一種新型公交立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

吳曉龍 張 淵 劉 巍 張 磊 王玲玲

(1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043; 2.北京市冶金三維仿真設(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京 100043； 3.北京住總集團有限責(zé)任公司工程總承包二部，北京 100124)

1 概述

立體車庫的應(yīng)用，極大的緩解了城市“停車難”的現(xiàn)象。目前，小型立體車庫的發(fā)展基本成熟，并且已經(jīng)形成了工業(yè)化、模塊化、智能化的發(fā)展模式。然而，公交立體車庫的應(yīng)用仍在發(fā)展當中，由于公交車尺寸及質(zhì)量均超過了《機械式停車庫工程技術(shù)規(guī)范》[1]及《車庫建筑設(shè)計規(guī)范》[2]中適停車型尺寸及質(zhì)量，因此在設(shè)計時需要各專業(yè)根據(jù)相關(guān)規(guī)范以及場地等情況進行專門設(shè)計。目前國內(nèi)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(fā)》課題，聯(lián)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(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化，通過現(xiàn)有設(shè)計規(guī)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(zhuǎn)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(fā)項目(后文簡稱“公交立體車庫”)，建設(shè)地點位于北京首鋼園區(qū)內(nèi)，長度30.12 m，寬度12.5 m，高度32.61 m，建筑投影面積為437.6 m2，地上6層(不含提升機頂部機房)，首層為入車位基礎(chǔ)、升降機基礎(chǔ)、控制室及配電室，標準層層高4.65 m，周圈設(shè)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12 m×2.55 m×3.3 m)，其平面圖及立面圖如圖2所示。

該車庫采用PLC控制系統(tǒng)，其智能化存取車策略由首鋼城運公司自動化專業(yè)進行設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計參數(shù)

本項目位于北京首鋼園區(qū)內(nèi)部，該區(qū)域抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)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0.40 s?；狙?.40 kN/m2，基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，活荷載取0.50 kN/m2。除結(jié)構(gòu)自重外，公交車重量：13 t，提升機重量：131 t，提升速度0.5 m/s，穿梭車重量：23 t，運行速度0.5 m/s～1 m/s，動力系數(shù)取1.3。另外，為了體現(xiàn)建筑立面效果，同時減小風(fēng)荷載效應(yīng)，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(jié)構(gòu)構(gòu)件采用耐候鋼。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

該公交立體車庫采用鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)形式，采用MIDAS GEN有限元軟件建立三維模型進行計算。若按照純鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，梁柱節(jié)點設(shè)為剛接，其風(fēng)荷載下的結(jié)構(gòu)側(cè)移達到63 mm(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(shè)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(jié)構(gòu)外圍部分柱間設(shè)置八字撐及人字撐，同時優(yōu)化梁柱截面，使得結(jié)構(gòu)能夠滿足剛度要求，其支撐布置如圖3所示，根據(jù)統(tǒng)計對比，增設(shè)支撐，減小鋼柱截面可節(jié)約15 t鋼材量。此外，為減小提升機立柱的計算長度及截面，每間隔2.3 m與結(jié)構(gòu)框架柱采用一道橫梁進行連接。優(yōu)化后，其主體結(jié)構(gòu)部分截面形式列于表1。

表1 主體結(jié)構(gòu)部分截面型號

3.3 強度、剛度、穩(wěn)定性分析

1)強度分析：通過反復(fù)調(diào)整構(gòu)件并進行構(gòu)件歸并處理，最終結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足強度要求，最大應(yīng)力比均控制在0.85以內(nèi)。

2)剛度分析：風(fēng)荷載標準值作用下，結(jié)構(gòu)最大柱頂水平位移為19 mm(1/1 716<1/400)，滿足規(guī)范要求[3]。此外，根據(jù)提升機及穿梭車的使用頻率及起重量，本項目應(yīng)按照重級工作制吊車的標準計算其水平荷載作用下柱頂?shù)乃轿灰芠4]，經(jīng)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9.93 mm(22 700/9.93=2 286<1/2 000)；穿梭車縱向剎車荷載產(chǎn)生的最大柱頂水平位移為1.20 mm(22 700/1.20=18 917<1/2 000)，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(jié)構(gòu)設(shè)計時，穿梭機產(chǎn)生的水平位移對結(jié)構(gòu)起控制作用，不可忽略。

3)穩(wěn)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(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)為38.5，滿足要求。

3.4 反應(yīng)譜分析

當車庫存滿車輛時，對結(jié)構(gòu)進行多遇地震下的振型分解反應(yīng)譜分析，取前30階振型進行計算，保證各振型參與質(zhì)量之和大于結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的90%。其中前三階振型如圖4所示，其周期分別為1.188 s，1.125 s，0.735 s，平動振型先于扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)，且扭轉(zhuǎn)周期與一階平動周期之比(0.62)小于0.85，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。此外，結(jié)構(gòu)最大層間位移位于結(jié)構(gòu)第三層Y方向，為3.32 mm，算得最大層間位移角為1/1 401，遠小于1/250，滿足抗震規(guī)范要求[5]。

4 結(jié)構(gòu)施工

為提高施工質(zhì)量，加快施工進度，除了鋼柱拼接節(jié)點外，梁柱連接節(jié)點以及支撐節(jié)點等大部分節(jié)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(gòu)件均處于露天狀態(tài)，為了減少結(jié)構(gòu)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(gòu)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(xué)性能，使用中采用免涂裝設(shè)計，能夠提高建造速度、縮短施工工期、有益于環(huán)保和節(jié)約全壽命周期成本[6]。

5 結(jié)論與建議

本文提出了一種新型公交立體車庫，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，借助有限元軟件，結(jié)合工程實踐，對其進行設(shè)計及優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

1)該新型公交立體車庫，可不考慮汽車轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)體系，相比于純鋼框架結(jié)構(gòu)體系，更加符合結(jié)構(gòu)設(shè)計中安全適用經(jīng)濟的設(shè)計理念。

3)除風(fēng)荷載外，穿梭機荷載(吊車荷載)產(chǎn)生的水平位移對結(jié)構(gòu)起控制作用，在設(shè)計時不可忽略。

4)將耐候鋼可作為結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件，可減少公交立體車庫后期的維護。