横向间距取 600mm, 纵向间距取 500mm, 见图 24。图 2 300k N 消防车平面尺寸和横向排列 下载原图1.2 消防车轮压最不利作用的有限元分析计算楼面主梁消防车等效均布荷载的关键在于得到消防车轮压的最不利布置。楼面主梁两侧柱网内的消防车轮压对其荷载效应均有影响, 这使得找出最不利布置变得十分复杂。为此, 本研究利用 ANSYS 有限元分析软件的 APDL 语言进行移动荷载作用下的编程, 对消防车阵列在平面内任意分布下楼面主梁的荷载效应进行了计算, 再在计算结果中找出最大的荷载效应。由于消防车后轮
10、轮压和数量均大于前轮, 为此消防车阵列考虑一排为尾尾相接, 其余排为头尾相接。此外, 消防车阵列可分为垂直于目标梁 (AB 梁) 和平行于目标梁两种情况, 对这两种情况需要分别进行计算 (图 3, 4) 。计算模型为两个横向排列的柱网, 分析目标为 AB 梁, 荷载等效效应选用梁跨中弯矩。计算模型中, 主梁尺寸为 300mm700mm, 次梁尺寸为 250mm600mm, 板厚为 250mm, 柱截面为 500mm500mm, 柱高为 3 000mm。梁和柱采用 Beam188单元模拟, 楼板采用 Shell63 单元模拟, 单元格划分尺寸为 620mm620mm。消防车轮压简化为单元格内的均
11、布荷载进行加载。图 3 消防车阵列垂直于目标梁 下载原图图 4 消防车阵列平行于目标梁 下载原图2 楼面主梁消防车等效均布荷载计算首先通过上述有限元分析得到消防车阵列作用下主梁跨中的最大弯矩 Mmax, 再对模型施加均布荷载 q, 得到其作用下主梁的跨中弯矩 Mq, 由式 (1) 得到楼面主梁的消防车等效均布荷载 qe:经过上述分析计算, 可以得到图 1 所示 A 类和 B 类楼盖主梁的消防车等效均布荷载值分别为 19.3k N/m 和 19.1k N/m, 与现行荷载规范取值的差值分别达到了 20.6%和-30.8%。2.1 次梁分布对楼面主梁消防车等效均布荷载的影响图 5 列出了 9 种常
12、见的次梁布置方式, 本文对 4.96m4.96m, 7.44m7.44m, 9.92m9.92m 三种柱网分别在上述各种次梁布置下的楼面主梁消防车等效均布荷载进行了计算, 结果如表 1 所示。表 1 各种次梁布置下楼面主梁消防车等效荷载/ (k N/m) 下载原表 从表 1 中可以看出, 在柱网尺寸相同时, 各种次梁布置下的楼面主梁消防车等效均布荷载相差极小;而柱网尺寸不同时, 楼面主梁消防车等效均布荷载相差较多。因此, 楼面主梁消防车等效均布荷载的关键影响因素是柱网尺寸;而在现行荷载规范中, 楼面主梁的消防车等效均布荷载是以楼板消防车荷载为基础乘以一个折减系数进行取值, 其主要影响因素是楼板
13、跨度, 这种取值方法会带来较大的误差。2.2 正方形柱网主梁的消防车等效均布荷载取值通过上节的计算可知, 柱网尺寸是影响楼面主梁消防车等效荷载的主要因素, 而各种次梁布置中 a 类模型 (不设置次梁) 的计算结果基本是最大的, 因此为了计算简便可以用 a 类模型的计算结果来代表该柱网尺寸下的楼面主梁消防车等效荷载。为了找出其随柱网尺寸变化的规律, 本文对常见尺寸正方形柱网 (4.9612.40m) 主梁的消防车等效均布荷载进行了计算, 并与按现行荷载规范取值计算结果进行了对比, 如图 6 所示。从图 6 可以发现, 正方形柱网主梁的消防车等效均布荷载随柱网尺寸的增加而减小, 呈现为两段式的线性
14、变化, 柱网尺寸大于 7m 时变化明显变缓。这种变化规律与荷载规范基本一致, 但是有限元分析值均大于现行荷载规范取值, 差值最大处达到 21%。图 5 9 种常见的次梁布置 下载原图图 6 正方形柱网主梁消防车等效均布荷载与主梁跨度的关系 下载原图2.3 长方形柱网尺寸主梁的消防车等效均布荷载在工程实例中经常会遇到结构柱网为长方形的情况, 本文对这种情况下主梁的消防车荷载进行了计算。计算模型中, 主梁跨度为 L1, 正交方向的柱网尺寸为L2 (图 7) , 计算结果如表 2 所示。图 7 长方形柱网计算模型示意 下载原图表 2 长方形柱网 (L1L2) 主梁消防车等效均布荷载/ (k N/m)
15、 下载原表 分别将楼面主梁跨度 L1和正交方向柱网尺寸 L2固定不变, 楼面主梁消防车等效均布荷载随 L1和 L2的关系如图 8、图 9 所示。从图 8、图 9 中可以发现, 当楼面主梁跨度 L1固定不变时, 楼面主梁消防车等效均布荷载随正交方向柱网尺寸 L2增大而减小, 变化规律近似于线性变化;当正交方向柱网尺寸 L2固定不变时, 楼面主梁消防车等效均布荷载随楼面主梁跨度 L1增大而减小, 变化规律在初始阶段基本上为线性变化, 但在楼面主梁跨度大于 6m 时变化明显趋缓。此外, 柱网的两个方向中, 楼面主梁跨度的影响更为明显。图 8 主梁消防车等效均布荷载与正交方向柱网尺寸的关系 下载原图3
16、 结论(1) 楼面主梁消防车等效均布荷载与楼板消防车等效均布荷载的变化规律并不相同, 简单地采用折减系数的方法确定取值会带来较大的误差。(2) 楼面主梁消防车等效均布荷载的主要影响因素是柱网尺寸。随着柱网尺寸逐渐增大, 主梁消防车等效均布荷载逐渐减小。(3) 建议实际工程设计时, 对 5m5m 的正方形柱网主梁消防车等效均布荷载取为 23k N/m, 对不小于 7m7m 的正方形柱网主梁消防车等效均布荷载取为 18k N/m, 当正方形柱网尺寸介于 5m5m7m7m 之间时按跨度线性插值确定。图 9 主梁消防车等效均布荷载与主梁跨度的关系 下载原图参考文献1建筑结构荷载规范:GB 500092001S.北京:中国建筑工业出版社, 2002. 2范重, 鞠红梅, 彭中华.消防车等效均布活荷载取值研究J.建筑结构, 2011, 41 (3) :1-6, 10. 3建筑结构荷载规范:GB 500092012S.北京:中国建筑工业出版社, 2012. 4建设部工程质量安全监督与行业发展司, 中国建筑标准设计研究所.全国民用建筑工程设计技术措施 (结构) M.北京:中国计划出版社, 2003.
