車輛荷載在水利水電工程中應(yīng)用

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摘要:為了確定水利水電工程中大型車輛荷載的取值，文章對比分析了不同規(guī)范中大型車輛荷載的計算方法;結(jié)合工程實例，利用有限元軟件SAP2000分別計算出樓板面、次梁、框架梁的等效均布活荷載及車道荷載作用下的整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。結(jié)果表明，等效均布活荷載用于分析樓板面結(jié)構(gòu)內(nèi)力是合理可行的，用于分析樓面梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力時有較大差異。樓面梁等效均布活荷載建議采用板等效均布活荷載進行折減后取值。等效均布荷載影響因素較多，取值復(fù)雜且較難統(tǒng)一，建議采用車道荷載進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。

關(guān)鍵詞:車輛荷載;有限元;等效均布活荷載;車道荷載

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步，越來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)中往往因為施工、管理、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間較短等特點，一直是困擾結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計中首先遇到且必須要解決的問題［4］。汽車荷載作為交通結(jié)構(gòu)的重要荷載之一，由于沒有明確的規(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SL744—2016《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》［6］中沒有明確汽車荷載的取值，實際設(shè)計時通常依據(jù)GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［7］，如楊軍等［8］確定與復(fù)核了水電站安裝場樓面的活荷載;或者依據(jù)JTGD60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》［9］，如陳宜?。?0］對箱涵設(shè)計中的車輛荷載進行了計算分析。GB50009—2012對300kN級消防車的雙向板的活荷載做了規(guī)定:板跨不小于3m×3m時，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。對于超過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。通過分析將實際受荷情況轉(zhuǎn)化為等效均布荷載進行構(gòu)件驗算，可以保證工程安全［11-12］。JTGD60—2015將車輛荷載分為了車道荷載和集中荷載作用，受力相對比較明確，但需借助結(jié)構(gòu)分析軟件進行計算?；谝陨蠁栴}，本文結(jié)合工程實例利用有限元分析軟件SAP2000對兩種規(guī)范中汽車荷載的取值方法進行對比分析研究，指導(dǎo)在工程設(shè)計中能夠合理采用荷載值，以滿足工程設(shè)計需要。

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。運輸車輛按公路－1級汽車荷載考慮［9］，軸長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。運輸車輛參數(shù)如圖2所示。

2規(guī)范中對車輛荷載取值的規(guī)定

2.1GB50009—2012

(1)雙向板雙向板的等效均布活荷載，按四邊簡支板的絕對最大彎矩等值來確定。雖然規(guī)范明確規(guī)定了等效均布荷載的計算原則和方法，但是由于車輛輪壓位置的不確定，實際計算比較復(fù)雜，難以掌握。結(jié)合國內(nèi)許多專家、學(xué)者進行的相關(guān)研究［13-16］，確定雙向板等效均布活荷載計算方法: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;然后對機動車輛不利位置組合下的內(nèi)力進行計算，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見公式(1):qe=MmaxMmax0(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，可按單跨簡支計算，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算分別見公式(2)、公式(3):qeM=8MmaxSl2(2)qeV=2MmaxSl(3)式中，S—次梁間距，m;l—次梁跨度，m;Mmax—簡支次梁的絕對最大彎矩，kN·m;按設(shè)備的最不利布置確定;Vmax—簡支次梁的絕對最大剪力，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，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。

2.2JTGD60-2015

(1)汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。整體計算采用車道荷載;局部加載等的計算采用車輛荷載。(2)公路－1級車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5kN/m;集中荷載計算跨徑≤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)影響線中一個影響線峰值處。

3按等效均布活荷載計算

3.1雙向板

車輛在板面上行駛，考慮啟動和剎車且頂板上無覆土，車輛動力系數(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。計算模型為四邊簡支板，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。按以上兩種局部荷載作用在板內(nèi)的情況分別計算出板跨中最大彎矩，計算結(jié)果見表1。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級消防車雙向板均布活荷載值的1.22倍。根據(jù)GB50009—2012，300kN級消防車最大輪壓為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)，能夠滿足工程計算精度。

3.2次梁

次梁按簡支梁進行計算，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支梁進行計算，集中荷載為1.3×70=91kN，等效均布荷載計算結(jié)果見表2。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，在進行次梁設(shè)計時，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，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)計次梁和框架梁時，可以統(tǒng)一采用16.62kN/m2荷載標(biāo)準(zhǔn)值進行計算。

4按車道荷載計算

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)JTGD60—2015，車道荷載為1個?？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)影響線中一個影響線峰值處，整體模型及荷載作用位置，如圖4所示。同時，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)果匯總見表3。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行計算板的內(nèi)力，水平向彎矩和豎直向彎矩分別減少了8.86%、5.89%，相差較小;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

(1)水利水電工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對大型車輛荷載的取值，采用有限元軟件分析時建議采用車道荷載進行計算，能夠準(zhǔn)確模擬實際受力，保障結(jié)構(gòu)安全。(2)采用等效均布活荷載進行結(jié)構(gòu)設(shè)計分析時，樓板面采用等效均布活荷載進行內(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，能夠滿足工程計算精度。(4)樓面梁采用梁等效均布活荷載時，差異較大，建議結(jié)構(gòu)分析時采用板等效均布活荷載按規(guī)范進行折減后進行計算。(5)雙向板等效均布活荷載的取值與板跨度、車輛作用方向、板長寬比以及覆土厚度等因素有關(guān)，因此，計算時應(yīng)綜合考慮結(jié)合工程實際情況，按照荷載最不利布置原則確定車輛位置。

作者:韓少玄 單位:上海勘測設(shè)計研究院有限公司