高吨位消防车等效荷载取值研究

2016-05-12 10:39:11 安装信息网

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高吨位(63t)登高消防车，但对于该车在消防车道上行驶及在扑救工作状态下的等效荷载尚未有权威的数据资料。依据成都市有关消防部门提供资料及现场测量数据，对该车在不同的车型组合、不同的着地位置、不同的覆土深度等工况下的均布荷载进行了等效研究。得到了63t级消防车在正常行驶时和展开扑救工作时的等效均布荷载计算值，可为考虑该消防车荷载项目的结构设计及规范编制提供参考。

[关键词] 高吨位登高消防车；等效均布荷载；消防车道；ABAQUS软件

0 引言

当前，国内许多城市采购高吨位(63t)登高消防车（图1），详见表1。此消防车最高有效高度为101m，为曲臂式结构，适用于69~lOlm高度建筑物的火灾救火和救生，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63t，有较好的稳定性与灵活性，能保持高速行驶。然而对于该车在消防车道上行驶时或在消防扑救面上工作时的等效荷载取值尚没有可靠的分析和论证，本文将对这一问题进行深入的探讨。

1 消防车规格

本文研究的消防车为63t级登高消防车和编制《建筑结构荷载规范》( GB 50009-2012)（简称荷载规范）选用的30t级灭火消防车。通过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资料获知：63t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。当其展开液压支撑进行登高作业时，周围约20m以内不准停放任何其他车辆（包括为其供水的灭火消防车），为全面考虑各类工况，进行了63t级登高消防车及63t级登高消防车+30t级灭火消防车组合工况验算。

63t级登高消防车前轴重为2×90kN，后轴重为4 x 112. 5kN，有4个前轮和12个后轮，车高3.96m，车宽2. 55m，车长15. 5m，轮压作用尺寸见图2。通过查阅文献[2]以及现场收集的数据得知：30t级灭火消防车，全车满载总重300kN，前轴重为60kN，后轴重为2 x120kN，有2个前轮和8个后轮，车宽2.5m，车长8. 0m，轮压作用尺寸见图3，图中0.6m轮压宽度表示两个并列的车轮宽度加上车轮间净距。

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如图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，作用在楼板上的轮压尺寸越大，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，混凝土楼板本身对轮压也有扩散作用，扩散角取45。。经s厚覆土扩散以后的轮压宽度6。。和长度6。，按下式计算：

式中：btx,bty分别为没有覆土时的轮压宽度和长度；s，h分别为楼板上覆土厚度和楼板厚度；日为土的扩散角，工程上常取35°。

针对不同的覆土厚度，根据式(1)和式(2)计算出的单个轮压扩散尺寸和压强详见表2。

本文研究所采用的楼板厚ho=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)将多余楼板厚度折算到覆土厚度里面来考虑其影响，详见图5。

式中：S为标准楼板（ho=0.Im）上的折算覆土厚度；s为楼板上的覆土厚度。

考虑到消防车起动和制动时的动力效应，根据不同的覆土厚度，消防车荷载应乘以动力放大系数，消防车轮压动力系数见表3。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(0.7m)，可以不用考虑汽车的动力效应。

3 消防车最不利布置

由于后轴轴重均比前轴大，并且根据图2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厚覆土扩散之后），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(3~6m)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厚覆土扩散之后）的情况，故只研究两车并行时后轮对楼板的影响。消防车的最不利布置与楼板跨度和覆土厚度均有关，限于篇幅现仅举例63t级登高消防车和30t级灭火消防车作用在3m×3m板跨上的情况，详见图6，其中A，B和C分别表示轮压A、轮压B和轮压C三种轮压；A+B表示轮压A和轮压B的叠加，余同；A2表示2倍轮压A的叠加，余同。

4 楼面等效均布荷载取值方法

参照荷载规范附录C，按照四边简支双向板绝对最大弯矩等值的原则来确定等效荷载。首先在四边简支双向板上作用单位均布荷载g．，求出X向、l，向两跨中弯矩M，和M，为：

5 消防车道等效均布荷载取值算例

此次计算四边简支双向板跨中弯矩采用有限元软件ABAQUS，运用S4R壳单元模拟混凝土楼板，划分网格尺寸为0. 05m×0.05m．混凝土泊松比取0.2，土扩散角取35 0，混凝土扩散角取45。，楼板厚度采用标准楼板厚度ho=0.1m。

此次详细研究了3m×3m，4m×4m，5m×Sm，6m x6m四种板跨，考虑0，0.5，1.0，1.2，1.5m五种覆土厚度情况下63t级登高消防车和30t级灭火消防车的等效荷载，共计120个计算模型和115种消防车不利布置。由于篇幅有限就不再赘述，仅举例6m×6m楼板跨1台63t级登高消防车作用的情况，见图7。消防车等效均布荷载计算结果见表4和图8。

由表4和图8可以看出，等效均布荷载随着楼板跨度的增大而逐渐减小，同时主要板跨的等效均布荷载随着覆土厚度增大而逐渐减小。当楼板跨度较小和覆土厚度较小时，等效均布荷载随楼板跨度、覆土厚度增大而减小的趋势较明显，整体趋势和荷载规范的保持一致。63t级+30t级两台消防车组合的等效均布荷载均比一台63t级消防车大。

将63t级+30t级两台消防车组合作用的等效均布荷载计算值和两台30t级消防车作用的等效荷载规范值进行比较，见图9。

由图9可见，除了3m×3m楼板跨在1.2m和1. 5m厚覆土情况下等效均布荷载计算值比规范值略小外，其余均比规范值大，其中6m x6m楼板跨的等效均布荷载计算值较规范值大很多。由于荷载规范取值考虑了两台30t级消防车共同作用的情况，而本文只考虑了一台63t级消防车单独作用和63t+30t级两台消防车共同作用的情况，故建议实际工程设计时取等效均布荷载计算值和规范值的较大值。考虑行驶63t级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见表5。

6 消防扑救面等效均布荷载取值算例

63t级消防车开展灭火施救工作时，整车重量支承在四个从车身展出的伸臂上，在每个伸臂与地面接触的位置铺设尺寸为0. 94m×0.94m的垫板（图10）。由于消防车工作时，周围20m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，垫板上单个轮压扩散尺寸和压强与覆土厚度的关系详见表6。消防扑救面的等效均布荷载计算结果详见表7和图11。