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高吨位消防车等效荷载取值研究

建 筑 结 构

高吨位消防车等效荷载取值研究

王 明,唐笑一,卫江华,张 勋,李 晔

(成都基准方中建筑设计有限公司,成都 610031)

[摘要] 当前,国内许多城市采购了芬兰的博浪涛公司生成的高吨位(63吨)登高消防车,但对于该车在消防车道行驶及展开扑救工作状态下的等效荷载尚未有权威的数据资料。本文依据成都市有关消防部门提供资料及现场测量数据,对该车在各工况下(不同的车型组合、不同的着地位置、不同的覆土深度等)的均布荷载进行了等效,得出了相应的结论,可为考虑该消防车项目的结构设计及规范编制提供参考。 [关键词] 高吨位消防车; 登高消防车; 等效荷载; 消防车道; ABAQUS

中图分类号:TU398.7 文献标识码:A 文章编号:

Study on equivalent uniform live load for high tonnage-fire engines

Wang Ming, Tang Xiaoyi, Wei Jianghua, Zhang Xun, Li Ye (Chengdu JZFZ Architectural Design Co.,Ltd, Chengdu 610031, China)

Abstract: At present, the domestic many cities purchasing the Finnish bo on the company's high tonnage (63 tons) fire engines, but for the car on fire lane and saves the working status of equivalent load is not yet authoritative data. According to the fire department of chengdu provides data and field measurement data, under various operating conditions on the vehicle (combination of different models, different landing position and different depth of the overburden soil, etc.) of the equivalent uniformly distributed load, the corresponding conclusion, to consider the fire engines provide reference for structure design of the project. Keywords: high tonnage-fire engines; lift-up fire engines; equivalent load; fire lane; ABAQUS

0 引言

高吨位消防车等效荷载取值研究

当前,国内许多城市采购了芬兰的博浪涛公司的高吨位(63吨)登高消防车,详见下表1。最高有效高度为101米,曲臂式结构,适用于69-101米高度建筑物火灾救火和救生,代表最高水平现代消防技术和消防能力极限。采用的是6轴商用卡车底盘,整车重量63吨,有较好的稳定性与灵活性,能保持高速行驶。

国内采购高吨位消防车城市一览表 表1

图1 63吨级消防车照片

1 消防车规格

高吨位消防车等效荷载取值研究

此次研究的消防车为63吨级登高消防车和编制《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)[1](以下简称规范)选用的30吨级灭火消防车。通过先后两次去成都市消防中队特勤大队二中队现场测量数据、与消防指挥官交流以及相关招标文件获知:63吨级登高消防车本身并没有储水功能,灭火施救时旁边会有一般灭火消防车为其供水或者取水于消火栓,并且其方圆约20米以内不准停放任何其

作者简介:王明,硕士,国家一级注册结构工程师,中级工程师

四川省土木建筑学会会员 Email:wangming@http://www.wendangku.net/doc/36288236dc36a32d7375a417866fb84ae45cc3fe.html

王明, 等.高吨位消防车等效荷载取值研究

他车辆(包括为其供水的灭火消防车),全车轴重合计630kN,前轴重为2×90kN,后轴重为4×112.5kN,有4个前轮和12后轮,车高3.96m,车宽2.55m,车长15.5m,轮压作用尺寸详见图2。通过查阅《全国民用建筑工程设计技术措施》(结构)[2]以及现场收集的数据得知:30吨级灭火消防车,全车满载总重300kN,前轴重为60kN,后轴重为2×120kN,有2个前轮和8个后轮,车宽2.5m,车长8.0m,轮压作用尺寸详见图3,图中0.6m轮压宽度表示两个车轮宽度加上车轮间净距。

图263吨级登高消防车整车尺寸和轮压着地尺寸

注:1 上图单位为mm;

2上图数据为我司两次进行现场测量的真实数据。

图330吨级消防车整车尺寸和轮压着地尺寸(单位:mm)2覆土影响

当楼板上没有覆土的时候,消防车轮压作用尺寸为上图2、图3所示。当覆土厚度不为零时,土的扩散作用使得作用在楼板上的轮压尺寸变大,压强变小。土越厚尺寸越大,压强也就越小。由于轮胎间距固定,经过一定深度覆土扩散之后,楼板上轮压的作用面积会发生一定的重叠,使得重叠区域压强变大,重叠次数越多,重叠区域的压强也就越大,详见图4。不仅楼板上的覆土对轮压有扩散作用,混凝土楼板本身也有扩散作用,扩散角θ=45°。

b sx= b tx + 2stanθ+ h (1)

b sy = b ty + 2stanθ+ h (2)式中:b sx ,b sy表示经s厚覆土扩散以后的轮压宽度和长度;

b tx ,b ty表示没有覆土时的轮压宽度和长度;

s ,h分别表示楼板上覆土厚度和楼板厚度;

θ表示土的扩散角,工程上常取35°。

本文研究所采用的楼板厚h0=0.1m,而在实际工程中楼板厚度种类繁多,由此可以根据扩散后轮压面积相等的原则利用式(3)将多余板厚折算到覆土厚度里面来考虑其影响[3],详见图5。

图4 轮压的扩散与重叠示意图[3]

s?=s+

???0

2tanθ

(3)式中:s?为标准楼板(h0=0.1m)上的折算覆土厚度。

图5 折算覆土厚度原则

单个轮压扩散尺寸和压强(kN/m2)与覆土厚度的关系表2

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考虑到消防车起动和制动时的动力效应,消防车荷载应乘以动力放大系数。然而覆土对减轻动力效应有一定的有利作用,所以覆土厚度大于一定值时,可以不用考虑汽车的动力效应[2]。

消防车轮压动力系数μ表3 3消防车最不利布置

建 筑 结 构

由于后轴轴重均比前轴大,并且根据前文图中的前轴和后轴间距,经过详细研究之后得出在最不利荷载位置上前轴和后轴轮压不会出现在同一常规板跨内(包括轮压经过1.5m 覆土扩散之后),故只考虑后轴轮压对楼板的影响。同时由整车尺寸可以得出在考虑常规板跨(3m~6m )时,不可能出现两车尾尾相接并且所有后轴轮压均作用在同一板跨内(包括轮压经过1.5m 覆土扩散之后),故只研究两车并行时后轮对楼板的影响。由于不同板跨不同覆土厚度,消防车的最不利布置均不相同,现仅举例63t 和30t 两台消防车作用在3m×3m 板跨上的情况,详见图6。

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(a )0.0m 覆土 (b )0.5m 覆土 (c )1.0m 覆土

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(d )1.2m 覆土 (e )1.5m 覆土

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图6 3m ×3m 板跨63t 和30t 两台消防车最不利布置及轮压

扩散与重叠示意(最多叠加4次)

注:图中A 表示一种轮压,B 表示另一种轮压,A+B 表示A 轮压和B 轮压的叠加,A2表示2倍A 轮压的叠加

4 楼面等效均布荷载取值方法

高吨位消防车等效荷载取值研究

参照规范[1]附录C 的原则按照四边简支双向板绝对最大弯矩等值来确定。首先在四边简支板上作用单位均布荷载q 1,求出两个方向的跨中弯矩M x 和M y ,根据下面几式计算出弯矩计算系数β。

M x = M x0 + νM y0 (4) M y = M y0 + νM x0 (5)

由于均布荷载作用下方形四边简支板M x0=M y0

故上式可以转换成:

M x0 = M

x

/

1+ν

(6) β = M x0 /(q 1×l 2

) (7)

然后求出消防车最不利布置时,轮压局部荷载

作用下四边简支板两个方向的跨中弯矩值SM 1和SM 2,取大值为M max ,利用式(8)即可求得对应的等效均布荷载q e 。

q e = M max /(β×l 2)/(1+ν) (8)

式中:ν表示混凝土的泊松比,常取0.2;l 表示楼板跨度。

5 消防车道等效均布荷载取值算例

此次计算四边简支板跨中弯矩采用大型通用有限元软件ABAQUS ,运用S4R 壳单元模拟混凝土楼板,划分网格尺寸采用0.05m×0.05m ,混凝土泊松比取0.2[4],土扩散角取35°,混凝土扩散角取45°,楼板厚度采用标准楼板厚度h 0=0.1m 。 此次详细研究了3m×3m~6m×6m 板跨,考虑0~1.5m 覆土厚度情况下63吨和30吨消防车的等效荷载。共计120个计算模型和115种消防车不利布置。由于篇幅有限就不赘述,仅举例6m×6m 板跨1台63t 消防车作用的情况,详见图7。3m×3m~6m×6m

板跨消防车等效均布荷载计算结果详见表4和图8。

(a )0.0m 覆土 (b )0.5m 覆土 (c )1.0m 覆土

(d )1.2m 覆土 (e )1.5m 覆土 图7 6m ×6m 板跨一台63t 消防车最不利布置

消防车道等效均布荷载计算结果 表4

注:表中一台表示只有一台63t 消防车作用,两台表示63t+30t 两台消防车作用。

王明, 等.高吨位消防车等效荷载取值研究

高吨位消防车等效荷载取值研究

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(a )一台63t 消防车 (b )63t+30t 两台消防车

图8 消防车道等效均布荷载折线图

高吨位消防车等效荷载取值研究

由上面图表可以看出,等效均布荷载随着板跨的增大而逐渐减小,同时随着覆土厚度增大而逐渐减小。板跨较小和覆土厚度较小时减小趋势较明显,整体趋势和规范保持一致。两台车组合的等效均布荷载均比一台车大。将两台车作用的等效均布荷载和规范值进行比较可以得到下图。

高吨位消防车等效荷载取值研究

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9 63t+30t 两台车组合与规范对比(图中虚线为规范值)

高吨位消防车等效荷载取值研究

除了3m×3m 板跨1.2m 和1.5m 覆土,两台车组合比规范值略小外,其余均比规范值大。其中6m×6m 板跨较规范值大很多。由于规范取值考虑了两台30t 消防车共同作用的情况,而此次研究只考虑了一台63t 消防车单独作用和63t+30t 两台消防车共同作用的情况,故建议实际工程设计取计算值和规范值较大值。考虑63t 消防车的消防车道等效均布荷载和覆土厚度折减系数工程设计取值建议如下表5。

6 消防扑救面等效均布荷载取值算例

63t 登高消防车开展灭火施救工作时,整车重量支撑在四个从车身展出的伸臂上,每个伸臂与地

等效均布荷载和覆土厚度折减系数取值建议 表5

注:表中加粗数字为规范值。

面接触的位置铺上尺寸为0.94m×0.94m 的垫板(详见图9)。由于消防车工作时,周围20米范围内不能停放任何车辆,故最不利情况只考虑每个板块中间作用一个伸臂局部荷载,详见表6。消防扑救面等效均布荷载计算结果详见表7和图10。

图9 液压支撑板照片(放于车尾箱内)

垫板扩散尺寸和压强(kN/m 2)与覆土厚度的关系 表6

消防扑救面等效均布荷载计算结果 表7

由表7和图10可知,消防扑救面等效均布

建筑结构

荷载随着板跨增大和覆土厚度增大而减小。由于登高消防车在开展灭火施救工作时,存在荷载偏心,为考虑其影响做以下补充计算,确定出一个放大系数,方便工程设计采用,详见图11。

取P=5.25kN,求得Y1=330.59kN,

Y2=304.66 kN,荷载偏心引起的放大系数建议取330.59/315=1.05。

7 其他

在设计一般消防车车道时考虑其转弯半径为15m,而此次研究的63t登高消防车要求的

转弯半径最小为18m,在布置消防回转场时应予以重视。

8 结论

从计算结果可以得出如下结论:

(1)虽然63吨登高消防车整车较重,但是车

轮数量较多,所以等效荷载和30吨消防车比较差

别并不太大。

(2)表5中的消防车道等效均布荷载没有考

虑动力效应,实际工程中应结合覆土厚度选用动力

放大系数予以考虑。

(3)计算消防扑救面楼板效应时,应考虑荷

载偏心影响。

(4)消防车荷载输入时应区分消防车道与消

防扑救面。当覆土厚度小于1m时尤甚。

(5)文中的分析结果可为考虑该消防车项目

的结构设计提供参考,同时可供现行荷载规范修订

时参考。

参考文献

[1] GB50009-2012 建筑结构荷载规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社,

2012

[2] 《全国民用建筑工程设计技术措施》(结构)[M]. 北京: 中国建筑

标准设计研究院, 2003

[3] 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

[4] GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版

社, 2010

图11 计算简图

(图中尺寸为现场测量)

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图10 消防扑救面等效均

布荷载