一種新型公交立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100043； 3.北京住總集團(tuán)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(dāng)中，由于公交車尺寸及質(zhì)量均超過了《機(jī)械式停車庫工程技術(shù)規(guī)范》[1]及《車庫建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中適停車型尺寸及質(zhì)量，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要各專業(yè)根據(jù)相關(guān)規(guī)范以及場地等情況進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)首例公交車機(jī)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(jī)械式立體停車庫樣機(jī)升級(jí)改造及新庫型開發(fā)》課題，聯(lián)合北京公交集團(tuán)及首鋼城運(yùn)公司，提出一種新庫型，并對(duì)該公交立體車庫進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，通過現(xiàn)有設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)械式立體停車庫樣機(jī)升級(jí)改造及新庫型開發(fā)項(xiàng)目(后文簡稱“公交立體車庫”)，建設(shè)地點(diǎn)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(jī)頂部機(jī)房)，首層為入車位基礎(chǔ)、升降機(jī)基礎(chǔ)、控制室及配電室，標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)公司自動(dòng)化專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jī)將公交車開入入庫停車位，熄火拉手剎下車，車庫啟動(dòng)自動(dòng)存車程序，通過托輥將車輛水平輸送到提升機(jī)上，提升機(jī)將車輛提升至目標(biāo)層，通過托輥將車輛輸送至穿梭車上，穿梭車水平移動(dòng)，最后通過托輥將車輛輸送至目標(biāo)停車位。

取車過程：與存車過程相反。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)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(jì)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。基本雪壓0.40 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(jī)重量：131 t，提升速度0.5 m/s，穿梭車重量：23 t，運(yùn)行速度0.5 m/s～1 m/s，動(dòng)力系數(shù)取1.3。另外，為了體現(xiàn)建筑立面效果，同時(shí)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(jì)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(jìn)行計(jì)算。若按照純鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)為剛接，其風(fēng)荷載下的結(jié)構(gòu)側(cè)移達(dá)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(shí)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(shí)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(jì)對(duì)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(jī)立柱的計(jì)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(jìn)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(hào)

3.3 強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性分析

1)強(qiáng)度分析：通過反復(fù)調(diào)整構(gòu)件并進(jìn)行構(gòu)件歸并處理，最終結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)及穿梭車的使用頻率及起重量，本項(xiàng)目應(yīng)按照重級(jí)工作制吊車的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算其水平荷載作用下柱頂?shù)乃轿灰芠4]，經(jīng)計(jì)算，穿梭機(jī)橫向水平荷載作用于第5層時(shí)，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(xiàng)目進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，穿梭機(jī)產(chǎn)生的水平位移對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用，不可忽略。

3)穩(wěn)定性分析：當(dāng)車庫滿存車輛時(shí)，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(dāng)車庫存滿車輛時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的振型分解反應(yīng)譜分析，取前30階振型進(jìn)行計(jì)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(dòng)振型先于扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)，且扭轉(zhuǎn)周期與一階平動(dòng)周期之比(0.62)小于0.85，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(jìn)度，除了鋼柱拼接節(jié)點(diǎn)外，梁柱連接節(jié)點(diǎn)以及支撐節(jié)點(diǎn)等大部分節(jié)點(diǎn)均采用高強(qiáng)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(hù)費(fèi)用，同時(shí)推廣耐候鋼的使用，本項(xiàng)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(jì)，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(shí)踐，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì)中安全適用經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)理念。

3)除風(fēng)荷載外，穿梭機(jī)荷載(吊車荷載)產(chǎn)生的水平位移對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用，在設(shè)計(jì)時(shí)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(hù)。