大型車輛荷載在水利水電工程中的分析與應(yīng)用

韓少玄

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，越來(lái)越多的水利水電工程正在規(guī)劃與建設(shè)，而在工程建設(shè)中往往因?yàn)槭┕ぁ⒐芾?、用地受限等方面的考慮，需與城市公路聯(lián)合布置[1- 2]。城市道路上車輛眾多，車輛荷載作為一種移動(dòng)循環(huán)荷載[3]，具有輪壓荷載數(shù)值大、作用位置不確定及一般作用時(shí)間較短等特點(diǎn)，一直是困擾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中首先遇到且必須要解決的問(wèn)題[4]。

汽車荷載作為交通結(jié)構(gòu)的重要荷載之一，由于沒(méi)有明確的規(guī)范規(guī)定，其取值的精確性在結(jié)構(gòu)工程中，往往容易被忽略[5]?，F(xiàn)行SL 744—2016《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中沒(méi)有明確汽車荷載的取值，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)通常依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]，如楊軍等[8]確定與復(fù)核了水電站安裝場(chǎng)樓面的活荷載；或者依據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[9]，如陳宜健[10]對(duì)箱涵設(shè)計(jì)中的車輛荷載進(jìn)行了計(jì)算分析。

GB 50009—2012對(duì)300kN級(jí)消防車的雙向板的活荷載做了規(guī)定：板跨不小于3m×3m時(shí)，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)不小于35kN/m2，板跨不小于6m×6m，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)不小于20kN/m2。對(duì)于超過(guò)300kN的車輛或者板跨不滿足規(guī)范要求的雙向板，應(yīng)將車輪的局部荷載按結(jié)構(gòu)效應(yīng)的等效原則，換算為等效均布荷載。通過(guò)分析將實(shí)際受荷情況轉(zhuǎn)化為等效均布荷載進(jìn)行構(gòu)件驗(yàn)算，可以保證工程安全[11- 12]。JTG D60—2015將車輛荷載分為了車道荷載和集中荷載作用，受力相對(duì)比較明確，但需借助結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行計(jì)算。

基于以上問(wèn)題，本文結(jié)合工程實(shí)例利用有限元分析軟件SAP2000對(duì)兩種規(guī)范中汽車荷載的取值方法進(jìn)行對(duì)比分析研究，指導(dǎo)在工程設(shè)計(jì)中能夠合理采用荷載值，以滿足工程設(shè)計(jì)需要。

1 概況

八里湖賽城湖控制樞紐工程攔污柵閘上部結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)尺寸為3.85m×4.3m，柱截面尺寸為600mm×600mm，框架梁截面尺寸為400mm×800mm，次梁尺寸為300mm×700mm，結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖(單位：mm)

運(yùn)輸車輛按公路-1級(jí)汽車荷載考慮[9]，軸長(zhǎng)12.8m，寬2.5m，輪距1.8m，滿載總重550kN，最大前輪壓15kN，最大后輪壓70kN，前輪作用面積為0.2m×0.3m，后輪作用面積為0.2m×0.6m。運(yùn)輸車輛參數(shù)如圖2所示。

圖2運(yùn)輸車輛參數(shù)(單位：mm)

2 規(guī)范中對(duì)車輛荷載取值的規(guī)定

2.1 GB 50009—2012

(1)雙向板

雙向板的等效均布活荷載，按四邊簡(jiǎn)支板的絕對(duì)最大彎矩等值來(lái)確定。雖然規(guī)范明確規(guī)定了等效均布荷載的計(jì)算原則和方法，但是由于車輛輪壓位置的不確定，實(shí)際計(jì)算比較復(fù)雜，難以掌握。結(jié)合國(guó)內(nèi)許多專家、學(xué)者進(jìn)行的相關(guān)研究[13- 16]，確定雙向板等效均布活荷載計(jì)算方法：首先在跨度為l的板面上施加1kN/m2的均布面荷載，得到板中最大彎矩Mmax0；然后對(duì)機(jī)動(dòng)車輛不利位置組合下的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，得到板中最大彎矩Mmax；由此可以得到雙向板的車輛等效均布活荷載qe見(jiàn)公式(1):

(1)

式中，qe—等效均布活荷載，kN/m2;Mmax,Mmax0—板中最大彎距，kN·m。

(2)次梁

次梁的等效均布活荷載，可按單跨簡(jiǎn)支計(jì)算，取按彎矩和剪力等效的均布活荷載中的較大者，按彎矩和剪力等效的均布活荷載公式計(jì)算分別見(jiàn)公式(2)、公式(3)：

(2)

(3)

式中，S—次梁間距，m；l—次梁跨度，m；Mmax—簡(jiǎn)支次梁的絕對(duì)最大彎矩，kN·m；按設(shè)備的最不利布置確定；Vmax—簡(jiǎn)支次梁的絕對(duì)最大剪力，kN；按設(shè)備的最不利布置確定。

(3)框架梁

當(dāng)荷載分布比較均勻時(shí)，主梁上的等效均布活荷載可由全部荷載總和除以全部受荷面積求得。

2.2 JTG D60- 2015

(1)汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。整體計(jì)算采用車道荷載；局部加載等的計(jì)算采用車輛荷載。

(2)公路-1級(jí)車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5kN/m；集中荷載計(jì)算跨徑≤5m，取270kN。

(3)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值滿布于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利效應(yīng)的同號(hào)影響線上；集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值只作用于相應(yīng)影響線中一個(gè)影響線峰值處。

3 按等效均布活荷載計(jì)算

3.1 雙向板

車輛在板面上行駛，考慮啟動(dòng)和剎車且頂板上無(wú)覆土，車輛動(dòng)力系數(shù)取為1.3，則最大輪壓為1.3×70kN=91kN，板面局部活荷載為758.3kN/m2。計(jì)算模型為四邊簡(jiǎn)支板，跨度大小為4.10m×3.70m，采用有限元軟件SAP2000中的殼單元模擬雙向板。根據(jù)車輛參數(shù)尺寸及板跨度，最不利位置是車輛后軸的最大輪壓按局部荷載作用在板內(nèi)，布置方式如圖3所示。

圖3 機(jī)動(dòng)車不利位置示意圖(單位：mm)

按以上兩種局部荷載作用在板內(nèi)的情況分別計(jì)算出板跨中最大彎矩，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 雙向板等效均布活荷載計(jì)算

從表1可以看出，板面的等效均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為42.82kN/m2，是規(guī)范給出300kN級(jí)消防車雙向板均布活荷載值的1.22倍。根據(jù)GB 50009—2012，300kN級(jí)消防車最大輪壓為60kN，與本工程選用的車輛最大輪壓相差1.16倍。在允許誤差范圍內(nèi)，雙向板的等效均布活荷載可以按規(guī)范取值后乘以最大輪壓比值的放大系數(shù)，能夠滿足工程計(jì)算精度。

3.2 次梁

次梁按簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算，跨度為4.1m，最不利位置為后輪直接作用于次梁上，采用有限元軟件SAP2000中的框架單元建立簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算，集中荷載為1.3×70=91kN，等效均布荷載計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 次梁等效均布活荷載計(jì)算

從表2可以看出，次梁的等效均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為13.50kN/m2，其值顯著小于板面的等效均布活荷載值。因此，在進(jìn)行次梁設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用與板不同的等效均布活荷載值。

3.3 框架梁

當(dāng)車輛行駛時(shí)，最大荷載為中軸和后軸重力全部落于結(jié)構(gòu)內(nèi)，則框架梁柱的等效均布活荷載為16.62kN/m2。

計(jì)算結(jié)果表明框架梁的等效均布活荷載與次梁的等效均布荷載值相差不大，在設(shè)計(jì)次梁和框架梁時(shí)，可以統(tǒng)一采用16.62kN/m2荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算。

4 按車道荷載計(jì)算

在SAP2000中建立整體模型，采用殼單元模擬板，框架單元模擬框架梁和柱，柱底與混凝土基礎(chǔ)固結(jié)?？蚣軐?.30m，根據(jù)JTG D60—2015，車道荷載為1個(gè)?？紤]最不利位置布置車道荷載10.5kN/m2，集中荷載270kN只作用于相應(yīng)影響線中一個(gè)影響線峰值處，整體模型及荷載作用位置，如圖4所示。同時(shí)，利用已建立的整體模型施加等效荷載42.82kN/m2和等效荷載16.62kN/m2，提取板、次梁和框架梁等內(nèi)力結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

圖4 整體模型及荷載作用位置

從表3可以看出，與車道荷載相比，采用板等效均布活荷載進(jìn)行計(jì)算板的內(nèi)力，水平向彎矩和豎直向彎矩分別減少了8.86%、5.89%，相差較??；次梁的內(nèi)力顯著減少；框架梁的內(nèi)力顯著增大。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)水利水電工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)大型車輛荷載的取值，采用有限元軟件分析時(shí)建議采用車道荷載進(jìn)行計(jì)算，能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際受力，保障結(jié)構(gòu)安全。

(2)采用等效均布活荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析時(shí)，樓板面采用等效均布活荷載進(jìn)行內(nèi)力分析是合理可行的；

(3)雙向板的等效均布活荷載可以按規(guī)范取值然后乘以最大輪壓比值的放大系數(shù)快速取值，能夠滿足工程計(jì)算精度。

(4)樓面梁采用梁等效均布活荷載時(shí)，差異較大，建議結(jié)構(gòu)分析時(shí)采用板等效均布活荷載按規(guī)范進(jìn)行折減后進(jìn)行計(jì)算。

(5)雙向板等效均布活荷載的取值與板跨度、車輛作用方向、板長(zhǎng)寬比以及覆土厚度等因素有關(guān)，因此，計(jì)算時(shí)應(yīng)綜合考慮結(jié)合工程實(shí)際情況，按照荷載最不利布置原則確定車輛位置。