高層建筑式立體車庫方案設計與靜力彈塑性分析

張明聚 張奇朋

(北京工業大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

0 引言

隨著國民經濟的進步和汽車產業的發展，我國的汽車保有量快速增長，在一些城市中產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構的機械式立體車庫，如巷道堆垛類、垂直升降類等[1]。鋼框架結構在地震荷載、風荷載以及其他動力荷載作用下的力學性能，是影響立體車庫安全性和可靠性的重要因素。因此，很多學者針對機械式立體車庫在動靜力荷載作用下的力學性能進行了相關研究。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構進行了仿真設計研究，主要分析了鋼結構的受力情況、變形以及強度等。劉凱[3]以3層2列的單側堆垛式立體車庫為研究對象，建立了鋼結構立體車庫的有限元模型并進行了靜動力分析，結果表明該鋼結構立體車庫的強度可以抗8級風和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構立體停車庫在地震力作用下的穩定性能和承載力，研究了高寬比對結構承載力的影響，并對其結構方案進行了優化設計。

本文提出了載車電梯與轉盤相結合的高層建筑式立體車庫，并對該車庫結構的力學性能和變形特性進行了研究。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，運用SATWE計算了該模型在風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，分析了車庫結構在X,Y軸方向的剛度大小和變形特性。并采用MIDAS GEN對該車庫結構進行靜力彈塑性分析，分析該車庫結構塑性鉸發展的過程、速度和分布位置，找出結構中薄弱層的位置，以對薄弱位置進行加固。

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，汽車電梯外門關閉；汽車電梯垂向運輸到指定層，同時該層的水平轉盤轉動，將標識位置對汽車電梯內門；汽車電梯內門打開，用戶將汽車從汽車電梯開至水平轉盤的標識位置，汽車電梯內門關閉；水平轉盤轉動將汽車對準停車位，汽車沿直線駛入停車位。駕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(標準層平面圖見圖1,1—1剖面圖見圖2)。

2 高層建筑式立體車庫結構設計

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

表1 構件截面尺寸

2.1 設計參數

假設立體車庫擬建10層，建設場地為北京地區，恒載取4.5 kN/m2、活載取4.0 kN/m2，設計使用年限為50年，抗震設防類別為丙類，設防烈度8度，設計基本地震加速度0.2g，建筑場地類別為二類，設計地震分組為第一組，抗震等級為一級，場地特征周期Tg=0.4 s。基本風壓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行計算。

2.2 計算結果

表2 地震荷載作用下計算結果

層號X軸方向樓層位移/mmX軸方向層間位移角Y軸方向樓層位移/mmY軸方向層間位移角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 風荷載作用下計算結果

由圖3可知，X正(負)向和Y正(負)向的層間位移比均小于1.2，滿足《建筑抗震設計規范》[5]要求的限值，該車庫不屬于扭轉不規則建筑。

由表2,表3可知，風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《高層民用建筑鋼結構技術規程高鋼規》[6]的要求。

3 靜力彈塑性分析(Push-over分析)

3.1 Push-over工況和參數設置

本文采用位移控制法：由用戶指定結構的最大位移，然后結構施加荷載使結構達到預定位移。采用振型荷載分布的加載模式進行分析。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：未加載時原始狀態；AB段：彈性階段；B點：公稱屈服強度狀態；BC段：強度硬化階段；C點：構件抵抗能力下降；CD段：構件呈現破壞狀態；DE段：殘余應力狀態；E點：構件完全破壞。BC段做進一步劃分：IO為不影響居住狀態，LS為生命安全可以得到保證狀態，CP為整體倒塌臨界狀態，Collapse為倒塌狀態(對應關系見表4)。

表4 塑性鉸狀態與構件性能水準對應關系

3.3 計算結果

表5 立體車庫各狀態塑性鉸比例 %

塑性鉸狀態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Collapse塑性鉸，比例為0.1%；加載到第30步，Collapse狀態的塑性鉸比例為1.9%。X軸、Y軸方向Push-over分析結束時，塑性鉸狀態見圖5，圖6，各狀態塑性鉸比例見表5,每層Collapse塑性鉸數量見表6。

表6 立體車庫每層Collapse塑性鉸的數量

4 結語

1)該立體車庫X軸正(負)向和Y軸正(負)向的位移比均小于1.2，滿足《建筑抗震設計規范》要求的限值，因此不屬于扭轉不規則建筑。

2)風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《高層民用建筑鋼結構技術規程高鋼規》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狀態塑性鉸產生，柱端無該類塑性鉸產生。因此，該立體車庫結構滿足“強柱弱梁”的設計要求。