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        澤林分享| 土承地坪的設計結構(Ⅰ)

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        澤林分享| 土承地坪的設計結構(Ⅰ)

        發布日期:2021-07-13 作者: 點擊:

        本文為土承地坪的結構設計提供指導。此類地坪完全由地基土支承,而且假定無論在地坪完工時還是在將來都不會使用地坪下方空間,因此地坪始終得到完全的支承。設計目標是讓地坪能承載預期的荷載并避免地坪表面開裂。

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        對于常見的由倉儲貨架、夾層樓面、物料搬運設備(MHE)產生的點荷載,地坪板有兩種可能的極限強度破壞模式:受彎破壞和受沖切破壞。


        對于承載力極限狀態(ULS)時點荷載作用下的地坪板抗彎設計是基于屈服線理論,這要求地坪板具有足夠的延性以呈現塑性。顯然,這要求下凸屈服線具有足夠的轉動能力以驅動上凸彎矩承載力。


        建議士承地坪的最小設計板厚為150mm。

         

        設計師應當考慮由地毯坑、感應回路、導向導線或其它因素所引起的地坪板厚減小的情況。


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        因為混凝土一天的攤鋪量有其實際上限,所以大多數地坪都有地坪縫。大多數情況下,最不利的荷載情況是在板塊之間地坪縫附近的點荷載。因此在所有地坪設計中,都必須對地坪縫附近的地坪承載能力進行校驗。這種承載能力很大程度上取決于地坪縫機制將荷載從地坪縫的一邊傳遞到另一邊的能力。特別是由MHE產生的荷載,因其不同于靜荷載,不可能避開地坪縫。地坪縫機制包括地坪板中的網片、傳力桿或傳力板,以及骨料咬合作用。


        地坪須承受由荷載產生的應力和潛在的由限制干縮而產生的應力。這種組合作用可能會引起地坪開裂。對這種組合作用的實際估算存在很多問題,可能會導致保守的但卻不能顯著降低開裂風險的設計。


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        因此本報告中對土承地坪設計所采用的方法是不考慮混凝土干縮引起的應力,而是通過精心的混凝土配合比設計盡量減少混凝土干縮;并通過精心的墊層設計施工、使用滑動薄膜、限制地坪縫間距,以及避免地坪連結到墻體、立柱或其它固定構件上等方法盡量減少對混凝土干縮的約束。


         


        采用這些方法的結果表明,對于按6m間距設置鋸切縫的網片增強型士承地坪,板塊內部產生干縮裂縫的風險極低。對于地坪縫較少且地坪縫間距很大的地坪即俗稱'無縫地坪,從理論上講地坪開裂風險會增加,這是因為墊層對地坪活動的約束增大了。將地坪縫的間距限制在35m以內,可以減少這種風險。這也有利于限制地坪縫的張開寬度。


         


        對于寬通道貨架區或堆棧區的無縫地坪,上重載和/或過早加載會顯著增加地坪開裂的風險。


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        已經發現對于纖維增強型地坪板來講,裂縫一旦豎向貫穿就可能會進一步張開,從而導致荷載傳遞能力逐步降低,最壞的情況是在此處形成一條自由邊。隨后承載能力大幅度降低地坪撓度增大,尤其是在物料搬運設備(MHE)的作用下。當裂縫發展成主導活動縫時就很難修復。因此,在設計無縫地坪時應考慮意外開裂的可能性。


        纖維增強型地坪的鋸切縫有張開到一定程度以致其在MHE動力作用下逐步喪失荷載傳遞能力的風險,參看第4.3章節。這種情況可能會導致嚴重的地坪撓度、開裂和鋸切縫棱邊破損。地坪板在鋸切縫處的豎向位移會導致墊層被壓縮,使地坪板喪失支承。因此建議在纖維增強型地坪中應避免設置鋸切縫,除非采取了額外的荷載傳遞措施。


        分項安全系數



        土承地坪采用的分項安全系數如下:

        材料

        混凝土                   1.5

        纖維增強混凝土            1.5

        加筋(鋼筋或網片)        1.15

         

        荷載:

        固定貨架                 1.2

        其它                     1.5

        動荷載                   1.6

        對動荷載采用分項安全系數1.6,已考慮到了剎車與轉彎的影響,也可為荷載大小不確定提供正常余量。

         

        對于使用重型MHE的地坪,需要考量其疲勞效應。




        對均布荷載和線荷載采用綜合安全系數1.5.因為已對材料性能采用了分項安全系數1.5,所以對均布荷載和線荷載應采用分項安全系數1。

        當夾層樓面由地坪板支承時,對夾層樓面結構恒載取分項安全系數1.35,對夾層樓面結構上的外施荷載區分項安全系數1.5。


        加筋要求



        加筋用量須滿足:開裂與未開裂帶系數抵抗彎矩的比值不得小于50%[50]。

        對于網片增強混凝土地坪板,建議鋼筋界面劑(AS)應至少達到0.08%,在限制伸縮縫鋸切縫部位其上限值可達0.125%。網片應當布置在地坪板底,且安裝在墊塊上以確保足夠的名義保護層厚度。




        相對剛度半徑



        Westergaard[24,25]引入了相對剛度半徑l的概念,它可通過如下等式確定:


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        地坪板板中區域由點荷載產生的彎矩


        在集中荷載P作用下,其正下方的彎矩是最大正彎矩(拉伸側位于地坪板的底面)。隨著與荷載作用點的距離逐步增大,其彎矩保持正值,并在距離荷載1.0時下降到零。然后轉為負值,并在距離荷載作用點2.0時達到最大負值。最大負彎矩(拉伸側位于地坪板的 頂面)比最大正彎矩小很多。在距離荷載作用點3.01處,彎矩值趨近于零。

         

        在與A點任意距離x處增加荷載P2,所產生的影響如下:

        如果x<l,A點處的正彎矩將增大。

        如果I<x<3l,A點處的正彎矩將減小,但減小的量相對較小。

        如果x>3l,荷載P2A點處正彎矩的影響可以忽略。

        如果2I>x<6I,荷載P2;會使負彎矩增大。

        考察等式20中各項系數如何對于l值產生影響是很有幫助的。

        Eurocode[27]中,混凝土的泊松比取為0.2。所以(1-Ⅴ2)=0.96其對l值的影響很小。

        混凝土的彈性模量(短時)可以從Eurocode 2 [27]中查到,如表61所示。因此可知IEcm的增大而增大。

        k越?。赐寥揽蓧嚎s性更大),l值越大。

        l值將隨著地坪板厚h的增大而增大。

        7.2顯示了在面積較大的混凝土土承地坪板的中間部位對一個小面積圓形區域施加單一點荷載的情況。隨著荷載的增大,荷載下方的彎曲應力會增至與混凝土的抗彎強度相等。地坪板開始曲服,在切向正彎矩作用下地坪板底面出現徑向拉伸開裂。


        隨著荷載的進一步增大,假定彎矩經過重新分布,正彎矩不再進一步增大,而離開荷載區域一定距離的周向負彎矩卻顯著增大。當最大彎矩超過地坪板的負彎矩承載力時(即:按素混凝土截面),地坪板頂面就會出現拉伸開裂。因此設計標準要求避免地坪板上表面開裂,所以出現這種情況即視為破壞。

        1962年,Meyerhof [51]基于塑性分析(屈服線理論),采用混凝土板極限強度分析法,得到了在板中、板邊和板角部位的單點荷載的設計公式。他還考慮了兩個或四個點荷載組合作用的情況。


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        對于混凝土土承地坪板上的每一個部位,都可用一對相應的等式來估算其在單一集中荷載作用下的承載力(PU-參看等式21-30。每對等式中的第一個等式都是用于估算理論點荷載,即ɑ=0,這里的ɑ=荷載接觸面積的等效半徑。而第二個等式用于‘局部荷載’,僅對ɑ/l0.2時的情況有效。Meyerhof沒有明確當ɑ/l值介于0-0.2之間時如何處理。然而Beckett[52]Beckett et al [53]報告的試驗結果表明:通過ɑ/l值在00.2之間的線性內插法,已取得了理論值與測試值之間的合理一致。 


        荷載位置



        設計中考慮了三種荷載位置(參看圖7.3)如下:

        板中-荷載中心與地坪板邊緣(:自由邊或地坪縫)的距離大于(ɑ+I)。

        板邊-荷載中心緊鄰一條自由邊或地坪縫,但與板角(:一個自由角、一條自由邊與一條地坪縫的交叉部位、或兩條地坪縫的交叉部位)的距離大于(ɑ+l)。

        板角-荷載中心位于與構成板角的兩條邊或兩條地坪縫的距離為ɑ的位置。

        其中:ɑ=荷載接觸面積的等效半徑。

        l=相對剛度半徑,參看等式20。


        應當注意的是,靠近地坪縫的荷載與位于建筑物周線構成的地坪實際邊緣的荷載應視作同一種情況。但是,由于骨料咬合和/或傳力件的荷載傳遞作用,地坪縫處的有效荷載會減小-參看第7.9章節。

        盡管建筑物周線構成的實際角落部位的理論承載力比實際邊緣部位的理論承載力要低很多,但經驗表明:只要地坪縫張開的情況及傳力件設置的情況都相同,地坪縫交叉部位的實際承載力與地坪縫部位的實際承載力一樣大。因此,只要對單條地坪縫已有適當的設計考量,一般來講就不需要考慮可能出現在地坪縫交叉部位的荷載。


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        點荷載



        1、單點荷載

        為了計算由荷載產生的應力,必須知道荷載的大小及其接觸面積的半徑,ɑ。因為貨架底座和叉車輪印通常為矩形,所以首先需確認其實際接觸面積,并據此計算出等效圓(即:面積相同)的半徑。對于充氣式輪胎,在缺乏荷載接觸面積的詳細數據時,可采用荷載與胎壓來計算接觸面積。對于其它類型的輪胎,應向制造商咨詢其荷載和接觸面積的信息。


        底座上只有具有足夠剛性可將荷載傳遞到地坪板的這一部分才能取作底座尺寸。底座尺寸應該取實際尺寸和根據圖7.4算得的有效尺寸二者中較小的值,除非通過適當的分析并考慮地坪板和底座的相對剛度能證明取最大值的合理性。


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        當缺乏項目細節說明時,可調式托盤貨架應采用有效底盤尺寸100mmx100mm。


        2、鄰近點荷載

        當多個點荷載距離很近時,可以將他們合并視為一定接觸面積上的單一荷載,該接觸面積等同于表示為圓的各單位點荷載的等效接觸面積加上它們之間的面積,如圖7.5所示。舉例來講,這種方法可應用于立柱間距通常為250-350mm的背對背布置的貨架立柱。對于中心距不超過地坪板厚2倍的成對荷載,可以采用此方法。否則,其組合作用就應按照等式2728確定。


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        這種方法也可應用于當叉車叉取或放置托盤時叉車輪與貨架立柱的組合作用。叉車位于這些位置時,其裝載側的前輪通常承受叉車的最大荷載。窄巷道常見布置如圖7.6所示。需要注意,當叉車所攜貨物荷載位于正中且叉車駛經立柱位置使尺寸H達到最小值時,情況更為嚴苛。


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        3、單點荷載的設計等式

        下面的等式分別用于板中區域的荷載(等式2122)、板邊荷載(等式2324)、板角荷載(等式2526)均源自Meyerhof [51]。


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        盡管靜荷載的布置有可能避開地坪縫,但對于MHE之類的動荷載來講是不可能的。因此,需要時應對地坪縫處的地坪板進行靜荷載和動荷載的驗算。


        4、多點荷載的設計等式

        對于位于板中區域的多點荷載,應采用下面的等式。

        對于雙點荷載,當其中心線間距χ小于2h(地坪板厚的2倍)時可采用前文給出的簡化方法。否則,其總破壞荷載近似于下方給出的結果:


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        隨著雙點荷載的間距增大,總破壞荷載趨近其上限值,即由等式2122得出的各自破壞荷載的總和。


        對位于板邊的雙點荷載,Meyerhof沒有提供相應等式。在雙點荷載靠近板邊且不宜采用簡化方法時,可按照在單點荷載作用下板邊部位荷載與板中部位荷載的比值對雙點荷載位于板中區域的結果進行折算。


        對于中心線間距為χ和γ的四點荷載,其總破壞荷載為各單點荷載的破壞荷載之和(等式2122),或是兩個雙點荷載的破壞荷載之和,或是通過下方的總破壞荷載近似算法得出,取所有計算結果中的最小值:


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        這些荷載分布所導致的地坪板破壞模型如圖7.7中所示。


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        結果表明,一組荷載的總破壞荷載比單個破壞荷載之和要小,除非這些荷載間距相當大(比如一條直線上的兩個荷載間距至少達到3.5l)。然而經驗表明,對一般背對背布置的托盤貨架,對構成兩組貨架的四個立柱,只需驗算兩個內側背對背立柱的組合荷載并分別驗算兩個外側立柱的荷載即可。


        對于夾層樓面立柱或其他類似的點荷載,當荷載間距小于3.5l時,就應當驗算其組合效應。


        對于自動化存取系統之類的高密度貨架,其點荷載的組合效應還應當按照第 7.12 章節所述作為均布荷載進行估算。

        本文摘自《混凝土工業首層地坪·設計與施工指南》





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        關鍵詞:澤林地坪,土承地坪,地坪設計

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