关于消防车荷载按普通活荷输入的分析(值得学习)

关于消防车荷载按普通活荷输入的分析（值得学习）1、楼板板面均布活荷载的取值在荷载规范5.1.1中第8项专门列出了消防车荷载的标准值及对应的各组合系数、频遇值系数以及准永久组合系数.如图1所示.同时荷载规范对该表的注释中对消防车荷载做了补充说明,如图2所示.图1荷载规范5.1.1表中第8项消防车图2注释对消防车荷载做了特殊补充说明消防车活荷载本身太大,目前常见的中型消防车总质量小于15t,重型消防车总质量一般在(20～30)t.对于住宅、宾馆等建筑物,灭火时以中型消防车为主,当建筑物总高在30m以上或建筑物面积较大时,应考虑重型消防车.消防车楼面活荷载按等效均布活荷载确定,并且考虑了覆土厚度影响.计算中选用的消防车为重型消防车,全车总重300kN,前轴重为60kN,后轴重为2×120kN,有2个前轮与4个后轮,轮压作用尺寸均为0.2m×0.6m.规范的荷载取值按楼板跨度为2m～4m的单向板和跨度为3m～6m的双向板.规范中该等效荷载的计算中综合考虑了消防车台数、楼板跨度、板长宽比以及覆土厚度等因素的影响,按照荷载最不利布置原则确定消防车位置,采用有限元软件分析了在消防车轮压作用下不同板跨单向板和双向板的等效均布活荷载值.根据单向板和双向板的等效均布活荷载值计算结果,规范规定板跨在3m至6m之间的双向板,活荷载可根据板跨按线性插值确定.单向板楼盖板跨介于2m～4m之间时,活荷载可按跨度在(35～25)kN/m2范围内线性插值确定.从以上规范条文可以得出以下结论,供设计师设计中使用：（1）消防车荷载已经考虑了不利布置,虽然是活荷载,在设计中可以不用再类似普通活荷载那样考虑活荷载的不利布置.（2）规范中等效活荷载计算是按照300kN级消防车,以简支板模型跨中弯矩等效相等的原则等效.（3）规范等效荷载是对于30m以上的建筑重级消防车的等效活荷载取值,如果多层可以考虑采用中型消防车,按照后轴轮压的实际大小简单换算300kN重级后轮轮压（2×120kN）,确定等效均布活荷载.（4）规范为300kN级消防车计算的等效荷载,当采用更重消防车时,比如550kN级消防车时,按照后轮轮压简单换算,确定等效荷载应乘以放大系数1.17.（5）对于楼板有覆土情况可以考虑覆土的厚度,对于板面上的荷载进行相应的折减.（6）规范中等效均布活荷载按照简支板跨中弯矩相等原则确定,对楼板的所有效应计算属于简化和估算,将楼板等效均布荷载应用于梁、柱及墙等各类支承构件的所有效应计算,是一种更大程度的近似.（7）对于消防车不经常通行的车道,也即除消防站以外的车道,规范降低了其荷载的频遇值和准永久值系数.消防车活荷载按照等效荷载输入时,需要考虑以上事项.2、消防车板面荷载按照覆土厚的折减荷载规范5.1.3中对于常用板跨的消防车活荷载按照覆土厚度进行了相应的折减,一般可在原消防车轮压作用范围的基础上,取扩散角为35度,以扩散后的作用范围按等效均布方法确定活荷载标准值.在计算折算覆土厚度的公式(B.0.2)中,假定覆土应力扩散角为35度,常数1.43为tan350的倒数.使用者可以根据具体情况采用实际的覆土应力扩散角θ,按图3公式计算折算覆土厚度.再按照图4的折算厚度及楼板板跨确定考虑覆土厚影响的消防车荷载折减系数.图3顶板折算覆土厚度计算图4考虑折算覆土厚及楼板跨度对消防车荷载的折减通过上述第1条确定楼板面的等效消防车荷载,通过第2条确定考虑覆土厚的消防车荷载折减系数,乘积可以得楼板板面的等效消防车荷载.3、消防车荷载对于柱、墙的影响荷载规范5.1.3中要求对于设计墙、柱时,规范表5.1.1中第8项的消防车活荷载可按实际情况考虑；对楼板的所有效应计算属于简化和估算,将楼板等效均布荷载应用于梁、柱及墙等各类支承构件的所有效应计算,是一种近似.目前程序均按照输入到楼板的等效荷载进行柱、墙的计算.4、消防车荷载对于基础的影响荷载规范5.1.3中明确要求设计基础时可不考虑消防车荷载.注意：对于地基基础设计及结构和构件的正常使用极限状态验算时,一般工程可不考虑消防车的影响,特殊工程应考虑消防车的影响.“一般工程”指消防车不经常出现的工程,大部分工程属于一般工程.“特殊工程”指消防车经常出现的工程,如消防中心、城市主要消防设施和消防通道等.需要注意的是：此时虽然不取消防车房间的消防车荷载,但是应该取该房间的活荷载作为基础计算的活荷载考虑.5、消防车荷载对于梁的折减荷载规范5.1.2要求,设计楼面梁时,消防车荷载对单向板楼盖的次梁和槽形板的纵肋应取0.8,对单向板楼盖的主梁应取0.6,对双向板楼盖的梁应取0.8；6、消防车荷载对于柱、墙的折减荷载规范5.1.2对墙、柱设计时消防车荷载可按照实际情况考虑.也即不考虑对消防车荷载下柱、墙进行折减.7、消防车活荷载与其他荷载的组合消防车属于规范的活荷载属性,从规范的均布活荷载的分项系数来看,应该取值与普通活荷载一致.当然部分资料上也有不同的认知,有些资料认为一般工程,消防车荷载出现的概率小,消防车荷载与普通活荷载有区别,属于偶然出现的荷载,其可变荷载的风项系数可取1.0,即可采用消防车等效均布活荷载的标准值效应数值与其他荷载（作用）效应组合.当然对于消防车这种偶然荷载与地震作用效应、温度作用效应、人防荷载效应等同时出现的概率很小,在进行组合的时候可不考虑相互间的效应组合.消防车属于短期荷载,一般重力荷载代表值系数应取为0.计算重力荷载代表值时,应取布置消防车荷载房间上布置的普通活荷载.SATWE软件V4版对于设计中存在的消防车荷载的正确处理在使用V3.1.5及之前版本程序进行消防车荷载处理时,一般设计师会简化处理,按照普通的活载进行输入,进行上部结构柱、墙及板的内力计算与配筋设计,同时基础计算还需要单独再建模,把消防车荷载房间上的普通活荷载修改为正常房间的普通活荷载计算.即使这样处理,无形中增加了设计人员的工作量,也不能进行该消防车荷载精细化的模拟.本文结合V4.1版本软件,详细阐述如何便捷、高效、准确的进行消防车荷载的设计.正确、完整的建模及计算流程如下：1、根据工程情况确定房间消防车荷载的输入值假如某结构中的地下室顶板中,柱距9m x9m,每个房间两道次梁,次梁形成的板跨度均为3m x3m,地下室顶板覆土厚度为1m.考虑施工荷载等,输入这层所有房间的普通活荷载为5kN/m2,然后对可能存在消防车荷载的房间布置消防车荷载.消防车荷载的板面活荷载按照荷载规范差别值为：35kN/m2,然后按照荷载规范附录B计算,取覆土应力扩散角为45度,则得到折算覆土厚为：1.43xtan450x1 m=1.43m,线性插值查表得到3m x3m双向板折算覆土厚度1.43m时的折减系数为：0.803.然后可以确定输入到消防车房间上的消防车荷载为：0.803*35=28.105kN/m2.注意：布置该消防车荷载的房间同时还布置了5kN/m2的普通活荷载.图5为该地下室顶板均布置了普通的活荷载的布置图,对于一些特殊的荷载工况,如消防车荷载工况等,在荷载补充中定义,如下图6为荷载补充定义截面,图7为消防车可能存在的房间布置等效的板面消防车荷载28.1kN/m2.图5顶板全部布置普通活荷载图6荷载补充中定义消防车荷载图7输入消防车可能存在的房间等效消防车荷载值2、消防车荷载下梁、柱墙的自动折减对于板面上的等效消防车面荷载传到梁上需要进行折减,程序中提供了参数供设计师选择是否折减,对于梁设计时消防车荷载的折减程序按照规范自动判断并确定折减系数.如该案例中布置的消防车荷载,对于3m x3m双向板,折减系数为0.8.图8为程序对于消防车荷载梁、柱墙折减参数图.图9为程序自动判断并输出的消防车荷载下梁的折减系数,该系数为0.8,与规范要求的折减系数一致.对柱、墙消防车活荷载默认不折减,如果折减可直接定义折减系数.图8梁、柱墙设计时消防车荷载折减与否参数选择图图9程序对消防车荷载房间的梁按规范进行折减3、程序对消防车荷载与普通活荷载同时存在时的正确处理地下室的顶板有普通活荷载5kN/m2,同时有消防车活荷载28.1kN/m2时,对于一块板上同时出现两种荷载时,程序对消防车所在楼面的活载进行了特殊处理（如下图10所示）,相当于1情况的荷载布置等效为2与3两种情况的叠加.程序处理时将消防车所在楼面的活载置零,活载工况（包括梁活荷不利布置）不考虑消防车所在房间的楼面活载.程序将计算三套活载工况,一套为楼板全部布置普通满足活荷载,在程序中记为活荷载（LL）；第二套为荷载中仅存在消防车荷载时产生的效应,程序记为消防车（XF1）,即图10第2种荷载布置情况；第三套荷载为消防车荷载房间荷载置0,其他房间作用活荷载产生的效应,程序记为活荷载（LL_XFC）,即图10第3种荷载布置情况.在荷载组合中如图11所示,可以看到三套荷载的组合系数、分项系数及重力荷载代表值系数等.设计师需特别注意的是：在模型2仅存在消防车时,该消防车荷载会对全楼所有的构件均产生影响；同样3模型仅仅存在普通活荷载时候,普通活荷载会对全楼所有的构件有影响.这一点较难理解,一般设计师会认为本房间的荷载仅影响本房间,其实会影响全楼所有构件.图10同时存在消防车荷载和普通活荷载程序处理图11程序自动形成的两套与消防车有关的荷载4、对这三套荷载关系进行详细分析与校核图10中的荷载1正确布置的消防车和活荷载的情况进行整体计算,取其中一根梁的内力,输出如下图12的详细的内力计算结果文件,观察该梁在消防车荷载作用下的荷载.其中U03是消防车荷载,代表仅仅存在消防车荷载时该梁产生的内力.U04是活载（消防车）,代表布置消防车荷载房间荷载置0,其他房间活荷载对该房间产生的效应.图12正确布置消防车荷载与普通活荷载某梁的内力图10中的第2种情况,也就是仅仅布置消防车荷载产生的效应,此时在其他位置的活荷载都不存在,可以从图13中可以查看到该梁构件在消防车荷载下的内力结果,普通活荷载及活载（消防车）荷载均为0.从图12与图13的对比可以看到,U03工况下两个模型在消防车荷载下的内力一致.也即图10的第2种情况计算的消防车荷载效应内力仅有消防车荷载作用.图13仅在消防车房间布置消防车荷载下选取梁的内力图图10中的第3种情况,也就是把布置消防车荷载的房间消防车荷载置为0,普通活荷载也置为0,对应其他非消防车荷载房间布置普通活荷载,荷载布置情况如图14所示.从图15中消防车荷载房间取消所有活载输出选取梁的内力结果可以看到,此时仅仅有普通活荷载产生的内力.此时相当于图10中的第3种情况计算的内力.可以看到此时的LL2荷载即考虑不利布置的活荷载（负包络）在选取梁i端的弯矩为60.55kN.m,这个弯矩是考虑了负弯矩调幅的,调幅之前的弯矩为:60.55/0.85=71.24kN.m,这个值与图12中输出的U04的弯矩是一致的.图14消防车荷载房间取消消防车荷载及普通活荷载图15消防车荷载房间取消所有活载计算的选取梁的内力通过上述的详细对比可以看到,程序在处理消防车荷载与活荷载共同存在时的处理是按照图10的情况准确考虑的,图10种的第1种情况等效为情况2布置荷载情况与情况3荷载布置的叠加,通过构件内力输出的结果,更加清楚校核了消防车荷载存在下详细的单工况内力结果.同时注意：布置了消防车荷载的房间由别的房间活荷载产生的弯矩效应没有进行负弯矩的调幅.5、消防车荷载与其他荷载（作用）的组合消防车荷载输入偶然荷载,程序在处理的时候,对于重力荷载代表值系数默认取为0.对于消防车荷载会形成如下图16的多个组合情况.消防车荷载仅与恒荷载一起组合,不与除恒荷载以外的其他组合组合,如温度效应、地震作用、人防荷载等.图16消防车荷载与恒荷载组合图由于涉及到消防车荷载本身产生的效应与其他活荷载产生的效应两种活荷载,因此,组合时存在某种活荷载主控问题,就分别有XF1主控对应系数1.4,与LL-XFC主控对应系数1.4两种情况,程序分别进行轮换组合.另外需要注意：程序对于LL工况是所有楼板均布置板面普通活荷载的情况下产生的内力,从这几种情况中取最不利设计.6、读入基础的消防车荷载校核按照图10中的第一种情况,软件在基础计算时,对于读入基础的上部荷载处理,会自动按照所有房间均布置普通活荷载进行计算,即程序按照图17的方式进行计算,对于1的情况自动按照4的活荷载布置情况进行计算,并形成传给基础的荷载.图17基础计算读取上部荷载时上部的荷载布置图程序在图10的第1种情况下也会计算一个满布活荷载的工况LL,并且输出该荷载布置情况下的构件内力,查看柱输出的结果,如图18所示为选取柱的单工况内力结果.图18选取柱在图10第1种情况计算输出的内力然后按照图17第4种情况满布活荷载的情况进行计算,从计算结果中可以看到选取柱的内力结果如图19所示.图19按照楼层满布活荷载计算的选取柱内力结果通过图18与19的对比分析可以看到,对于LL工况下的结果,图10中第1种情况计算的结果与图17中第4种情况计算的结果一致.然后查看在图10中第1种情况传给柱的内力结果,如图20为传给基础的选取柱的活荷载作用下的内力结果,该结果与上部结构满布荷载布置情况一致,程序可以自动处理消防车荷载不传给基础而读取正常活荷载.图20直接由图10的情况1计算传给基础的选取柱活载内力结果7、消防车荷载对板设计的影响混凝土施工图中程序可以直接读取房间的消防车荷载与普通活荷载,并形成6个对应的组合,分别如图21所示.在进行楼板内力计算与配筋设计的时候读取房间的消防车荷载,在进行挠度和裂缝验算的时候会自动读取消防车房间的普通活荷载,如图22为某楼板的计算结果.图21混凝土施工图中板计算读取消防车荷载及活载并与恒载组合图22布置消防车荷载房间的楼板承载力计算及挠度和裂缝计算结果程序在板的计算中可以正确的考虑消防车荷载对楼板的内力与配筋影响,同时挠度裂缝验算可以读取板面普通活荷载进行计算.如果有人防荷载的时候,程序也允许设计师按照塑性算法计算,并提供了相应的参数选项控制,如图23所示.图23有消防车荷载或人防时板采用塑性算法选择普通活荷载输入消防车荷载与直接输入消防车结果差异分析当前的设计中,PKPM软件V3以后的版本已经提供了直接输入消防车荷载的功能,软件可以准确、便捷、高效的一次性完成对于消防车荷载的处理,准确考虑消防车荷载与其他活荷载之间的关系,对上部结构及基础的消防车荷载均可以正确处理.不再类似软件未提供直接输入消防车荷载输入之前那样,建立两个模型,一个模型计算上部,一个模型进行基础设计.在之前模拟设计中如果房间中按照普通活荷载方式输入了消防车荷载,就无法再输入普通活荷载,按照活荷载输入房间的消防车荷载与按照消防车荷载输入造成的差异有以下几点：1、消防车荷载的重力荷载代表值系数为0如果房间输入活荷载模拟消防车荷载,这部分的荷载值程序进行重力荷载代表值统计时会考虑,而房间中输入消防车荷载,该房间同时有普通活荷载,程序会考虑该房间的普通活荷载作为重力荷载代表值统计,消防车荷载的重力荷载代表值系数为0.这导致模拟设计中地震作用计算偏大,结构楼层剪力偏大,按照消防车荷载输入方式计算,全楼地震作用会变小,这会影响全楼所有构件的地震作用.也可能会影响结构中地震作用相关的调整,比如剪重比调整、0.2V0调整等.2、消防车与地震作用、风荷载、温度荷载等不组合如果按照普通活荷载模拟消防车荷载输入,不仅在进行重力荷载代表值计算的时候考虑该荷载,同时在进行与风荷载、温度荷载、及地震作用效应组合时,该活荷载与这一系列荷载同时组合.而如果按照消防车荷载输入,程序在组合的时候消防车荷载仅与恒荷载一起组合.这对有地震作用主控及温度荷载主控的结构来讲,计算结果会引起较大的差异.按照消防车荷载输入的配筋结果可能会小很多,因为有消防车荷载输入时与其他荷载的活荷载组合取普通活荷载.3、消防车荷载下梁弯矩不做调幅如果按照模拟方式输入消防车荷载,该荷载对梁产生的效应要进行负弯矩调幅.而如果按照消防车荷载直接输入,目前程序默认对消防车荷载下的梁内力不进行弯矩调幅.这导致用消防车荷载输入与模拟输入相比,计算结果会较原来结果大,如果弯矩调幅系数0.85,这会导致相比模拟方式梁的弯矩增大15%.4、消防车荷载下不考虑荷载的不利布置如果按照模拟方式输入消防车荷载,由于是普通活荷载,程序在计算的时候要考虑活荷载的不利布置,但是如果按照消防车荷载直接输入,此时按照规范消防车等效荷载值已经考虑了不利布置的问题,程序在内力计算时不再考虑消防车荷载的不利布置.这会造成按照消防车荷载输入计算的梁内力较模拟方式输入活荷载计算的内力小,大概小10%-20%.5、消防车荷载的折减如果按照活荷载模拟输入消防车荷载,此时程序在进行活荷载折减时按照规范5.1.2判断,折减系数按照楼面梁从属面积为25m2或者50m2判断,并进行折减,该折减系数如果折减一般为0.9.而如果按照消防车荷载输入,该消防车荷载房间传到梁上的荷载按照荷载规范5.1.2的第3条判断,折减系数为0.6或者0.8.该折减系数相比普通活荷载的折减系数大概小20%-40%.按活荷载判断折减可能由于房间加了次梁,很多情况下不进行折减,但是按照消防车荷载输入,消防车荷载至少折减20%,更多情况甚至折减40%.按照活荷载输入与消防车荷载输入,由于折减系数的差异引起内力的差异在20%-40%.6、不直接按恒荷载与消防车活荷载执行高规5.2.3.4控制梁跨中截面高规5.2.3.4要求梁截面设计时,框架梁跨中截面正弯矩设计值不应小于竖向荷载按照简支梁计算的跨中弯矩设计值的50%.如果设计中按照普通活荷载输入模拟消防车,程序对于框架梁跨中截面的设计要执行规范这条,按照输入的竖向恒活荷载考虑.如果直接输入消防车荷载,程序对于跨中截面的控制会按照正常恒活荷载的简支梁跨中50%控制,但不按照消防车和恒荷载的简支梁跨中弯矩50%进行控制.这样的处理方式更为合理,避免跨中配筋过大,但可能会导致按照普通活荷载模拟消防车与直接输入消防车相比,梁的跨中配筋有较大差异.程序在设计中已按恒荷载和消防车房间的普通活荷载进行了梁跨中截面的控制.7、消防车下板的配筋、挠度及裂缝如果按照活荷载输入模拟消防车荷载,在板的内力计算与配筋设计中与按照活荷载输入一样,但在挠度和裂缝计算时,应取恒载与普通活荷载的准永久组合,但如果按照普通活荷载模拟消防车荷载输入,会造成准永久组合不对,挠度裂缝结果严重偏大,无法准确计算挠度和裂缝.因此,板设计中必须在建模中输入消防车荷载,内力与配筋按照恒载与消防车荷载计算得到,挠度与裂缝计算考虑恒载与普通活载准永久组合准确计算.8、消防车荷载下的基础设计按照活荷载模拟消防车的方式设计基础时,程序会读取该活荷载,按照规范基础设计不考虑消防车荷载,这需要设计师单独建立一个模型,并在消防车荷载房间布置普通活荷载,上部结构计算完毕,进入基础接入上部荷载进行基础设计.按照直接输入消防车荷载方式设计基础,程序有一个满布活荷载工况,进入基础直接接入该荷载,一次性完成上部与基础的全部设计.9、房间上的局部消防车荷载布置及计算实际工程中,往往也会遇到某些房间消防车荷载不是满布的,或者设计师为了更精细化设计,按照消防车道的某个范围进行布置,这种情况在程序里可以通过局部消防车荷载输入,如下图24,程序在荷载补充定义菜单栏里也提供了板面局部荷载及层间板的局部荷载的施加,选取板局部荷载,定义好消防车道的长和宽,然后进行荷载的布置即可,程序对有消防车荷载的房间,同样按照上述处理原则进行计算.图24楼板面局部消防车荷载的布置四、消防车荷载总结及相关注意事项PKPM软件V3版本之后提供了消防车荷载的输入、局部消防车荷载的输入,程序能够按照规范要求,对布置的消防车荷载完成消防车荷载的折减、与其他荷载的组合、板的配筋计算及基础中荷载的正确读取等一系列工作,软件提供了完善的对消防车荷载的解决方案.但是在设计中还需要注意以下几点工作：1、消防车荷载的输入需要考虑单向板双向板、消防车级别、覆土厚等按照规范查表,并进行相应的折减作为等效荷载以消防车荷载方式输入到板面中.2、消防车荷载对梁、柱的折减通过参数控制,如果选择梁折减,程序会按照规范的要求自动进行折减,不需要设计师人为指定折减系数；对于柱的折减需要设计师指定折减系数或者默认不折减.3、按照消防车荷载方式输入,消防车荷载的重力荷载代表值系数为0,但在地震作用计算的时候要取本房间的普通活荷载作为重力荷载代表值统计.4、布置的消防车荷载不做弯矩调幅,也不考虑活荷载的不利布置.在与普通活荷载对比时需要注意这些细节.5、本层布置的消防车荷载会影响全楼,因此,全楼所有的构件都会有消防车荷载这个工况,记为消防车（XF1）,同时所有构件内力也都有一个消防车荷载房间荷载置0,其他房间作用活荷载产生的效应,记为活荷载（LL_XFC）.。