现浇混凝土空心楼盖结构由于板厚小、空间整体刚度大、板底平整和综合经济指标低等优点在大跨度车库、商业等建筑中被广泛使用, 当设计空心楼盖的板顶考虑消防车荷载作用时, 消防车荷载等效为均布荷载以简化结构设计。《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[1] (简称荷载规范) 规定了常用板跨的消防车等效均布活荷载, 并对地下室顶板覆土时荷载的折减方法做出明确规定, 但仍缺乏跨度大于6m的楼盖结构在不同覆土厚度条件下的等效消防车荷载, 并且它给出的消防车荷载的取值方式并未对不同楼盖形式做出相应的取值规定, 已有研究表明^{[2,3,4,5,6,7]}, 板式楼盖和梁式楼盖的受力性能有较大差异, 因此将现行荷载规范规定的普通楼盖消防车等效均布荷载值应用到大跨度混凝土空心楼盖结构中是不合理的。

　　 目前, 国内外众多学者对消防车等效均布荷载进行了大量研究^{[8,9,10,11,12,13,14]}, 但均缺乏对现浇混凝土空心楼盖结构消防车等效均布荷载的研究结果及设计建议。故本文主要针对跨度为8.8, 11.8, 14.8m的3×3跨混凝土空心楼盖结构, 综合考虑消防车台数、楼盖跨度以及覆土厚度等因素的影响, 通过有限元软件ABAQUS建立更符合工程实际的模型, 对消防车等效均布荷载进行研究和分析。

　　 消防车是专门用作救火或其他紧急抢救用途的车辆, 消防车按功能、内置灭火材料以及载重的不同可分为各种不同的类型。本文考虑的消防车总重为300kN, 与荷载规范中采用的消防车型号一致。根据《公路桥涵设计通用规范》 (JT-GD60—2015) ^[15]相关规定, 此种类型的消防车横向布置时, 两台消防车的平面尺寸和最小排列间距如图1所示。

　　 大多数地下室顶板存在着一定厚度的覆土, 而覆土厚度则取决于其上的植被类型, 根据《城市园林绿化工程施工及验收规范》 (DB11/T 212—2009) ^[16], 为满足大部分植被对覆土的厚度要求, 加上作为对比的无覆土情况, 本文所取的覆土厚度为0.0, 0.9, 1.5及2.4m。消防车经过有覆土的地下室顶板时, 不直接作用在顶板表面, 而是通过顶板覆土对轮压的扩散间接作用在顶板表面, 参考《城镇供热管网结构设计规范》 (CJJ 105—2005) ^[17]附录C中的规定, 将消防车轮压在覆土中的扩散角取为35°, 则可计算得到单台消防车的轮压扩散尺寸及轮压大小值, 具体数据见表1。

　　 在3×3跨X向和Y向分别对称的空心楼盖结构中, 若消防车以Y向行进, 需要考察最不利内力的控制截面有5处, 即图2中所示的位置1～5 (图中l为楼板跨度) 。为了得到能包络各控制截面最不利内力的消防车等效均布荷载, 本文先分别确定各控制截面达到最不利内力时对应的消防车布置方式, 计算各控制截面的最不利内力, 然后根据单位均布荷载作用下各控制截面内力与消防车布置时最不利内力的比值关系进一步确定计算截面, 以计算截面钢筋和混凝土的应力为等效指标, 以楼盖跨中挠度为控制条件, 最终分析得到计算截面在消防车最不利布置时的等效均布荷载值, 即为楼盖消防车等效均布荷载。

　　 由于结构对称, 本文仅计算消防车以Y向行进时的等效均布荷载, 此时可将结构沿Y轴方向简化为3跨连续梁进行分析, 显然截面1和3, 2和4达到最不利内力时的消防车布置及内力计算方法相同, 则在采用内力影响线原理确定各截面对应的消防车最不利布置时, 只需做出连续梁边跨跨中、边跨中支座和中跨跨中3个截面的弯矩影响线。而对于3种跨度不同的连续梁, 采用影响线法计算某一相同位置处截面的弯矩时, 其弯矩影响线形状不变, 如图3所示。

　　 当楼盖跨度、覆土厚度及消防车并行台数变化时, 各截面对应的消防车最不利布置计算思路大致相同, 本文选择跨度8.8m、覆土厚度0.9m及并行1台消防车为计算条件, 分别计算5个控制截面达到最不利内力时的消防车布置方式, 其余情况不再赘述。当空心楼盖覆土厚度为0.9m时, 单台消防车轮压扩散后的荷载平面分布及其在模型简化后行进方向的线荷载布置分别如图4 (a) 和4 (b) 所示。结合图4 (a) 和4 (b) , 并考虑在行进方向可能有多台消防车并行, 利用影响线原理即可确定出该情况下各截面对应的消防车最不利布置方式, 方法如下:

　　 (1) 边跨跨中截面1, 3的消防车最不利布置的确定

　　 根据《公路桥涵设计通用规范》 (JT-GD60—2015) ^[16]相关规定, 这种情况下消防车有4种不利布置方式, 如图4 (c) ～ (f) 所示。

　　 根据软件CAD面积测量功能, 可得到图4 (c) ～ (f) 中4种情况消防车荷载与该截面弯矩影响线围合面积乘积的代数和, 即控制截面弯矩值分别为S₁, S₂, S₃和S₄, 经对比发现S₁和S₄较大, 且二者大小相差较小, 考虑到图4 (c) 更易建模计算, 故最终确定的消防车以图4 (c) 方式布置并计算该情况下截面1, 3的最不利内力。

　　 (2) 边跨中支座截面2, 4及中跨跨中截面5的消防车最不利布置

　　 根据上述方法 (1) , 可得到边跨中支座截面2, 4及中跨跨中截面5的消防车最不利布置, 如图5所示。

　　 显然, 每个控制截面的消防车最不利布置均对应着一个等效均布荷载, 为减小计算工作量, 需进一步找到上述5个控制截面等效均布荷载的最大值, 从而最终确定空心楼盖消防车等效荷载的最不利计算截面。

　　 为此, 利用荷载与荷载效应的线弹性关系, 首先在楼盖上满布单位均布荷载, 计算得到控制截面1～5的弯矩值M₁, M₂, M₃, M₄, M₅, 然后计算各截面消防车最不利布置时的弯矩值, 分别为M₁′, M₂′, M₃′, M₄′, M₅′。令:n₁=M₁/M₁′, n₂= M₂/ M₂′, n₃= M₃/M₃′, n₄= M₄/M₄′, n₅= M₅/M₅′, 其中n₁～n₅的最小者对应的截面等效均布荷载值最大, 即该截面所对应的消防车最不利布置对等效均布荷载起控制作用。

　　 经计算, 各种情况下n₅取值最小, 可知覆土厚度、消防车并行台数对最终计算截面的选取无影响, 因此本文考虑的3种影响因素组合下的空心楼盖均选取截面5为计算截面, 并按该截面的消防车最不利布置确定等效均布荷载。图6给出了覆土厚度为0.9m, 并行台数为2台时各跨度下截面5达到最大内力时消防车轮压排布方式, 限于篇幅, 其余情况的轮压排布不再列出。

　　 空心楼盖模型混凝土强度均采用C30, 主要构件尺寸取值如表2所示。

　　 由于空心楼盖跨度较大, 并行方向消防车台数对最终等效荷载值影响较大, 本文最大取并行3台消防车进行计算。

　　 利用有限元软件ABAQUS建立空心楼盖结构计算模型, 在该结构模型上分别布置截面5达到最不利内力时的消防车荷载和满布均匀荷载, 计算在两种荷载作用下截面5混凝土应力以及楼盖跨中挠度等参数, 以该两种参数作为等效指标得到对应的均布荷载值, 结果显示由应力等效得到的均布荷载值较大, 最终得出的消防车等效均布荷载值如表3所示。

　　 从表3中看出, 覆土厚度、消防车台数和板跨等是影响消防车等效均布荷载的重要因素, 图7为在3种不同跨度下覆土厚度与等效均布荷载之间的关系曲线。

　　 从图7中可以看出, 3种板跨下覆土厚度与等效荷载值的关系基本呈线性分布, 由于覆土厚度增加引起消防车荷载扩散后作用面积增大, 导致消防车荷载作用下关键截面计算应力偏小, 故同等条件下消防车等效均布荷载值随覆土厚度增加而减小。此外, 从图中还可看出, 随着消防车并行台数的增加, 其等效均布荷载也相应增大, 故对于板跨较大的空心楼盖建议按并行3台计算消防车等效荷载。

　　 同样地, 图8中显示出4种不同覆土厚度下板跨度与等效均布荷载之间的关系曲线。

　　 从图中看出, 随板跨的增加, 4种覆土厚度下消防车等效荷载值均减小, 这主要是因为消防车不利荷载布置的范围是相对固定的, 随着楼盖跨度的增大, 关键截面的应力增长幅度较满布且均布荷载作用下应力增长的幅度小, 从而等效均布荷载值相应减小所致。结合图8中曲线的走势, 建议跨度在6～15m范围内的空心楼盖可偏安全地根据本文表3所示的3种跨度范围按线性插值法计算等效消防车荷载, 其中空心楼盖跨度为6m时的消防车等效荷载按现行荷载规范取值。

　　 采用与现行荷载规范消防车等效均布荷载相同的表达方法, 大跨度空心楼盖消防车等效荷载的相对大小可采用等效荷载折减系数来表示, 其含义为某种跨度和覆土厚度情况下等效均布荷载值与相同跨度下无覆土时消防车等效均布荷载值的比值, 其中覆土厚度为0时的消防车等效荷载详见表3, 本文计算3种情况组合下的等效荷载折减系数如表4所示。

　　 实际工程应用时, 对于确定的消防车台数, 不同覆土厚度和不同跨度空心楼盖的消防车等效均布荷载折减系数可根据表4中列出的数据按线性插值法取用。

　　 (1) 现浇大跨度混凝土空心楼盖在消防车荷载作用下的受力特点与普通肋梁楼盖有较大区别, 对于多跨空心楼盖, 按弹性影响线法采用应力和变形等效得到的消防车等效荷载的控制截面为中跨跨中, 影响消防车等效荷载的主要因素有消防车并行台数、覆土厚度和板跨, 其影响规律为覆土厚度和板跨的增大均使消防车等效荷载值减小, 而随着消防车并行台数的增加, 等效荷载值增大。

　　 (2) 空心楼盖消防车等效荷载值与覆土厚度基本呈线性关系, 与板跨也可近似按线性处理, 当空心楼盖覆土厚度在0～2.4m内、跨度在6～15m范围内时, 消防车等效荷载、消防车等效荷载折减系数可分别按本文表3和表4按线性插值法计取。

　　 (3) 本文的分析结果与设计建议可为实际工程中大跨空心楼盖消防车荷载计算提供参考, 同时可为相关荷载规范的修订提供依据。