高層建筑式立體車庫方案設(shè)計(jì)與靜力彈塑性分析

張明聚 張奇朋

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國的汽車保有量快速增長，在一些城市中產(chǎn)生了較多的停車矛盾。為緩解停車難的問題，不少城市中增建了各種以鋼框架為主體結(jié)構(gòu)的機(jī)械式立體車庫，如巷道堆垛類、垂直升降類等[1]。鋼框架結(jié)構(gòu)在地震荷載、風(fēng)荷載以及其他動(dòng)力荷載作用下的力學(xué)性能，是影響立體車庫安全性和可靠性的重要因素。因此，很多學(xué)者針對機(jī)械式立體車庫在動(dòng)靜力荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究。楊濤[2]基于Ansys有限元軟件，對2層升降橫移式立體車庫鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)研究，主要分析了鋼結(jié)構(gòu)的受力情況、變形以及強(qiáng)度等。劉凱[3]以3層2列的單側(cè)堆垛式立體車庫為研究對象，建立了鋼結(jié)構(gòu)立體車庫的有限元模型并進(jìn)行了靜動(dòng)力分析，結(jié)果表明該鋼結(jié)構(gòu)立體車庫的強(qiáng)度可以抗8級風(fēng)和7級地震，具有很高的安全裕度。云斌[4]采用彈性和彈塑性方法研究了鋼結(jié)構(gòu)立體停車庫在地震力作用下的穩(wěn)定性能和承載力，研究了高寬比對結(jié)構(gòu)承載力的影響，并對其結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文提出了載車電梯與轉(zhuǎn)盤相結(jié)合的高層建筑式立體車庫，并對該車庫結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和變形特性進(jìn)行了研究。假定了立體車庫梁、柱的截面尺寸，采用PKPM-STS建立了車庫的三維模型，運(yùn)用SATWE計(jì)算了該模型在風(fēng)荷載和地震荷載等工況下的層間位移、層間位移角和位移比，分析了車庫結(jié)構(gòu)在X,Y軸方向的剛度大小和變形特性。并采用MIDAS GEN對該車庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析，分析該車庫結(jié)構(gòu)塑性鉸發(fā)展的過程、速度和分布位置，找出結(jié)構(gòu)中薄弱層的位置，以對薄弱位置進(jìn)行加固。

1 高層建筑式立體車庫建筑方案

存車過程：汽車電梯外門打開，用戶將汽車開入汽車電梯，汽車電梯外門關(guān)閉；汽車電梯垂向運(yùn)輸?shù)街付▽樱瑫r(shí)該層的水平轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將標(biāo)識(shí)位置對汽車電梯內(nèi)門；汽車電梯內(nèi)門打開，用戶將汽車從汽車電梯開至水平轉(zhuǎn)盤的標(biāo)識(shí)位置，汽車電梯內(nèi)門關(guān)閉；水平轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)將汽車對準(zhǔn)停車位，汽車沿直線駛?cè)胪＼囄弧ｑ{駛員通過人行電梯或樓梯返回地面。取車過程與存車過程相反(標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見圖1,1—1剖面圖見圖2)。

2 高層建筑式立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的高層建筑式立體車庫擬采用鋼框架結(jié)構(gòu)作為其承載結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)采用Q345鋼。高層建筑式立體車庫梁、柱等承載構(gòu)件的截面尺寸見表1。

表1 構(gòu)件截面尺寸

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

假設(shè)立體車庫擬建10層，建設(shè)場地為北京地區(qū)，恒載取4.5 kN/m2、活載取4.0 kN/m2，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g，建筑場地類別為二類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震等級為一級，場地特征周期Tg=0.4 s?；撅L(fēng)壓w0=0.35 kN/m2，基本雪壓s0=0.4 kN/m2，地面粗糙度類別為C類。對該立體車庫在多遇地震情況下進(jìn)行計(jì)算。

2.2 計(jì)算結(jié)果

表2 地震荷載作用下計(jì)算結(jié)果

層號X軸方向樓層位移/mmX軸方向?qū)娱g位移角Y軸方向樓層位移/mmY軸方向?qū)娱g位移角1029.311/2 29331.261/2 059928.291/1 56530.101/1 407826.711/1 16628.341/1 064724.491/95825.921/884621.671/83522.871/776518.311/75319.271/705414.471/70115.171/659310.251/68510.691/65125.901/7656.111/73712.001/1 5022.041/1 469

表3 風(fēng)荷載作用下計(jì)算結(jié)果

由圖3可知，X正(負(fù))向和Y正(負(fù))向的層間位移比均小于1.2，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]要求的限值，該車庫不屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則建筑。

由表2,表3可知，風(fēng)荷載和多遇地震情況下立體車庫在X，Y軸方向的層間位移角和樓層位移分別小于1/550和60 mm，滿足《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程高鋼規(guī)》[6]的要求。

3 靜力彈塑性分析(Push-over分析)

3.1 Push-over工況和參數(shù)設(shè)置

本文采用位移控制法：由用戶指定結(jié)構(gòu)的最大位移，然后結(jié)構(gòu)施加荷載使結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定位移。采用振型荷載分布的加載模式進(jìn)行分析。加載位移為1.2 m，模擬罕遇地震的工況。加載步驟為30步，薄弱層的層間位移角不得超過1/50。

3.2 塑性鉸特性的定義

塑性鉸反映了材料的非線性特性，本文采用FEMA骨架曲線來表述塑性鉸的特性(見圖4)。

A點(diǎn)：未加載時(shí)原始狀態(tài)；AB段：彈性階段；B點(diǎn)：公稱屈服強(qiáng)度狀態(tài)；BC段：強(qiáng)度硬化階段；C點(diǎn)：構(gòu)件抵抗能力下降；CD段：構(gòu)件呈現(xiàn)破壞狀態(tài)；DE段：殘余應(yīng)力狀態(tài)；E點(diǎn)：構(gòu)件完全破壞。BC段做進(jìn)一步劃分：IO為不影響居住狀態(tài)，LS為生命安全可以得到保證狀態(tài)，CP為整體倒塌臨界狀態(tài)，Collapse為倒塌狀態(tài)(對應(yīng)關(guān)系見表4)。

表4 塑性鉸狀態(tài)與構(gòu)件性能水準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系

3.3 計(jì)算結(jié)果

表5 立體車庫各狀態(tài)塑性鉸比例 %

塑性鉸狀態(tài)IOLSCPCollapseX軸方向87.27.71.33.8Y軸方向87.98.41.81.9

X軸方向Push-over分析加載到第14步，開始出現(xiàn)Collapse塑性鉸，比例為0.3%；加載到第30步，Collapse塑性鉸比例為3.8%。Y軸方向Push-over分析加載到第18步，開始出現(xiàn)Collapse塑性鉸，比例為0.1%；加載到第30步，Collapse狀態(tài)的塑性鉸比例為1.9%。X軸、Y軸方向Push-over分析結(jié)束時(shí)，塑性鉸狀態(tài)見圖5，圖6，各狀態(tài)塑性鉸比例見表5,每層Collapse塑性鉸數(shù)量見表6。

表6 立體車庫每層Collapse塑性鉸的數(shù)量

4 結(jié)語

1)該立體車庫X軸正(負(fù))向和Y軸正(負(fù))向的位移比均小于1.2，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的限值，因此不屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則建筑。

2)風(fēng)荷載和多遇地震情況下立體車庫在X軸，Y軸方向的層間位移角和樓層位移分別小于1/550和60 mm，滿足《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程高鋼規(guī)》的要求。

3)由X軸方向Push-over分析可知，薄弱層位于2層～8層。由Y軸方向Push-over分析可知，薄弱層位于3層～7層。因此，立體車庫的2層～8層需要加固。

4)立體車庫的梁端有Collapse狀態(tài)塑性鉸產(chǎn)生，柱端無該類塑性鉸產(chǎn)生。因此，該立體車庫結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)要求。