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消防车荷载正确理解及与普通活荷的对比北京构力科技有限公司刘孝国消防车荷载作为一种特殊的活荷载，与普通活荷载相比既有区别又有联系，由于其荷载本身太大，对结构构件的截面尺寸、层高及经济性影响显著。在软件未提供消防车荷载输入之前，设计师一直采用普通活荷载模拟消防车荷载，基本形成一定的配筋经验。但实际上设计师对消防车荷载理解并不深入、不准确，在软件（PKPM软件V3以后版本）提供了对消防车荷载的输入与准确计算，但是计算结果与之前设计师的经验判断有很大差异，这造成设计师很大的疑惑，均作为活荷载处理，究竟什么原因导致配筋结果差异很大。本文结合规范中对消防车荷载的要求详细剖析该类型活荷载，同时针对设计中应该如何使用设计软件正确实现消防车荷载的准确计算做详细介绍，并对设计师一直关注的按照活荷载模拟消防车荷载与直接输入消防车荷载计算的内力、配筋结果差异大做细致的比对分析，让设计师清楚明白做消防车荷载作用下的结构设计。一、规范对消防车荷载的相关要求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。二、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9mx9m，每个房间两道次梁，次梁形成的板跨度均为3mx3m，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：1.43xtan450x1m=1.43m，线性插值查表得到3mx3m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3mx3m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