武汉归元寺商业综合体项目(图1)位于武汉市汉阳区翠微街道归元寺片区。整个项目由6栋高层建筑、46栋多层建筑和地下室组成。高层建筑的功能为公寓和办公,其中4栋高度约为100m,2栋高度约为150m;多层建筑的功能为商业、酒店等,建筑高度均小于24m,层数为2～5层,均为坡屋面;地下室共2层,地下1层为商业,层高7m,地下2层为车库,层高5.1m。地下室周边部分区域及塔楼附近区域有3层地下室,地下1层～地下3层层高分别为4,4,4.1m。

　　 本项目地下室为超长超大地下室 ^[1,2],平面尺寸长约480m,宽约360m,被市政道路翠微路和西桥路分割为4部分,即4#地块、6#地块、7a#地块和7b#地块,见图2。为了集约用地,提高土地的利用效率,政府允许业主利用市政道路下面的地下空间,把4个被分割的大小不同的地下室连成一个大的整体地下室,为地下1层的商业策划提供了有利条件,提高了其商业规模和利用价值。

　　 市政道路上的汽车荷载作用在本项目地下室顶板结构上,汽车荷载的等效荷载取值及其与道路等级、覆土厚度、结构跨度等因素的关系,是本项目的技术难点,也是本文所要阐述的主要内容。

　　 本工程地下室主体结构设计使用年限为50年,建筑结构安全等级为二级,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组。本工程因利用市政道路下面的地下空间,形成了一个超大的整体地下室,并利用地下1层做大型商业建筑,故地下室抗震设防类别为重点设防类 ^[3],按高于本地区抗震设防烈度1度(即按7度)的要求加强其抗震措施。

　　 根据规划条件,西桥路道路宽度为10m,翠微路道路宽度为11m,均为二级公路。根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2014) ^[4],汽车荷载分为公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级两个等级,由车道荷载和车辆荷载组成。本文研究作用在地下室顶板的汽车轮压的等效荷载,属于局部受力分析,只需要车辆荷载。公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级的汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值。

　　 公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级采用的车辆荷载主要技术参数 ^[4](图3)为:车辆重力标准值550kN;前轴重力标准值30kN(2×15=30kN);中轴重力标准值240kN(4×60=240kN);后轴重力标准值280kN(4×70=280kN);轴距为(3+1.4+7+1.4)m;轮距为1.8m;前轮着地宽度、长度分别为0.3,0.2m;中、后轮着地宽度及长度分别为0.6,0.2m;车辆外形尺寸(长×宽)为15m×2.5m。

　　 车辆经常出现数辆并排行驶的情况,具体布置见图4,车辆两侧和前后的间距均为0.6m。

　　 车辆荷载通过汽车轮胎以轮压P的形式传递给路面,再通过覆土和道路面层传递给地下室顶板结构,汽车轮压通过覆土和道路面层传力时,会发生扩散,扩散角度α按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[5](简称荷载规范)建议取35°,见图5。

　　 假设轮胎着地宽度为a,着地长度为b,覆土及道路面层厚度总计为t,在轮压P作用下,路面处轮胎下的局部(作用范围a×b)压力q₀(图6(a))为:

　　 $q{}_0=\frac{{\rm P}}{a\times b}(1)$

　　 经过扩散后,作用在地下室顶板处的局部(作用范围(a+2t×tanα)×(b+2t×tanα))压力q₁(图6(b))为:

　　 $q{}_1=\frac{{\rm P}}{(a+2t\times \tan \alpha )\times (b+2t\times \tan \alpha )}(2)$

　　 确定轮压作用下地下室顶板处的局部压力q₁及其分布图后,就可以按照等效均布荷载方法计算车辆荷载的等效荷载。为了计算等效荷载的上限值,本文假设多排多列车辆(模拟堵车情况)同时作用在一块顶板上,计算对应的等效均布荷载。通过移动荷载布置位置,发现规律,找到最不利荷载布置位置(图7),从而获得一个最大的等效均布荷载。

　　 本工程地下室轴网为9m×9m,顶板采用十字梁结构体系,双向板,跨度为4.5m×4.5m。翠微路的覆土厚度约为2.5m,西桥路的覆土厚度约为3.0m。为了使分析的数据具有普遍意义,计算了多种板跨和覆土厚度算例。

　　 地下室顶板荷载较大,经过分析比选,双向板的材料成本要比单向板低,且主梁高度较均衡,可以节省竖向空间,因此顶板一般均采用双向板。另一方面,地下室顶板为防水板,板厚均较大,且不小于250mm,因此板的跨度不会太小。基于上述两个因素,对跨度为2.5m×2.5m,3m×3m,3.5m×3.5m,4m×4m,5m×5m,6m×6m,8m×8m,9m×9m的双向板分别进行了不同覆土厚度下车辆荷载的等效荷载分析,覆土厚度为0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.4,3.0,4.0m。车辆荷载的等效荷载计算结果见表1。从表1可以看出,板的跨度越大,覆土越厚,等效荷载越小。这是由车辆荷载的特点决定的,车辆荷载为局部荷载,轮压处荷载很大,非轮压处荷载为零。板的跨度越大,考虑进来的非轮压区域就越多,等效荷载就越小;覆土越厚,轮压荷载扩散越充分,分布范围越大,等效荷载越小。等效荷载的下限值为车辆荷载除以车辆所占区域面积,即550kN/[(2.5+0.6)m×(15+0.6)m]=11.4kN/m²。

　　 车辆荷载的等效荷载考虑覆土厚度影响的折减系数计算结果见表2,作为参照,表2列出了荷载规范 ^[5]附录B给出的30t消防车等效荷载考虑覆土厚度影响的折减系数(因为荷载规范中没有覆土厚度4.0m的数据,所以不对覆土厚度4.0m的数据进行对比,表4同)。通过比较发现,计算结果与荷载规范值是有差别的,这是因为车型不一样,轮距、轮压都不相同,另外本文研究的是多排多列车辆的等效荷载,研究的是上限值。但是荷载规范中的折减系数在大部分情况下大于计算结果,当覆土厚度<2.4m时,直接采用规范值,是安全的。当覆土厚度≥2.4m时,本文计算得到的折减系数接近规范值,部分数值甚至超过了规范值,具体见表2中的粗体字。这可能是分析采用多排多列车辆布置的原因,当覆土厚度比较大时,旁边车辆的轮压会扩散过来,增加其等效荷载,所以折减系数会增大。此时,应谨慎对待工程设计取值。

　　 近几年,武汉市中心的住宅塔楼越建越高,本项目周边新开发的住宅塔楼高度大部分为140m及以上,最高的住宅塔楼高度约200m,这给消防带来了极大的挑战。为了迎接挑战,武汉市消防部门近几年不断更新消防设备。武汉某已建成住宅项目,住宅塔楼高度约140m,按业主要求,复核了消防车道和登高平台,发现按荷载规范设计的消防车道和登高平台无法承受武汉市最重的消防登高平台车的重量。本项目地下室顶板承受着来自翠微路和西桥路上的车辆荷载,武汉市最新的消防设备存在经过这两条市政道路的可能。为此,梳理了武汉市的消防车类型及其技术参数,分析了最重的芬兰博浪涛101m登高平台车的等效荷载。

　　 现行荷载规范中,消防车等效荷载取值以30t消防车为依据,其主要技术参数为:前轴重力标准值60kN;后轴重力标准值2×120kN;轮胎着地宽度及长度分别为0.6,0.2m或0.3,0.2m。

　　 目前武汉市的消防车主要有三种,分别为豪沃水罐车、斯坎尼亚72m登高平台车、芬兰博浪涛101m登高平台车。

　　 豪沃水罐车为武汉市最普遍的一种消防车,其主要技术参数为:车辆重力标准值320kN;最大轴距5.675m;轮距2.022m。该车型及其重量与荷载规范中消防车等效荷载计算所采用的消防车基本相同,其等效荷载可以按现行荷载规范中的消防车荷载取值。

　　 斯坎尼亚72m登高平台车的主要技术参数(图8)为:车辆重力标准值470kN;轴距(2.41+3.0+1.4+1.4)m;轮距2.22m;轮胎着地宽度及长度分别为0.3,0.2m或0.6,0.2m;车辆外形尺寸(长×宽)10.81m×2.920m。

　　 芬兰博浪涛101m登高平台车的主要技术参数(图9)为:车辆重力标准值630kN;轴距(2.69+3.0+1.4+1.41)m;轮距2.50m;轮胎着地宽度及长度分别为0.3,0.2或0.6,0.2m;车辆外形尺寸(长×宽)11.1m×3.2m。

　　 把车辆总重量平摊至车外轮廓范围,可以得到单位面积车重量。斯坎尼亚72m登高平台车的单位面积重量为14.9kN/m²(470kN/(10.81m×2.92m)=14.9 kN/m²),芬兰博浪涛101m登高平台车的单位面积重量为17.7kN/m²(630kN/(11.1m×3.2m)=17.7kN/m²),公路-Ⅰ级车辆荷载的单位面积重量为14.7kN/m²(550kN/(15m×2.5m)=14.7kN/m²)。分析发现,芬兰博浪涛101m登高平台车的总重量和单位面积重量均大于公路-Ⅰ级车辆荷载的数值,地下室顶板作为市政道路支承结构时,既要按照《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)要求考虑公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级车辆荷载,也要考虑各地消防部门配备的消防车辆荷载。

　　 本节分析了芬兰博浪涛101m登高平台车的等效荷载。斯坎尼亚72m登高平台车的等效荷载,可以根据轮压值及轮距和轴距的比值,近似取芬兰博浪涛101m登高平台车的等效荷载的0.85倍,且不应小于荷载规范值。

　　 芬兰博浪涛101m登高平台车等效荷载计算原理同2.2节。为了计算等效荷载的上限,假设多排多列消防车同时作用在一块顶板上,计算对应的等效均布荷载。通过移动荷载布置位置,找到最不利荷载布置位置(图10),从而获得最大的等效均布荷载。芬兰博浪涛101m登高平台车并列布置图见图11,车的外轮廓间距为0.6m。

　　 为了使分析的数据具有普遍意义,本节计算了多种板跨和覆土厚度算例。

　　 根据2.3节分析,双向板是地下室顶板结构的首选,且板的跨度不宜太小。基于此因素,本节对跨度为2.5m×2.5m,3m×3m,3.5m×3.5m,4m×4m,5m×5m,6m×6m,8m×8m,9m×9m的双向板进行不同覆土厚度下的芬兰博浪涛101m登高平台车的等效荷载分析,覆土厚度为0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.4,3.0,4.0m。

　　 芬兰博浪涛101m登高平台车的等效荷载计算结果见表3。从表3可以看出,板的跨度越大,覆土越厚,消防车等效荷载越小。这是由消防车荷载的特点决定的,具体原理同公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级车辆荷载,详2.3节。芬兰博浪涛101m登高平台车的等效荷载的下限值为消防车荷载除以消防车所占区域面积,即630kN/[(3.2+0.6)m×(11.1+0.6)m]=14.2kN/m²。

　　 芬兰博浪涛101m登高平台车等效荷载考虑覆土厚度影响的折减系数见表4。作为参照,表4列出了荷载规范附录B给出的30t消防车等效荷载考虑覆土厚度影响的折减系数。通过比较发现,芬兰博浪涛101m登高平台车等效荷载考虑覆土厚度影响的折减系数与公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级车辆荷载的折减系数有类似的结论和规律,原因也相似。荷载规范值大部分情况下大于计算结果,当覆土厚度<2.4m时,直接采用规范值是安全的;当覆土厚度≥2.4m时,计算结果接近规范值,部分计算结果甚至超过了规范值,具体见表4中的粗体字,此时,应谨慎对待工程设计取值。

　　 (1)对作用在地下室顶板上的公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级车辆荷载、芬兰博浪涛101m登高平台车进行了等效荷载分析,并给出了其等效荷载的上限值。分析时,地下室顶板按双向板考虑,分析了8种不同的跨度,即2.5m×2.5m,3m×3m,3.5m×3.5m,4m×4m,5m×5m,6m×6m,8m×8m,9m×9m,覆土厚度也考虑了8种情况,分别为0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.4,3.0,4.0m。并给出了斯坎尼亚72m登高平台车等效荷载的近似取值。

　　 (2)分析了公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级车辆荷载、芬兰博浪涛101m登高平台车的等效荷载考虑覆土厚度影响的折减系数,并把其与荷载规范附录B的折减系数进行了对比分析。当覆土厚度≥2.4m时,计算得到的部分考虑覆土厚度影响的折减系数比荷载规范值大,这可能是分析采用多排多列车辆布置的原因,应谨慎对待工程设计取值。

　　 (3)介绍了武汉市消防车基本情况,发现芬兰博浪涛101m登高平台车的总重量和车外轮廓范围内平摊的单位面积车重量均大于公路-Ⅰ级车辆荷载的数值。地下室顶板作为市政道路支承结构时,既要按照《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)要求考虑公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级车辆荷载,也要考虑各地消防部门配备的消防车辆荷载。