新型公交立體車庫結構設計分析

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摘要:提出一種新型公交立體車庫，按照規范要求，采用MIDASGEN軟件建立該車庫三維模型，并進行結構設計及優化，研究結果表明:采用鋼框架—支撐體系，更符合結構安全適用經濟的設計理念;穿梭車產生的水平位移對結構起主要控制作用;使用耐候鋼可減少車庫后期維護費用，提高結構的耐久性;該庫型占地少，存放車輛多，解決停車用地緊張問題，可為今后類似工程提供參考。

關鍵詞:公交立體車庫；結構設計；位移控制；耐候鋼

1概述

立體車庫的應用，極大的緩解了城市“停車難”的現象。目前，小型立體車庫的發展基本成熟，并且已經形成了工業化、模塊化、智能化的發展模式。然而，公交立體車庫的應用仍在發展當中，由于公交車尺寸及質量均超過了《機械式停車庫工程技術規范》［1］及《車庫建筑設計規范》［2］中適停車型尺寸及質量，因此在設計時需要各專業根據相關規范以及場地等情況進行專門設計。目前國內首例公交車機械式立體停車庫為北京公交公司二通廠公交立體停車樓，于2019年完成。本文依托公司《北京市公交機械式立體停車庫樣機升級改造及新庫型開發》課題，聯合北京公交集團及首鋼城運公司，提出一種新庫型，并對該公交立體車庫進行結構設計及優化，通過現有設計規范，利用最小的場地，停放最多的車輛，其建筑效果圖如圖1所示，該車庫屬于升降橫移類機械式停車庫，采用托輥傳輸可不考慮汽車最小轉彎半徑。

2工程概況

北京市公交機械式立體停車庫樣機升級改造及新庫型開發項目(后文簡稱“公交立體車庫”)，建設地點位于北京首鋼園區內，長度30．12m，寬度12．5m，高度32．61m，建筑投影面積為437．6m2，地上6層(不含提升機頂部機房)，首層為入車位基礎、升降機基礎、控制室及配電室，標準層層高4．65m，周圈設置懸挑檢修走道。該公交立體車庫能停放15輛公交車(公交車尺寸為12m×2．55m×3．3m)，其平面圖及立面圖如圖2所示。該車庫采用PLC控制系統，其智能化存取車策略由首鋼城運公司自動化專業進行設計，采用無人方式停車，存取車工作流程如下:存車過程:打開入庫車位外門，司機將公交車開入入庫停車位，熄火拉手剎下車，車庫啟動自動存車程序，通過托輥將車輛水平輸送到提升機上，提升機將車輛提升至目標層，通過托輥將車輛輸送至穿梭車上，穿梭車水平移動，最后通過托輥將車輛輸送至目標停車位。取車過程:與存車過程相反。

3結構設計

3．1設計參數

本項目位于北京首鋼園區內部，該區域抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0．20g，場地地震分組為第二組，場地土類別為Ⅱ類，特征周期為0．40s。基本雪壓0．40kN/m2，基本風壓0．45kN/m2，活荷載取0．50kN/m2。除結構自重外，公交車重量:13t，提升機重量:131t，提升速度0．5m/s，穿梭車重量:23t，運行速度0．5m/s～1m/s，動力系數取1．3。另外，為了體現建筑立面效果，同時減小風荷載效應，該公交立體車庫屋面全封閉，墻體僅在周圈欄桿處封閉，部分結構構件采用耐候鋼。

3．2結構設計及優化

該公交立體車庫采用鋼框架—支撐結構形式，采用MIDASGEN有限元軟件建立三維模型進行計算。若按照純鋼框架結構設計，梁柱節點設為剛接，其風荷載下的結構側移達到63mm(1/517＜1/400［3］)，雖然滿足剛度要求，但是鋼柱截面較大，增加建設成本。因此，在不影響車庫使用，同時方便人員通行的前提下，在結構外圍部分柱間設置八字撐及人字撐，同時優化梁柱截面，使得結構能夠滿足剛度要求，其支撐布置如圖3所示，根據統計對比，增設支撐，減小鋼柱截面可節約15t鋼材量。此外，為減小提升機立柱的計算長度及截面，每間隔2．3m與結構框架柱采用一道橫梁進行連接。優化后，其主體結構部分截面形式列于表1。

3．3強度、剛度、穩定性分析

1)強度分析:通過反復調整構件并進行構件歸并處理，最終結構構件均滿足強度要求，最大應力比均控制在0．85以內。2)剛度分析:風荷載標準值作用下，結構最大柱頂水平位移為19mm(1/1716＜1/400)，滿足規范要求［3］。此外，根據提升機及穿梭車的使用頻率及起重量，本項目應按照重級工作制吊車的標準計算其水平荷載作用下柱頂的水平位移［4］，經計算，穿梭機橫向水平荷載作用于第5層時，其最大柱頂水平位移為9．93mm(22700/9．93=2286＜1/2000);穿梭車縱向剎車荷載產生的最大柱頂水平位移為1．20mm(22700/1．20=18917＜1/2000)，滿足吊車水平荷載作用下柱頂水平位移容許值的要求［3］。可見在該項目進行結構設計時，穿梭機產生的水平位移對結構起控制作用，不可忽略。3)穩定性分析:當車庫滿存車輛時，在恒+活荷載共同作用下，按照一階彈性分析算得結構的臨界荷載系數為38．5，滿足要求。

3．4反應譜分析

當車庫存滿車輛時，對結構進行多遇地震下的振型分解反應譜分析，取前30階振型進行計算，保證各振型參與質量之和大于結構總質量的90%。其中前三階振型如圖4所示，其周期分別為1．188s，1．125s，0．735s，平動振型先于扭轉振型出現，且扭轉周期與一階平動周期之比(0．62)小于0．85，結構設計合理。此外，結構最大層間位移位于結構第三層Y方向，為3．32mm，算得最大層間位移角為1/1401，遠小于1/250，滿足抗震規范要求［5］。

4結構施工

為提高施工質量，加快施工進度，除了鋼柱拼接節點外，梁柱連接節點以及支撐節點等大部分節點均采用高強螺栓連接以及銷軸連接，如圖5，圖6所示。此外，由于該車庫外墻未封閉，絕大部分構件均處于露天狀態，為了減少結構后期維護費用，同時推廣耐候鋼的使用，本項目中1層～3層框架柱、框架梁、支撐等構件采用了耐候鋼，如圖7所示。耐候鋼具有良好的抗腐蝕性能和力學性能，使用中采用免涂裝設計，能夠提高建造速度、縮短施工工期、有益于環保和節約全壽命周期成本［6］。

5結論與建議

本文提出了一種新型公交立體車庫，根據相關規范要求，借助有限元軟件，結合工程實踐，對其進行設計及優化，得出以下結論:1)該新型公交立體車庫，可不考慮汽車轉彎半徑，占用場地小，可停放15輛公交車，極大的緩解了停車用地壓力。2)該公交立體車庫采用鋼框架—支撐結構體系，相比于純鋼框架結構體系，更加符合結構設計中安全適用經濟的設計理念。3)除風荷載外，穿梭機荷載(吊車荷載)產生的水平位移對結構起控制作用，在設計時不可忽略。4)將耐候鋼可作為結構主體構件，可減少公交立體車庫后期的維護。

參考文獻:

［1］JGJ/T326—2014，機械式停車庫工程技術規范［S］．

［2］JGJ100—2015，車庫建筑設計規范［S］．

［3］GB50017—2017，鋼結構設計標準［S］．

［4］GB50009—2012，建筑結構荷載規范［S］．

［5］GB50011—2010，建筑抗震設計規范(2016年版)［S］．

［6］鄭凱鋒，張宇，衡俊霖，等．高強度耐候鋼及其在橋梁中的應用與前景［J］．哈爾濱工業大學學報，2020，52(3):1-10．

作者：吳曉龍 張淵 劉巍 張磊 王玲玲 單位：北京首鋼國際工程技術有限公司