车库顶板通行超重车辆可靠性分析及改进技术_刘国跃.pdf

88建筑科技2023 年 第 3 期车库顶板通行超重车辆可靠性分析及改进技术Reliability Analysis and Improvement Technology for Passing Overweight Vehicles on Garage Roof刘国跃（中铁建设集团有限公司华东分公司,上海 201105）摘要：非加固模式下车库顶板作为施工便道通行超重车辆,容易产生结构裂缝,甚至破坏结构安全,如何确保其安全性和可靠性一直是众多项目面临的难题。以杭州某项目工程为依托,研究多轴压状态下轮压长边方向垂直于板跨方向和平行于板短边方向受力有效分布宽度公式,得到满载混凝土罐车在无任何加固措施下车库顶板等效均布荷载情况,并提出覆土钢板路面技术和后浇带过路钢板桥技术改进措施,实际应用效果良好。对类似工程具有指导意义。关键词：车库顶板;非加固模式;超重车辆;等效均布荷载;覆土钢板路面技术;过路钢板桥技术;消防通道中图分类号：TU225 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）03-0088-050引言超高层建筑施工中,因场地面积狭小,许多大型工程机械及超重车辆不得不行驶至车库顶板施工。在没有可靠性分析的情况下,多数施工单位采用车库顶板通行超重车辆施工便道下全部回顶的模式进行加固。事实上,当前施工车辆中超重机械非常普遍,如80 t（含钢筋）的钢筋运输车、58 t（含混凝土）的混凝土罐车,50 t汽车式起重机等。盲目而无验证地在车库顶板上通行超重车辆,轻则会使混凝土楼板大面积开裂,重则导致车库大面积坍塌。针对上述问题,以杭州保亿奥体一标段项目工程为实例,研究超重车辆等效均布荷载取值范围和车库顶板受力情况,并提出非回顶加固模式的技术改进措施,为项目施工及场地布置提供指导。1工程概况杭州保亿奥体一标段项目位于杭州市萧山区奥体博览城板块,地界东北与保亿奥体二标段项目相连,东南至平澜路,为地铁6号线施工占用;西南至博奥路,为体育馆项目占用;西北至利一路,是项目部现场唯一进出口。施工场地极其紧张,所有的施工生产均在地库顶板上完成。工程总建筑面积约170 183 m2,其中地下建筑面积50 060 m2,地上建筑面积120 123 m2。地上为3栋超高层、1栋4层商业裙楼,3栋超高层中1栋为T3办公楼,高199.8 m,2栋为T4、T5住宅楼,高191.4 m。地下室为车库区域地下3层、主楼区域地下4层。筏板底标高为车库区域13.250 m,车库主楼区域15.400 m。地下车库区域2 F、3 F为无梁楼盖结构,1 F为框架结构,车库主楼区域为框架剪89建筑科技2023 年 第 3 期力墙结构。车库顶板上部覆土1.35 m,覆土固定荷载取24 kN/m2,设计活荷载5 kN/m2,消防车道设计荷载27 kN/m2,地下室顶板板厚250 mm。需要通行车库顶板的超重车辆有40 t的板车（钢筋运输车）、58 t的混凝土罐车、50 t的成品砂浆车等,各类超重车辆详细参数如表1所示。表1各类超重车辆性能指标车辆驱动形式质量参数/t尺寸参数/m40 t板车62满载总重80车辆尺寸162.5前轴载10牵引车轴距3.5中置轴载30中置轴轴距0.95中置/挂车轴距5.35挂车轴载40挂车轴距1.3混凝土罐车63满载总重58车辆尺寸102.3一、二轴载12轴距1.8+3.6+1.3三、四轴载46砂浆车42满载总重50车辆尺寸102.4前轴载6牵引车轴距3.4中置轴载12中置/挂车轴距5.5挂车轴载32挂车轴距1.32超重车辆等效均布荷载计算方法目前,对超重车辆在地下室顶板行驶时的等效荷载取值尚无可靠的分析和论证。本文研究的各类超重车辆荷载具有移动性、局部性和冲击性等特点1。混凝土罐车满载轴载最大值为46 t,在上述各类超重车辆中轴载最大,因此本文以混凝土罐车满载时的行驶状态为例,根据现有规范及相关学术研究对这一问题进行深入探讨。2.1轮压混凝土厂商提供的资料及现场过磅数据显示,混凝土罐车满载前一、二轴重为430 kN,三、四轴重为4115 kN,有4个前轮和8个后轮,车宽2.3 m,车长10 m,整车平面尺寸及轮压着地尺寸如图1所示。图1满载混凝土罐车平面尺寸及轮压着地尺寸图考虑到混凝土罐车起动和制动时的动力效应,根据不同的覆土厚度,混凝土罐车轮压荷载应乘以动力放大系数。由GB 50009-2012建筑结构荷载规范可知,混凝土罐车轮压动力系数取1.3。2.2最不利荷载布置该项目地下室主要柱网尺寸为8.1 m 5.15 m和8.1 m6.9 m,结构布置方案有2种,如图2所示。（a）双向板 （b）单向板图2结构布置形式图（单位：mm）由于本文研究的地下室顶板为框架梁板体系,板跨较小,且超重车辆仅在规定的施工便道行驶,道路宽度设计为4 m,因此无法并行2辆超重车辆。根据混凝土罐车尺寸和轴距,经过研究得出,最不利荷载作用时,一、二轴轮与三、四轴轮无法同时作用于同一跨楼板,故只考虑三、四轴轮压对地下室顶板楼板的影响。混凝土罐车轮压长边方向可分为垂直于板短边方向和平行于板短边方向种情况,故需要对这两种情况分别进行计算。根据GB 50009-2012建筑结构荷载规范规定及对影响线的研究2,混凝土罐车对地下室顶板受力的最不利位置为三、四轮轴压作用于板跨中间,故混凝土罐车在车库顶板上最不利荷载受力位置如图3所示。（a）垂直于短边方向 （b）平行于短边方向图3最不利荷载受力位置图2.3等效均布荷载计算方法由GB 50009-2012建筑结构荷载规范可知,对于车重大于300 kN的四边简支板等效均布荷载换算,采用最大弯90建筑科技2023 年 第 3 期矩相等的原则,并明确规定双向板的等效均布荷载换算与单向板相同,可按照按长跨方向和短跨方向支承单向板的绝对最大弯矩等值的原则计算双向板的等效均布荷载。本文主要考虑车库顶板作为施工便道通行超重车辆的安全性,取短跨方向支承单向板的等效弯矩计算双向板的等效均布荷载。验算车库顶板施工便道是否以超重车辆的等效均布荷载计算方法时,可以统一选取单向板结构形式作为计算模型。本文取2.9 m、3.45 m和5.15 m跨度单向板进行有效验证。单向板等效局部荷载qe的计算公式如式（1）。式（1）式中：l单向板的跨度;b单向板上荷载的有效分布宽度;Mmax单向板的绝对最大弯矩,按混凝土罐车在最不利位置时的计算所得。GB 50009-2012建筑结构荷载规范附录C中仅给出单个局部荷载作用下单向板的等效均布荷载公式,对混凝土罐车等超重车辆的等效荷载换算（最不利受力形式时局部轮压存在4个或更多）不具有指导意义。本文根据等效叠加原理,对受力区域有效分布宽度进行叠加折减,得出式（2）、式（3）两个最不利荷载作用时的受力有效分布宽度公式。（1）轮压荷载作用面的长边垂直于板跨方向。式（2）（2）轮压荷载作用面的长边平行于板跨方向。式（3）式中：B叠加折减后的有效分布宽度;l单向板的跨度;bcy轮压作用面垂直于板的计算宽度;e轮距,本文取1.7 m;d轴距,本文取1.3 m。其中bcy=bty+h（轮压作用面垂直于板跨方向）,h为板厚。轮压长边垂直于板跨方向的受力简图如图4所示。图4轮压长边垂直于板跨方向计算简图单向板的绝对最大弯矩Mmax按式（4）计算。Mmax=Fl-Fd 式（4）式中：F单个轮压在行驶状态下的荷载值,车轮压动力系数1.3,F取150 kN。同理,轮压长边平行于板跨方向的受力简图一致,绝对最大弯矩Mmax按式（5）计算。Mmax=Fl-Fe 式（5）2.4结果分析利用上述计算原理,得出结果如表2所示。表2不同跨度下等效均布荷载计算结果方向bcy/ml/mB/mMmax/kNmqe/kNm-2垂直于板跨0.855.156.03577.528.903.454.78322.545.302.94.3824052.08平行于板跨0.455.155.36517.529.153.454.16262.542.362.93.7818045.30为了找出混凝土罐车轮压长边方向垂直于单向板板跨方向和平行于单向板板跨方向在不同板跨情况下的规律,对单向板等效均布荷载与跨度和轮压作用面方向的关系进行对比,如图5所示。图5单向板等效均布荷载与跨度和轮压作用面方向的关系由图5可知,等效均布荷载随着板跨度增加而逐渐减少,呈线性变化规律。当板跨为2.9 m且轮压作用面长边方向垂直于板跨时,等效均布荷载为52.08 kN/m2,大于消防车道设计荷载51 kN/m2。可以得出结论：混凝土罐车满载时禁止直接通行板跨为2.9 m的消防车道。当板跨为5.15 m且轮压作用面长边方向垂直于板跨时,等效均布荷载为28.91 kN/m2,小于车库顶板设计荷载29 kN/m2,可以认为允许混凝土罐车通行板跨5.15 m以上的单向板。实际上,几乎不存在大于5 m的单向板,因此混91建筑科技2023 年 第 3 期凝土罐车满载时禁止直接通行车库顶板除消防车道外的任何区域。当板跨在2.9 m与5.15 m之间时,等效均布荷载小于消防车道设计荷载51 kN/m2,大于车库顶板设计荷载29 kN/m2。可以得出结论：混凝土罐车满载时仅可以通行板跨在2.9 m与5.15 m之间的消防通道。3非加固模式车库顶板通行超重车辆技术由上述结果分析可知,盲目通行混凝土罐车等超重车辆是极其危险的。为确保车库顶板通行超重车辆安全可靠,根据覆土轮压扩散效应及结构受力分析,本文在不进行钢管扣件回顶的情况下,应用覆土钢板路面技术和过路钢板桥技术,确保施工便道在地下室无回顶加固模式下的安全可靠。3.1覆土钢板路面技术针对轮压在车库顶板上的刚性扩散作用,采用增大受力面厚度的方式扩散轮压,同时有利于抵消混凝土罐车起动和制动时的动力效应3,4。考虑不同覆土材质压实程度不同,本文取轮压在覆土中的扩散角=30,使轮压扩散结果更加保守和安全,如图6所示。轮压经过覆土扩散后作用面垂直于板跨方向的计算宽度bcy1按式（6）计算。bcy1=bty+h+2stan30 式（6）式中：bty轮压作用面垂直于板跨方向的宽度;h板厚;s覆土厚度。图6轮压作用面在覆土中扩散随着覆土厚度的增加,轮压应力逐渐扩散,轮压作用面积不断扩大,各轮压应力开始交叠。范重等5研究发现,覆土厚度0.5 m时,轮压主要表现为应力扩散,随着覆土厚度的增加,作用于车库顶板上的轮压会明显减小且等效均布荷载下降速度较快;覆土厚度0.5 m时,应力扩散和应力叠加同时发生,等效均布荷载下降速度缓慢。从上述可知,覆土厚度为0.5 m,是等效均布荷载下降速率低点,板跨2.9 m、3.45 m和5.15 m下进行覆土0.5 m厚的等效均布荷载分别为39.30 kN/m2、37.21 kN/m2、26.31 kN/m2。等效均布荷载远远小于消防车道设计荷载51 kN/m2,但在板跨2.9 m、3.45 m时等效均布荷载仍大于车库顶板设计荷载。因此,顶板覆土后通行超重车辆的施工便道仍只能规划在消防通道上。覆土钢板路面技术就是在车库顶板消防通道上规划出施工便道,沿施工便道两侧砌筑挡土墙,中间进行覆土回填,回填厚度0.5 m,压实后铺设2排定型化钢板（钢板尺寸为2.2 m10 m0.02 m）。该技术相较传统地下车库顶板通行超重车辆的模式具有如下优点。（1）覆土钢板路面技术使混凝土罐车等超重车辆轮压应力扩散,降低了通行超重车辆时车库消防通道上的等效均布荷载,相对于不覆土超重车辆通行车库消防通道的安全性得到了有力的保障。（2）解决了传统地下车库顶板作为施工便道通行超重车辆需要全部采用钢管扣件进行回顶加固导致周转材料占用多、占用时间长等不利因素。仅以本工程为例,节约钢管扣件周转材料费共计156万元。（3）解决了地下室大面积回顶导致后期二次结构工程、装饰装修工程及其他工程严重受到影响的情况。（4）钢板覆土路面采用绿色施工技术,地下室大面积覆土前可将钢板全部拆除回收利用,且不需要将覆土路面进行破坏,直接按照设计要求回填到相应标高即可。3.2过路钢板桥技术地下车库顶板上规划施工便道不可避免地需要通过后浇带。常规后浇带施工采用单支单拆技术,仅允许小型汽车通行后浇带,通行超重车辆将产生极其严重的后果。该项目利用消防车道通行超重施工车辆的通行道路途经2道后浇带。为防止通行超重施工车辆对后浇带造成破坏,采用过路钢板桥技术搭设临时桥梁,有效地解决了后浇带通行超重车辆的安全性问题,给后浇带通行超重车辆施工技术带来了新的思路。过路钢板桥技术即在后浇带两侧左右支撑梁上浇筑400 mm300 mm的混凝土地梁作为桥墩,桥墩上部架设型钢钢板组合成钢板桥,钢板桥采用20#型钢按照间距150 mm通长焊接的方式焊接到钢板上（钢板采用2块2.2 m8.2 m0.02 m的铺路钢板）。过路钢板桥示意图如图7所示。过路钢板桥技术相对其他超重车辆通过后浇带的方式具有以下优点。（1）车库施工便道通行超重车辆时,能够有效避开后浇带悬挑板部位受力,结构安全性得到有力保障。92建筑科技2023 年 第 3 期（2）相比覆土钢板路面技术施工使覆土钢板路面高出后浇带0.5 m,过路钢板桥技术能有效地避免车辆无法通行后浇带的弊端。（3）过路钢板桥技术具有安拆方便、可靠性高、费用低等特点。图7过路钢板桥示意图4结语（1）本文根据等效叠加原理,对受力区域有效分布宽度进行叠加折减,得出多轴压状态下轮压长边方向垂直于板跨方向和平行于板短边方向受力有效分布宽度公式,对混凝土罐车等超重车辆的等效荷载换算具有指导意义。（2）车库顶板通行超重车辆的等效均布荷载是随着板跨度增加逐渐变小,呈线性变化规律。（3）混凝土罐车满载或其他超重车辆通行车库顶板时的等效均布荷载无论是否回土,均超出车库顶板非消防车道内的设计荷载,因此禁止其直接通行车库顶板除消防车道外任何区域。（4）混凝土罐车满载或其他超重车辆在车库顶板消防通道上直接行驶有一定危险性,容易产生结构裂缝等问题。（5）覆土钢板路面技术相对于不覆土超重车辆通行车库顶板消防通道,安全性得到了有力的保障,同时解决了传统地下车库顶板作为施工便道通行超重车辆需要全部采用钢管扣件进行回顶加固导致占用周转材料多,占用时间长及影响后期施工等不利因素,是值得大力推广的绿色施工技术。（6）过路钢板桥技术搭设临时桥梁,有效地解决了后浇带通行超重车辆的安全性问题,给后浇带通行超重车辆施工技术带来了新的思路。参考文献：1 戴冠民,田堃.地下车库顶板消防车活荷载的合理取值研究J.建筑结构,2013,43(1):44-472 龙驭球,包世华.结构力学教程M.北京：高等教育出版社,2001.3 鄢宇,刘晓斌,刘新生,等.汽车式起重机等效均布荷载研究J.施工技术,2017,46(增刊2):1354-13574 王昕,胡达敏,李保忠,等.消防车等效均布活荷载参数化研究J.建筑结构,2013,43(增刊2):364-3705 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收稿日期：2023-03-27作者简介：刘国跃,本科,主要从事土建施工深基坑技术方面的研究工作,现供职于中铁建设集团有限公司华东分公司。通信地址：上海市虹口区新港路143号。3 刘伟.履带吊选型与跨既有铁路钢盖梁吊装施工J.浙江水利水电学院学报,2019,31(2):54-58.4 冯雨龙.城市狭小空间内跨营业线铁路吊装预制小箱梁施工技术J.建筑科技,2022,6(1):19-21,28.5 乔承杰,何德洪.刚性桩复合地基多种计算方法比较J.工程勘察,2022,50(3):28-34.6 朱小金,鲜亮,王博,等.虎门二桥小半径平曲线钢箱梁安装施工技术J.中外公路,2021,41(5):137-141.7孙兴汉.跨既有高架桥钢箱梁吊装关键技术J.建筑技术开发,2021,48(19):48-49.8岳粹歌.城市高架桥钢箱梁吊装施工技术分析J.工程与建设,2021,35(4):805-807.收稿日期：2023-03-31作者简介：潘伟杰,本科,工程师,主要从事施工技术及管理工作,现供职于中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司。通信地址：上海市静安区会文路2号。（上接第 87 页）