高层建筑式立体车库方案设计与静力弹塑性分析

张明聚 张奇朋

(北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124)

0 引言

随着国民经济的进步和汽车产业的发展，我国的汽车保有量快速增长，在一些城市中产生了较多的停车矛盾。为缓解停车难的问题，不少城市中增建了各种以钢框架为主体结构的机械式立体车库，如巷道堆垛类、垂直升降类等[1]。钢框架结构在地震荷载、风荷载以及其他动力荷载作用下的力学性能，是影响立体车库安全性和可靠性的重要因素。因此，很多学者针对机械式立体车库在动静力荷载作用下的力学性能进行了相关研究。杨涛[2]基于Ansys有限元软件，对2层升降横移式立体车库钢结构进行了仿真设计研究，主要分析了钢结构的受力情况、变形以及强度等。刘凯[3]以3层2列的单侧堆垛式立体车库为研究对象，建立了钢结构立体车库的有限元模型并进行了静动力分析，结果表明该钢结构立体车库的强度可以抗8级风和7级地震，具有很高的安全裕度。云斌[4]采用弹性和弹塑性方法研究了钢结构立体停车库在地震力作用下的稳定性能和承载力，研究了高宽比对结构承载力的影响，并对其结构方案进行了优化设计。

本文提出了载车电梯与转盘相结合的高层建筑式立体车库，并对该车库结构的力学性能和变形特性进行了研究。假定了立体车库梁、柱的截面尺寸，采用PKPM-STS建立了车库的三维模型，运用SATWE计算了该模型在风荷载和地震荷载等工况下的层间位移、层间位移角和位移比，分析了车库结构在X,Y轴方向的刚度大小和变形特性。并采用MIDAS GEN对该车库结构进行静力弹塑性分析，分析该车库结构塑性铰发展的过程、速度和分布位置，找出结构中薄弱层的位置，以对薄弱位置进行加固。

1 高层建筑式立体车库建筑方案

存车过程：汽车电梯外门打开，用户将汽车开入汽车电梯，汽车电梯外门关闭；汽车电梯垂向运输到指定层，同时该层的水平转盘转动，将标识位置对汽车电梯内门；汽车电梯内门打开，用户将汽车从汽车电梯开至水平转盘的标识位置，汽车电梯内门关闭；水平转盘转动将汽车对准停车位，汽车沿直线驶入停车位。驾驶员通过人行电梯或楼梯返回地面。取车过程与存车过程相反(标准层平面图见图1,1—1剖面图见图2)。

2 高层建筑式立体车库结构设计

本文提出的高层建筑式立体车库拟采用钢框架结构作为其承载结构，主体结构采用Q345钢。高层建筑式立体车库梁、柱等承载构件的截面尺寸见表1。

表1 构件截面尺寸

2.1 设计参数

假设立体车库拟建10层，建设场地为北京地区，恒载取4.5 kN/m2、活载取4.0 kN/m2，设计使用年限为50年，抗震设防类别为丙类，设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2g，建筑场地类别为二类，设计地震分组为第一组，抗震等级为一级，场地特征周期Tg=0.4 s。基本风压w0=0.35 kN/m2，基本雪压s0=0.4 kN/m2，地面粗糙度类别为C类。对该立体车库在多遇地震情况下进行计算。

2.2 计算结果

表2 地震荷载作用下计算结果

层号X轴方向楼层位移/mmX轴方向层间位移角Y轴方向楼层位移/mmY轴方向层间位移角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 风荷载作用下计算结果

由图3可知，X正(负)向和Y正(负)向的层间位移比均小于1.2，满足《建筑抗震设计规范》[5]要求的限值，该车库不属于扭转不规则建筑。

由表2,表3可知，风荷载和多遇地震情况下立体车库在X，Y轴方向的层间位移角和楼层位移分别小于1/550和60 mm，满足《高层民用建筑钢结构技术规程高钢规》[6]的要求。

3 静力弹塑性分析(Push-over分析)

3.1 Push-over工况和参数设置

本文采用位移控制法：由用户指定结构的最大位移，然后结构施加荷载使结构达到预定位移。采用振型荷载分布的加载模式进行分析。加载位移为1.2 m，模拟罕遇地震的工况。加载步骤为30步，薄弱层的层间位移角不得超过1/50。

3.2 塑性铰特性的定义

塑性铰反映了材料的非线性特性，本文采用FEMA骨架曲线来表述塑性铰的特性(见图4)。

A点：未加载时原始状态；AB段：弹性阶段；B点：公称屈服强度状态；BC段：强度硬化阶段；C点：构件抵抗能力下降；CD段：构件呈现破坏状态；DE段：残余应力状态；E点：构件完全破坏。BC段做进一步划分：IO为不影响居住状态，LS为生命安全可以得到保证状态，CP为整体倒塌临界状态，Collapse为倒塌状态(对应关系见表4)。

表4 塑性铰状态与构件性能水准对应关系

3.3 计算结果

表5 立体车库各状态塑性铰比例 %

塑性铰状态IOLSCPCollapseX轴方向87.27.71.33.8Y轴方向87.98.41.81.9

X轴方向Push-over分析加载到第14步，开始出现Collapse塑性铰，比例为0.3%；加载到第30步，Collapse塑性铰比例为3.8%。Y轴方向Push-over分析加载到第18步，开始出现Collapse塑性铰，比例为0.1%；加载到第30步，Collapse状态的塑性铰比例为1.9%。X轴、Y轴方向Push-over分析结束时，塑性铰状态见图5，图6，各状态塑性铰比例见表5,每层Collapse塑性铰数量见表6。

表6 立体车库每层Collapse塑性铰的数量

4 结语

1)该立体车库X轴正(负)向和Y轴正(负)向的位移比均小于1.2，满足《建筑抗震设计规范》要求的限值，因此不属于扭转不规则建筑。

2)风荷载和多遇地震情况下立体车库在X轴，Y轴方向的层间位移角和楼层位移分别小于1/550和60 mm，满足《高层民用建筑钢结构技术规程高钢规》的要求。

3)由X轴方向Push-over分析可知，薄弱层位于2层～8层。由Y轴方向Push-over分析可知，薄弱层位于3层～7层。因此，立体车库的2层～8层需要加固。

4)立体车库的梁端有Collapse状态塑性铰产生，柱端无该类塑性铰产生。因此，该立体车库结构满足“强柱弱梁”的设计要求。