北京鲜活农产品流通中心项目荷载取值研究

张延赫，李博宇，王 然，张 盟，郝淑敏，毕鹏飞

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

1 概述

北京鲜活农产品流通中心工程位于北京市通州区黑庄户乡，总建筑面积为60万m2，是亚洲最大的物流综合体工程，其与市政路桥相联通结合，承载着首都重要的农产品交通枢纽功能。本工程农贸产品交易区建筑面积为48万m2，地上结构通过设抗震缝分为八栋单体建筑，4号楼为冷库楼，其余楼均为农贸产品交易楼。本工程地下2层，地上4层～5层，重型货车在B2～2F层间行驶，建筑效果图见图1。

北京鲜活农产品流通中心工程的建筑功能决定了超重荷载是设计中的一大难点，本工程抗震设防烈度为8度，在超重荷载的影响下，地震作用对结构设计有着极大的影响。因此合理的给出不同建筑功能区域的活荷载取值显得尤为重要，它直接影响着本工程设计的安全性及经济性。

2 荷载取值

北京鲜活农产品工程交易区荷载类型根据建筑功能可以分为三类：重型货车荷载；室内交易区荷载；冷库区荷载。下面介绍各区域活荷载取值依据。

2.1 重型货车荷载

现行GB 50009—2012建筑结构荷载规范[1]中5.1.1 条仅给出了重型消防车活荷载标准值，若在工程设计中，重型货车荷载直接套用规范活载值，由于两者的轮压、轴距等存在差异，则计算结果的合理性难以确定。因而有必要对于农产品物流园工程中，中、大型货车等效均布荷载进行计算取值。

荷载规范在其附录中给出楼面等效均布荷载的计算方法，现今随着通用有限元软件的普及，衍生出一种更高效、工程适用性更强的有限元算法，能够准确的计算出重型货车等效均布荷载。

2.1.1 重型车规格

对长度18 m的大型车荷载参数，CJJ 11—2011城市桥梁设计规范[2]及JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范[3]均有规定，前者规定城A级车辆总重700 kN，最大轮重100 kN，后者规定公路1级车辆总重550 kN，最大轮重70 kN。根据车辆荷载取较大值的原则，故取城A级车辆参数计算等效均布荷载。对长度8 m的中型车荷载参数，参考农产品流通中心物流咨询报告，并结合规范及调研情况，确定车辆参数。大、中型车轮压平面布置及排列间距见图2～图4，车辆前轮着地尺寸0.2 m×0.2 m，后轮着地尺寸0.6 m×0.2 m。

2.1.2 重型车等效活荷载取值原则

1)等效活荷载计算。

《建筑结构荷载规范》的条文说明中指出了板面等效均布荷载的确定原则，即在实际的局部荷载作用下，简支板内引起的绝对最大的分布弯矩，使其等于在等效均布荷载作用下该简支板内引起的最大弯矩，即跨中弯矩等效原则。

等跨双向板在均布荷载q1=1 kN/m2作用下,四边简支板跨中弯矩为Mx,My,在局部荷载作用下,等效均布荷载与绝对最大弯矩Mmax(x,y)及Mx存在以下关系:

不等跨板等效均布荷载qe计算公式与等跨板相同。

2)轮压的扩散与叠加。

当楼板有覆土时,土的扩散作用使作用于楼板上的轮压面积增大,轮压减小,轮压与覆土厚度成反比关系。对于轴距较近的两个轮胎,轮压经过覆土扩散后,轮压面积会发生部分重叠,重叠次数越多,重叠范围内轮压荷载越大,重叠后,轮压应力q1=nq0,其中，n为重叠次数。同样,楼板对轮压也有扩散作用。覆土应力扩散角θ取35°,楼板应力扩散角取45°。轮压经楼板及覆土扩散后,轮压宽度bsx及长度bsy取值按下式。当楼板无覆土时,s取值为0。轮压扩散图见图5，图6。

bsx=btx+2stanθ+h。

bsy=bty+2stanθ+h。

其中，s为楼板上覆土厚度；h为楼板厚度。

3)最不利布置原则。

根据结构力学简支梁影响线计算理论,判断最不利荷载位置的一般原则是:当把数量大、排列密的荷载放在影响线竖距较大部位[4]。对于移动中的一组集中荷载,在最不利位置时,必有一个集中荷载在影响线的顶点。根据一维情况类推二维平面板区格可知,当板跨相对于汽车轮距分布尺寸较为接近时,某一列轮压作用在板中线上或某一轮压作用在板中心处,结构板产生最大弯矩。

2.1.3 工程应用

本工程地下2层,地上4层～5层,中、大型车于地下2层～2层环楼行驶,并且中型车在首、2层可驶入交易楼内部。首层行车道处存在覆土,其余各层无覆土。交易楼内部柱网尺寸为9 m×9 m,结构布置采用大板形式;行车道部位,首层顶柱网尺寸为9 m×18 m,地下1层、2层顶柱网尺寸为9 m×12.6 m及9 m×5.4 m。由于行车道部位荷载重,跨度大,故其结构布置形式采用密肋梁形式(见表1),次梁布置见图7,图8。

表1 车道部位结构布置形式统计

对于车道密肋梁形式,经Midas计算分析,可将其等效为各节点位移相近的大板形式。故而在计算密肋梁楼板的等效均布荷载过程中,可将密肋楼板简化为相同板跨的大板结构,进行建模。

本工程车辆荷载作用可按其行驶的区格划分,A，B分别表示大型车及中型车在主体结构内的荷载区格,对于同一区格,大型车及中型车均可行驶的工况,取大型车行驶的最不利工况,荷载区格划分见表2。

表2 荷载区格划分

1)轮压作用面积及应力。

车辆前轮着地尺寸bsx1×bsy1为0.2 m×0.2 m,后轮着地尺寸bsx2×bsy2为0.6 m×0.2 m,根据轮压的扩散原则,得出不同覆土厚度及板厚影响下,轮压作用面积。单轮压力作用下轮压应力q为:

考虑覆土及楼板厚度影响,车辆动力系数K取1.3,得出轮压应力。

2)计算模型及荷载最不利布置。

根据国家现行荷载规范,按四边简支板的绝对最大弯矩等值原则确定等效均布荷载。本工程均布荷载计算采用有限元软件Midas来进行建模。采用板单元,混凝土材料及板厚与设计相同,板边界条件为简支(dx=dy=dz=0)。对于同一板块,分别建立车辆荷载最不利布置模型及q1=1 kN/m2均布荷载模型,并根据两模型计算结果绝对最大弯矩之比,得出等效均布荷载qe。

现以A1为例,对于9 m×18 m车道,车道净宽为16.5 m,考虑大型车满载情况,车辆间净距500 mm,最多布置5辆汽车同向行驶,同时考虑车辆首尾相接的情况,首尾车辆轴距1 500 mm,此种布置方式基本包含设计中可能遇到的所有不利情况。根据最不利荷载布置原则,考虑A11,A12,A13三种轮压荷载不利布置情况,见图9～图11,进行计算比较得出轮压荷载最不利布置。

由以上三种不利布置的结果可以看出,弯矩云图见图12～图14,结果见表3,轮压不利布置A11得出的等效均布荷载值最大,即A11布置方式为最不利布置,故而大型车在A11情况下等效均布荷载取值为24.7 kN/m2。

表3 不同轮压排布形式下等效均布荷载取值

将A11最不利情况下计算的等效均布荷载以及最不利的轮压分布荷载分别布置到9 m×18 m密肋楼板模型中,竖向位移云图见图15，图16,两者变形情况近似一致,节点位移值相差基本在5%以内,表明密肋楼板的等效均布荷载取值方法有较好的适用性及合理性。

3)计算结果。

对于A2～A9,B1～B3情况下的等效均布荷载,由于篇幅有限,荷载取值过程不再赘述,仅给出部分轮压的最不利布置情况及等效均布荷载,见图17，图18。等效均布荷载值见表4。

表4 不同区格情况下等效均布荷载

由表4可知,B2层顶中型车荷载取值在17.9 kN/m2～23.0 kN/m2之间;B1层顶大型车荷载取值在20.4 kN/m2～25.9 kN/m2之间,中型车停车位荷载取值17.9 kN/m2;1层顶大型车荷载取值24.7 kN/m2,中型车停车位荷载取值17.9 kN/m2。通过计算结果可以看出,建筑结构荷载规范所给车辆荷载标准值20.0 kN/m2相对于本工程较小,重型车辆荷载若按规范荷载取值,结构设计偏于不安全。

在本工程设计中,考虑到车辆超载、荷载冗余度等情况,对计算值进行适当放大,大型车行驶区域等效均布活荷载取值为35 kN/m2,中型车等效均布活荷载取值为25 kN/m2。

2.2 室内交易区荷载

1号～3号、5号～7号楼地上部分的建筑功能为农贸产品交易大厅,根据建筑功能的需求,农贸产品需在室内堆码存放,故室内交易区建筑性质可定义为商业仓库。《全国民用建筑工程设计技术措施(结构体系)》[5](下称《全国技措》)附录F中指出,库房楼面的荷载应根据储存商品的容重及堆码高度等因素确定,并给出一般情况下,商业仓库库房楼面均布荷载取值,见表5。通过对农贸产品包装容重的调研,对于肉类,包装容重为350 kg/m3～500 kg/m3;对于不同品种蔬菜,包装容重为200 kg/m3～300 kg/m3,故农贸产品属于《全国技措》附录F中综合仓库储存商品的范畴,即包装容重400 kg/m3～500 kg/m3,故室内交易区活荷载标准值取15 kN/m2。

表5 商业仓库库房楼(地)面均布活荷载

对于室内交易区内中型车可驶入的区域,活荷载按中型车等效均布荷载取值,即25 kN/m2。

2.3 冷库区荷载

4号楼为冷库楼,地上4层,建筑面积为40 000 m2,属于大型冷库。冷库楼各层使用功能基本相同,见图19。图中阴影部分为冷库穿堂,非阴影区为冷藏间。本工程冷库楼活荷载取值依据GB 50072—2010冷库设计规范[6],见表6。

表6 冷库楼活荷载取值

3 结论

1)本文给出了北京鲜活农产品项目中三类不同建筑功能区域的活荷载取值,即重型货车荷载、室内交易区荷载、冷库区荷载,为今后物流综合体类建筑荷载取值提供借鉴。2)对于重型货车荷载,综合考虑了重型货车台数、楼板跨度、覆土厚度等因素对等效均布荷载的影响。3)由于荷载规范附录中给出的等效均布荷载取值方法在实际工程应用中适用性不强,本文采用有限元方法进行等效均布荷载计算,为等效荷载计算提供了一个快捷、合理的途径。