庫(kù)房樓面等效均布活荷載的確定

錢建穎 丘興凱

(1.河南工業(yè)大學(xué)，河南鄭州 450052;2.中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450052)

1 概述

隨著土地資源越來(lái)越緊張，庫(kù)房也逐漸從傳統(tǒng)一層往多層發(fā)展。對(duì)于多層倉(cāng)庫(kù)，樓面荷載的種類形式和大小，涉及到建筑結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)的安全性和費(fèi)用的合理性。

鑒于此，本文將通過(guò)某倉(cāng)庫(kù)的工程實(shí)例介紹庫(kù)房樓面等效均布活荷載計(jì)算的一般方法，并對(duì)計(jì)算中產(chǎn)生的問(wèn)題加以討論，以供設(shè)計(jì)人員參考。

2 荷載條件及分析

2.1 工程概況

某倉(cāng)庫(kù)樓板的結(jié)構(gòu)局部布置見(jiàn)圖1。根據(jù)工藝要求，在樓板規(guī)定區(qū)域內(nèi)固定布置有3 m高的托盤式和隔板式貨架，庫(kù)房?jī)?nèi)的卸貨、上貨、取貨、轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)額定載重量為1.6 t的電動(dòng)叉車來(lái)實(shí)現(xiàn)，其荷載布置見(jiàn)圖2。本文以其中一個(gè)既承擔(dān)貨架荷載又承擔(dān)叉車荷載的板塊“板1”作為本次雙向板計(jì)算算例。

圖1 樓板的結(jié)構(gòu)布置

圖2 荷載布置區(qū)域劃分

2.2 貨架條件及叉車條件

3 m托盤式和隔板式貨架寬度為1.2 m，最大堆載重量為2 t/m，每隔2 m有兩個(gè)支腿，每個(gè)支腿均承擔(dān)2 t的荷載。每個(gè)支腿的著地面積為0.10 m×0.10 m。貨架布置區(qū)域是固定的，但支腿在樓板上的位置卻是由現(xiàn)場(chǎng)來(lái)自由布置的。

按照電動(dòng)叉車樣本，叉車額定載重量為1.6 t，為3個(gè)輪子(三支點(diǎn))，滿載時(shí)全部荷載為4.6 t，且90%的荷載由前面兩個(gè)輪子承擔(dān)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，把所有的荷載都加到前面兩個(gè)輪子中。故每個(gè)輪子承擔(dān)2.3 t的集中荷載作用于樓板上。輪胎滿載時(shí)的著地面積為0.15 m×0.10 m。兩輪輪距為1.060 m。叉車與貨架之間的安全行車距離為0.35 m。

2.3 理論計(jì)算

2.3.1 等效活荷載計(jì)算原則

根據(jù)GB 50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［1］(以下簡(jiǎn)稱《荷載規(guī)范》)附錄C之C.0.1規(guī)定:“樓面(板、次梁、主梁)的等效均布活荷載，應(yīng)在其設(shè)計(jì)控制部位上，根據(jù)需要按內(nèi)力(如彎矩、剪力等)、變形及裂縫的等值要求來(lái)確定。在一般情況下，可僅按內(nèi)力的等值來(lái)確定”。C.0.2條規(guī)定:“連續(xù)梁、板的等效均布活荷載、可按單跨簡(jiǎn)支計(jì)算。但計(jì)算內(nèi)力時(shí)，仍按連續(xù)考慮”。C.0.6條規(guī)定:“雙向板的等效均布荷載可按與單向板相同的原則，按四邊簡(jiǎn)支板的絕對(duì)最大彎矩等值來(lái)確定”。

2.3.2 理論分析

雙向板樓面等效均布荷載分為貨架產(chǎn)生的等效均布荷載和叉車產(chǎn)生的等效均布荷載，兩者各自計(jì)算，然后取兩者之和。兩者都取最不利布置上的等效均布荷載。

1)貨架不利布置情況。

由于貨架布置的區(qū)域是固定的，支腿在樓板上的位置由現(xiàn)場(chǎng)自由布置，支腿的作用點(diǎn)將沿著兩條直線布置，貨架的最不利布置見(jiàn)圖3。

圖3 貨架荷載的最不利布置和計(jì)算簡(jiǎn)圖

2)叉車不利布置情況。

通過(guò)分析可以得出荷載布置離梁越近，等效均布活荷載就越小，所以叉車荷載應(yīng)盡量靠近板中心布置;叉車與貨架之間的安全行車距離為0.35 m。綜上，叉車的最不利布置有以下三種情況:a.叉車有一個(gè)車輪在板外，另一個(gè)車輪在板內(nèi);b.叉車的兩個(gè)輪子都在板內(nèi)且距離梁邊的距離相等;c.叉車的兩個(gè)輪子在板內(nèi)，有一個(gè)位于板中(見(jiàn)圖4)。第一種布置顯然比第三種小，故不做計(jì)算。只需要計(jì)算第二、第三種布置形式。

圖4 叉車荷載的最不利布置

2.3.3 叉車的動(dòng)力系數(shù)

根據(jù)《荷載規(guī)范》5.6.2條，并參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［2］4.3.2條第6款規(guī)定，對(duì)于確定叉車作用于樓面的等效均布活荷載時(shí)的動(dòng)力系數(shù)可取1.3。

3 等效荷載的計(jì)算

3.1 查表計(jì)算法

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)手冊(cè)》［3］(以下簡(jiǎn)稱《荷載設(shè)計(jì)手冊(cè)》)附錄四計(jì)算。

3.1.1 貨架荷載的等效均布活荷載

根據(jù)《荷載設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行查表計(jì)算，考慮貨架荷載第一種和第二種最不利的布置情況(如圖3所示)，其等效均布活荷載分別為 19.05 kN/m2，6.61 kN/m2。

故貨架產(chǎn)生的等效均布活荷載取19.05 kN/m2。

3.1.2 叉車荷載的等效均布活荷載

其計(jì)算過(guò)程同貨架。貨架產(chǎn)生的等效均布活荷載為11.8 kN/m2。

3.1.3 查表法最終計(jì)算結(jié)果

通過(guò)貨架和叉車分別分析，貨架的第一種不利布置和叉車的第三種不利布置形成最不利的荷載分布。查表法得出的等效均布活荷載為:

3.2 有限元驗(yàn)證

本文采用ANSYS軟件殼單元(Shell63，彈性殼)來(lái)計(jì)算雙向板的等效均布活荷載，其步驟如下:1)創(chuàng)建四邊簡(jiǎn)支的彈性板模型，按照理論分析的最不利的荷載布置，按局部均布荷載計(jì)算板中心處最大彎矩Mmax1;2)再次創(chuàng)建四邊簡(jiǎn)支的彈性板模型，參數(shù)同步驟1)，施加1 kN/m2均布荷載，計(jì)算得出板中心的最大的彎矩Mmax2;3)則雙向板的等效均布活荷載為Mmax1/Mmax2，ANSYS求得的等效均布活荷載見(jiàn)表1。

表1 ANSYS求得的等效均布活荷載 kN/m2

則等效均布活荷載為qe=16.4+10.8=27.2 kN/m2。

與查表法相比，有限元軟件計(jì)算結(jié)果偏小13.4%。這說(shuō)明查表法計(jì)算結(jié)果是偏于安全的。有限元軟件計(jì)算能夠得出準(zhǔn)確結(jié)果，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用不便。

3.3 基于查表法的EXCEL表格工具

前文已經(jīng)論述了查表計(jì)算雙向板的等效均布活荷載的合理性，由于查表計(jì)算需要考慮5個(gè)系數(shù)，而每個(gè)系數(shù)往往不是表格里面的整數(shù)值，為得出一個(gè)系數(shù)就需要4個(gè)階段總共31次的線性插值，效率低下。為提高工作效率，作者制作了一個(gè)EXCEL表格工具，其操作界面見(jiàn)表2。

使用時(shí)只需要把計(jì)算出的k，α，β，ξ，η等數(shù)值填入表格內(nèi)，左邊就會(huì)計(jì)算出你需要填入的θ值對(duì)應(yīng)的各個(gè)參數(shù)。比如叉車荷載第二種最不利的布置情況的1號(hào)支腿:k=1.04，α=0.128，β=0.148，ξ=0.308，η=0.24。填入以后，第一行需要填入的是:k=1.0，α=0.1，β=0.1，ξ=0.3，η=0.2 對(duì)應(yīng)的 θ=0.010 8。這樣按照要求把所有的θ值填入后就能直接得到最終的參數(shù)。利用EXCEL表格工具能提高查表計(jì)算的效率，防止由于繁瑣的手工計(jì)算造成的錯(cuò)誤，且其計(jì)算的結(jié)果又通過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn)。

表2 EXCEL操作界面

4 結(jié)語(yǔ)

1)按照《荷載設(shè)計(jì)手冊(cè)》計(jì)算樓面等效荷載安全可靠，但由于參數(shù)較多，查表計(jì)算效率低下。

2)利用EXCEL電子表格工具，結(jié)合《荷載設(shè)計(jì)手冊(cè)》，進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算可以大大提高工作效率。

［1］GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［2］JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［3］陳基發(fā)，沙志國(guó).建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.