楊力良，李小鋒（中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司，河南鄭州450007）

0 前言

受歷史和現(xiàn)實(shí)條件影響，通信基站（BTS）相當(dāng)一部分為租賃現(xiàn)有各種用途的房屋改造為通信機(jī)房，且在安裝設(shè)備時(shí)經(jīng)常沒有土建專業(yè)查勘配合，很多通信機(jī)房本身的承載力已經(jīng)不滿足建筑結(jié)構(gòu)可靠性的承載標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，隨著通信事業(yè)的高速發(fā)展，加之近年3G、4G以及共站共享等工程，機(jī)房內(nèi)設(shè)備越來越多，所以機(jī)房承重核算及改造問題就突出表現(xiàn)出來。通過機(jī)房承重核算既可確切掌握現(xiàn)有機(jī)房是否存在超載問題和安全隱患，也可為下一步機(jī)房改造提供依據(jù)。本文就機(jī)房承重核算問題進(jìn)行分析，提供機(jī)房承重核算的方法并探討使用中須注意的問題。

1 承重核算的前提與思路

機(jī)房承重核算一般僅針對其影響范圍內(nèi)的梁、板、柱進(jìn)行分析，要保證核算結(jié)果真實(shí)、可靠、有意義，需要把握以下幾個(gè)前提條件。

a）機(jī)房所在建筑是經(jīng)過有資質(zhì)的正規(guī)單位設(shè)計(jì)，并且在建設(shè)和使用中未出現(xiàn)重大質(zhì)量問題（如較大的受力裂縫、受過火災(zāi)等）。

b）要有原建筑詳實(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，諸如梁、板、柱、剪力墻的布置情況，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載，原結(jié)構(gòu)配筋等。

c）應(yīng)有詳盡的機(jī)房內(nèi)設(shè)備重量及布置情況（包括遠(yuǎn)期與近期）。

承重核算的根本思路是設(shè)備與結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的效應(yīng)S 與結(jié)構(gòu)抗力R，當(dāng)S

根據(jù)建筑材料的不同，建筑及結(jié)構(gòu)分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)，大量通信基站均位于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或砌體結(jié)構(gòu)房屋內(nèi)，對此2種房屋，其樓面及屋面板分為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板和預(yù)制鋼筋混凝土樓板?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板依據(jù)板的長寬比分為單向板和雙向板，長寬比小于2的為雙向板，受力模式為四邊承重，大于2的為單向板，受力模式為沿短向兩邊承重。

2 預(yù)制板機(jī)房的承重核算

現(xiàn)有機(jī)房樓面有相當(dāng)一部分是預(yù)制板，尤其是在城鄉(xiāng)結(jié)合部和農(nóng)村租用民房作為機(jī)房的。預(yù)制板樓面?zhèn)髁Ρ容^明確，板與板之間的連接比較薄弱，一般不考慮荷載擴(kuò)散，承重核算比較容易?？梢园凑杖缦碌牟襟E進(jìn)行。

a）確定板的擺放方式，以及板的約束端位置。

b）找出實(shí)際受荷最大的板，并按照板的實(shí)際荷載確定計(jì)算簡圖。

c）分別計(jì)算設(shè)備和設(shè)計(jì)活荷載產(chǎn)生內(nèi)力并比較得出板承重結(jié)論。

d）根據(jù)板在實(shí)際荷載下的支反力計(jì)算板端約束（梁或者墻）的內(nèi)力，并和活荷載作用下的內(nèi)力進(jìn)行比較，得出梁或者墻的承載力結(jié)論。

e）根據(jù)梁上的支反力計(jì)算柱實(shí)際受力情況，并和柱子設(shè)計(jì)活荷載作用下的內(nèi)力比較，得出柱子承載力的結(jié)論。

算例1：機(jī)房尺寸為3.6 m×5.4 m，預(yù)制板的跨度為3.6 m，板寬為600 mm。機(jī)房內(nèi)蓄電池為單層雙列擺放。設(shè)備擺放方式如圖1（a）所示；機(jī)房內(nèi)設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表1所示。

依據(jù)預(yù)制板和設(shè)備的布置情況，可以看出放置C網(wǎng)設(shè)備的板荷載最大，位置也最不利。所以可以取此板進(jìn)行承重核算。計(jì)算簡圖如圖1（b）所示。其中q6表示電池在板上產(chǎn)生的線荷載，qx表示設(shè)備在相應(yīng)板上產(chǎn)生的線荷載。根據(jù)圖1（b），可以由結(jié)構(gòu)力學(xué)知識計(jì)算得到板的最大彎矩值Mb1，板端剪力Qb1。如果Mb1和Qb1滿足下式（1）和（2），則在機(jī)房實(shí)際荷載下板能夠滿足原設(shè)計(jì)可靠度下的承重標(biāo)準(zhǔn)。

表1 機(jī)房內(nèi)設(shè)備相關(guān)參數(shù)

圖1 預(yù)制板機(jī)房計(jì)算簡圖

式中：

qL——原樓的樓面設(shè)計(jì)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值

l——樓板的跨度

b——預(yù)制板寬度

根據(jù)圖1（b），可計(jì)算每塊板的板端支反力，將其等值反號后的值就是梁上的實(shí)際作用力Fx（x=1、2～6）。由此可以計(jì)算梁的最大彎矩ML1和最大剪力QL1。當(dāng)ML1和QL1分別滿足下式（3）和（4）時(shí)，則在實(shí)際荷載下梁能夠滿足原設(shè)計(jì)可靠度下的承重。

式中：

MLL——梁的彎矩的設(shè)計(jì)承載力，根據(jù)設(shè)計(jì)均布活

3 現(xiàn)澆板機(jī)房的承重核算

與預(yù)制板不同，現(xiàn)澆板整體性好，設(shè)備作為局部荷載作用在其上時(shí)會(huì)有一定的擴(kuò)散，所以應(yīng)把設(shè)備產(chǎn)生的荷載等效為均布荷載，將均布荷載與設(shè)計(jì)活荷載比較得到板的承重結(jié)論。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 2009-2012）附錄C（下稱規(guī)范附錄C）規(guī)定的等效原則如下：

a）樓面（板、次梁及主梁）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確定。在一般情況下，可僅按內(nèi)力的等值來確定。

b）連續(xù)梁、板的等效均布活荷載，可按單跨簡支計(jì)算。但計(jì)算內(nèi)力時(shí)，仍應(yīng)按連續(xù)考慮。

3.1 單向板等效均布荷載計(jì)算

單向板上一個(gè)局部均布荷載（包括集中荷載）的等效均布活荷載qe可按式（5）計(jì)算。

式中：

l——板的跨度

b——板上荷載的有效分布寬度，按照規(guī)范附錄C.0.5確定

Mmax——簡支單向板的絕對最大彎矩，按設(shè)備的最不利布置確定

計(jì)算Mmax時(shí)，設(shè)備荷載應(yīng)扣去設(shè)備在該板跨內(nèi)所占面積上由操作荷載引起的彎矩。

若由（5）式所算得的qe

在用規(guī)范附錄C確定等效均布活荷載時(shí)應(yīng)該明確以下幾個(gè)問題。

a）計(jì)算局部荷載作用下的最大彎矩Mmax時(shí)，局部荷載不能簡單采用集中荷載代替，否則計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大偏差，結(jié)論偏于保守。

b）規(guī)范附錄C是針對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出來的，所以在計(jì)算局部荷載作用下Mmax時(shí)，取的是設(shè)備最不利的擺放位置。在承重核算中，因?yàn)樵O(shè)備布置是已知的，為充分挖掘結(jié)構(gòu)承載力潛能，可按實(shí)際荷載所在的位置計(jì)算最大的Mmax。

按實(shí)際局部荷載布置計(jì)算Mmax，采用公式（5）計(jì)算等效均布荷載，其物理概念并不明確。因?yàn)閷?shí)際Mmax是距離支座A為X處的彎矩（見圖2（a）），而公式（5）中與其等效的彎矩位置在跨中（見圖2（b））。上述計(jì)算方式概念不明確，但其計(jì)算結(jié)果是可用的，因?yàn)榘宓撞夸摻钍峭ㄩL的，板塊各處受彎承載力均相等。也可按實(shí)際荷載計(jì)算Mmax，依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)公式計(jì)算qe1，使均布荷載qe1作用下x處的彎矩M1max=Mmax。如此確定的qe1結(jié)果偏大，其產(chǎn)生的跨中最大彎矩M2max大于實(shí)際板中最大彎矩M1max（見圖2（c））。

圖2 不同荷載作用下的彎矩圖

c）當(dāng)有多個(gè)設(shè)備緊密排列，且各設(shè)備共享同一個(gè)有相當(dāng)剛度的底座時(shí)，可按一個(gè)局布均布荷載計(jì)算。不滿足上述要求時(shí)，取設(shè)備最不利布置的板塊進(jìn)行計(jì)算，不考慮荷載擴(kuò)散。詳細(xì)的分析須采用有限單元法。

3.2 雙向板等效均布荷載計(jì)算

規(guī)范附錄C.0.6 給出雙向板的等效均布荷載的計(jì)算原則：“雙向板等效均布荷載可按照與單向板相同的原則，按四邊簡支板的絕對最大彎矩等值來確定”。雙向板在均布荷載和單個(gè)局部荷載下的彎矩依據(jù)式（6）、（7）計(jì)算。

式中：

M1——等效均布荷載作用下的板跨中彎矩

M2——局部均布荷載作用下的板跨中彎矩

qe——等效均布荷載

q——局部均布荷載

按式（8）計(jì)算的等效均布荷載會(huì)偏大，承重核算結(jié)果會(huì)偏于保守，原因是按照靜力計(jì)算手冊確定的M2是局部荷載作用在最不利位置產(chǎn)生的最大彎矩。雙向板上連續(xù)布置多個(gè)設(shè)備時(shí)，可參照單項(xiàng)板上多個(gè)均布荷載的處理方式，將多個(gè)局部荷載等效為一個(gè)局部荷載，或采用有限單元法計(jì)算。

3.3 梁、柱、墻承重核算

3.3.1 次梁

規(guī)范附錄C給出了次梁等效均布活荷載的計(jì)算方法，該方法同樣是基于設(shè)計(jì)角度提出的，公式中的Mmax、Vmax是按照設(shè)備最不利布置確定的。承重核算時(shí)，為充分發(fā)揮現(xiàn)有結(jié)構(gòu)承載力，應(yīng)按照實(shí)際設(shè)備布置計(jì)算Mmax、Vmax。按設(shè)備實(shí)際布置確定次梁內(nèi)力會(huì)遇到如下問題：設(shè)備布置在單向板上時(shí)，設(shè)備重量按照到兩邊支承梁的距離分配，但設(shè)備布置在雙向板上，則設(shè)備荷載會(huì)向四邊梁傳遞（見圖3），各邊梁分配的設(shè)備荷載如何確定成為問題。

圖3 局部荷載分配示意圖

該問題可采用有限元方法解決，也可按荷載總以最近路徑傳遞的原則，把局部荷載按其到各梁的距離進(jìn)行分配。如圖3，設(shè)備自重為G，設(shè)備中心距離各梁的距離為a，b，c，d，則各梁所受集中荷載為F1=f（a）/fo（a，b，c，d），F(xiàn)2=f（b）/fo（a，b，c，d），F(xiàn)3=f（c）/fo（a，b，c，d），F(xiàn)4=f（d）/fo（a，b，c，d）。其中fo和f 是與a，b，c，d 相關(guān)的函數(shù)。

3.3.2 主梁、柱、墻

當(dāng)荷載分布比較均勻時(shí)，主梁、柱、墻的等效均布荷載可由相應(yīng)構(gòu)件承擔(dān)的全部設(shè)備荷載除以其全部受荷面積求得，亦可采用有限單元法計(jì)算。

3.4 有限元軟件的應(yīng)用

對于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，采用有限元軟件可以方便、準(zhǔn)確地核算機(jī)房板（單向板、雙向板）、次梁、主梁、柱、墻等構(gòu)件的承重問題。有限元軟件可選用切近設(shè)計(jì)，能夠自由劃分網(wǎng)格的Midas，sap2000 等。建模時(shí)應(yīng)取一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)單元，即模型中應(yīng)包括板、次梁、主梁、柱（見圖4），樓板網(wǎng)格的劃分應(yīng)依據(jù)設(shè)備底座尺寸確定，以保證設(shè)備荷載能按照其實(shí)際輸入。將設(shè)備作用下各構(gòu)件的內(nèi)力S 與設(shè)計(jì)活荷載作用下各構(gòu)件內(nèi)力S1比較，當(dāng)S

圖4 結(jié)構(gòu)單元的有限元模型

4 結(jié)束語

基站機(jī)房承重核算應(yīng)結(jié)合機(jī)房實(shí)際與設(shè)備布置情況，選擇合適的核算方法。對于現(xiàn)澆板鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建議采用有限元法建模計(jì)算，直接比較設(shè)備和設(shè)計(jì)活荷載作用下各構(gòu)件的內(nèi)力。采用等效均布活荷載進(jìn)行承重核算時(shí)，應(yīng)明確公式中相關(guān)參數(shù)的概念，充分挖掘結(jié)構(gòu)可靠承載力。

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