新型公交立体车库结构设计分析

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摘要:提出一种新型公交立体车库，按照规范要求，采用MIDASGEN软件建立该车库三维模型，并进行结构设计及优化，研究结果表明:采用钢框架—支撑体系，更符合结构安全适用经济的设计理念;穿梭车产生的水平位移对结构起主要控制作用;使用耐候钢可减少车库后期维护费用，提高结构的耐久性;该库型占地少，存放车辆多，解决停车用地紧张问题，可为今后类似工程提供参考。

关键词:公交立体车库，结构设计，位移控制，耐候钢

1概述

立体车库的应用，极大的缓解了城市“停车难”的现象。目前，小型立体车库的发展基本成熟，并且已经形成了工业化、模块化、智能化的发展模式。然而，公交立体车库的应用仍在发展当中，由于公交车尺寸及质量均超过了《机械式停车库工程技术规范》［1］及《车库建筑设计规范》［2］中适停车型尺寸及质量，因此在设计时需要各专业根据相关规范以及场地等情况进行专门设计。目前国内首例公交车机械式立体停车库为北京公交公司二通厂公交立体停车楼，于2019年完成。本文依托公司《北京市公交机械式立体停车库样机升级改造及新库型开发》课题，联合北京公交集团及首钢城运公司，提出一种新库型，并对该公交立体车库进行结构设计及优化，通过现有设计规范，利用最小的场地，停放最多的车辆，其建筑效果图如图1所示，该车库属于升降横移类机械式停车库，采用托辊传输可不考虑汽车最小转弯半径。

2工程概况

北京市公交机械式立体停车库样机升级改造及新库型开发项目(后文简称“公交立体车库”)，建设地点位于北京首钢园区内，长度30．12m，宽度12．5m，高度32．61m，建筑投影面积为437．6m2，地上6层(不含提升机顶部机房)，首层为入车位基础、升降机基础、控制室及配电室，标准层层高4．65m，周圈设置悬挑检修走道。该公交立体车库能停放15辆公交车(公交车尺寸为12m×2．55m×3．3m)，其平面图及立面图如图2所示。该车库采用PLC控制系统，其智能化存取车策略由首钢城运公司自动化专业进行设计，采用无人方式停车，存取车工作流程如下:存车过程:打开入库车位外门，司机将公交车开入入库停车位，熄火拉手刹下车，车库启动自动存车程序，通过托辊将车辆水平输送到提升机上，提升机将车辆提升至目标层，通过托辊将车辆输送至穿梭车上，穿梭车水平移动，最后通过托辊将车辆输送至目标停车位。取车过程:与存车过程相反。

3结构设计

3．1设计参数。本项目位于北京首钢园区内部，该区域抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0．20g，场地地震分组为第二组，场地土类别为Ⅱ类，特征周期为0．40s。基本雪压0．40kN/m2，基本风压0．45kN/m2，活荷载取0．50kN/m2。除结构自重外，公交车重量:13t，提升机重量:131t，提升速度0．5m/s，穿梭车重量:23t，运行速度0．5m/s～1m/s，动力系数取1．3。另外，为了体现建筑立面效果，同时减小风荷载效应，该公交立体车库屋面全封闭，墙体仅在周圈栏杆处封闭，部分结构构件采用耐候钢。3．2结构设计及优化。该公交立体车库采用钢框架—支撑结构形式，采用MIDASGEN有限元软件建立三维模型进行计算。若按照纯钢框架结构设计，梁柱节点设为刚接，其风荷载下的结构侧移达到63mm(1/517＜1/400［3］)，虽然满足刚度要求，但是钢柱截面较大，增加建设成本。因此，在不影响车库使用，同时方便人员通行的前提下，在结构外围部分柱间设置八字撑及人字撑，同时优化梁柱截面，使得结构能够满足刚度要求，其支撑布置如图3所示，根据统计对比，增设支撑，减小钢柱截面可节约15t钢材量。此外，为减小提升机立柱的计算长度及截面，每间隔2．3m与结构框架柱采用一道横梁进行连接。优化后，其主体结构部分截面形式列于表1。3．3强度、刚度、稳定性分析。1)强度分析:通过反复调整构件并进行构件归并处理，最终结构构件均满足强度要求，最大应力比均控制在0．85以内。2)刚度分析:风荷载标准值作用下，结构最大柱顶水平位移为19mm(1/1716＜1/400)，满足规范要求［3］。此外，根据提升机及穿梭车的使用频率及起重量，本项目应按照重级工作制吊车的标准计算其水平荷载作用下柱顶的水平位移［4］，经计算，穿梭机横向水平荷载作用于第5层时，其最大柱顶水平位移为9．93mm(22700/9．93=2286＜1/2000);穿梭车纵向刹车荷载产生的最大柱顶水平位移为1．20mm(22700/1．20=18917＜1/2000)，满足吊车水平荷载作用下柱顶水平位移容许值的要求［3］。可见在该项目进行结构设计时，穿梭机产生的水平位移对结构起控制作用，不可忽略。3)稳定性分析:当车库满存车辆时，在恒+活荷载共同作用下，按照一阶弹性分析算得结构的临界荷载系数为38．5，满足要求。3．4反应谱分析。当车库存满车辆时，对结构进行多遇地震下的振型分解反应谱分析，取前30阶振型进行计算，保证各振型参与质量之和大于结构总质量的90%。其中前三阶振型如图4所示，其周期分别为1．188s，1．125s，0．735s，平动振型先于扭转振型出现，且扭转周期与一阶平动周期之比(0．62)小于0．85，结构设计合理。此外，结构最大层间位移位于结构第三层Y方向，为3．32mm，算得最大层间位移角为1/1401，远小于1/250，满足抗震规范要求［5］。a）一阶Y向平动b）二阶X向平动c）三阶Z向扭转

4结构施工

为提高施工质量，加快施工进度，除了钢柱拼接节点外，梁柱连接节点以及支撑节点等大部分节点均采用高强螺栓连接以及销轴连接，如图5，图6所示。此外，由于该车库外墙未封闭，绝大部分构件均处于露天状态，为了减少结构后期维护费用，同时推广耐候钢的使用，本项目中1层～3层框架柱、框架梁、支撑等构件采用了耐候钢，如图7所示。耐候钢具有良好的抗腐蚀性能和力学性能，使用中采用免涂装设计，能够提高建造速度、缩短施工工期、有益于环保和节约全寿命周期成本［6］。

5结论与建议

本文提出了一种新型公交立体车库，根据相关规范要求，借助有限元软件，结合工程实践，对其进行设计及优化，得出以下结论:1)该新型公交立体车库，可不考虑汽车转弯半径，占用场地小，可停放15辆公交车，极大的缓解了停车用地压力。2)该公交立体车库采用钢框架—支撑结构体系，相比于纯钢框架结构体系，更加符合结构设计中安全适用经济的设计理念。3)除风荷载外，穿梭机荷载(吊车荷载)产生的水平位移对结构起控制作用，在设计时不可忽略。4)将耐候钢可作为结构主体构件，可减少公交立体车库后期的维护。

参考文献:

［1］JGJ/T326—2014，机械式停车库工程技术规范［S］．

［2］JGJ100—2015，车库建筑设计规范［S］．

［3］GB50017—2017，钢结构设计标准［S］．

［4］GB50009—2012，建筑结构荷载规范［S］．

［5］GB50011—2010，建筑抗震设计规范(2016年版)［S］．

［6］郑凯锋，张宇，衡俊霖，等．高强度耐候钢及其在桥梁中的应用与前景［J］．哈尔滨工业大学学报，2020，52(3):1-10．

作者:吴晓龙 张渊 刘巍 张磊 王玲玲 单位:北京首钢国际工程技术有限公司