装配式公交综合车场的结构关键问题研究

装配式公交综合车场的结构关键问题研究

蒋正浩

（上海城市交通设计院有限公司，上海200000）

摘要：如何能使城市公交停车楼能够满足40%装配率的要求，同时也保证使用功能的要求并兼顾造价。以上海某装配式公交立体车库结构为例，重点介绍装配式公交车库的结构设计关键性问题，主要从楼板选型、标准结构单元选择、坡道开洞分析及屈曲支撑四个方面进行分析。

关键词：装配整体式；公交停车楼；楼板选型：屈曲约束支撑

中图分类号：TU318+.2文献标志码：A            文章编号：

第一作者：蒋正浩，同济大学结构工程/工程管理双硕士，工程师，注册咨询工程师，主要从事公交结构设计工作，Email：53127834@qq.com。

Research on Key Structural Issues of Prefabricated Public Transport Comprehensive Parking Lot

JIANG Zhenghao

( Shanghai Urban Transportation Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200000)

Abstract: How to make the parking building of the city's public transportation hub meet the 40% assembly rate requirement, while also ensuring the functional requirements and considering the cost.Taking the structure of a prefabricated public transportation three-dimensional garage in Shanghai as an example, this article focuses on the key issues in the structural design of prefabricated public transportation garages. The analysis mainly focuses on four aspects: floor selection, standard structural unit selection, slope opening analysis, and buckling restrained braces.

Keywords: Assembled as a whole; Bus parking buildings; Floor slab selection: buckling restrained braces

0   概述

近年来，随着我国人民生活水平的提高，城市居民私家车保有量持续上升。一线城市的部分公交停保场周边道路晚上也沦为了私家车的停车场。为了缓解城市公交停车难的问题，立体公交停车库应运而生，这对城市公共交通的运营和发展具有重要意义。出于耐久性及防火等问题考虑，公交立体停车库多数采用钢筋混凝土框架结构，随着装配式建筑的推广，如何将常规布局的现浇公交停车库转换为装配式结构，同时又不大范围地提升造价，成为各公交投资和管理公司研究的重点。本文特以临港X2路停保场为例，从优化楼板形式、标准结构单元选择、坡道大开洞分析、屈曲约束支撑四个方面，对装配整体式公交立体车库的结构关键问题进行阐述。

1   工程概况

本工程位于上海临港新区，建设用地面积约5万平方米，主停车楼建筑面积为59000平方米，无地下室，地上共6层，1层为维修保养车库、材料仓库及应急充电车位，层高6.3m；2-5层是公交停车库，层高5.8m，6层是光伏架空层层高5.3m。房屋主体结构高度为23.5m，算上屋顶光伏架空层合计28.8m。采用装配整体式混凝土框架结构。抗震设防类别为标准设防类（丙类），设防烈度7度（0.1g），场地类别为Ⅳ类，场地特征周期0.9s，多遇水平地震影响系数为0.08，罕遇水平地震影响系数为0.45，设计地震分组为第二组，框架抗震等级为三级，地基基础设计等级为乙级。基本风压0.55kN/m2，基本雪压0.20kN/m2，地面粗糙度类别为B 类。建筑效果图见图1，结构模型图见图2。

   图1 建筑效果图

2标准结构单元选择

由于公交车长度普遍在10m~12m，标准车位宽度为3.5m，形式回转半径在13m~15m。即车库整体上柱网的需求就是12m×12m和15m×15m，考虑到装配式车库单体预制梁的重量不得过重，所以缩小单个方向的跨度减少预制构件重量，将主要柱网缩小为8.1m×12m，8.1m×15m。

图2 结构模型图

根据建筑的体型和高度，本工程结构设计采用框架结构[5]

。坡道置于主楼的一侧，并考虑设抗震缝断开，见图3。与坡道相连的，则是一个环通的公交行车道，夜间也可用作暂时停放车辆。梁、板等水平承重结构构件等级由于要考虑车辆动荷载，为防止楼板开裂，选用楼板厚度为180mm，并创新地与建筑面层统一均采用C35混凝土，与20mm厚的建筑面层进行整体浇筑，随捣随抹并不再进行界面处理，保证停车区楼板良好的整体性。最大可能降低车库区楼板开裂风险。

图3 本项目结构布置平面图

（由于部分房间为设备功能区，需要设置设备基础，故采用现浇结构。阴影区为现浇构件区，其余均采用装配式结构；蓝色为停车区，白色为行车区，橙色为坡道区）

标准结构单元选取框架柱尺寸为700×700～1000×1000，底层柱采用C40混凝土，二层以上降低至C30。由于新能源车辆底盘低，行车坡道坡比受限，故需要尽可能压缩梁高。本项目长跨框架梁截面尺寸选500×1000，短跨框架梁选400×1000，次梁截面尺寸为300×700～1000，车库楼板厚度180mm。具体布置见图4.

图4 标准结构单元

（按照公交最不利布置形式的结构计算单元，绿色为行车区，蓝色为停车区，白色为主梁，红点为框架柱）

2   楼板选型

按照上海市沪建建材〔2019〕765号文件《上海市装配式建筑单体预制率和装配率计算细则》的要求，本项目单体预制率不得低于40%。经分析，计算预制率无论采用该计算细则所述第二章的体积占比算法还是构件权重系数算法，均对楼板的装配率提出了很高的要求。所以在方案选型时，首要考虑提高楼板的装配率或者预制部分的体积占比要足够高。主要的装配式楼板选型有以下三种：常规钢筋桁架叠合板（图5）、预应力混凝土双T 板（图6、图7）[1]、预应力混凝土空心叠合板(DKB)（图8）。

图5 13米跨度的双T板详图（厚度90+90=180mm）

图6 双T板计算模型（厚度90+100=190mm）

图7 13.2米跨度的双T板详图（叠合层厚度100mm）

图8 13米跨度的预应力混凝土空心叠合板详图

当采用预应力混凝土空心叠合板时，可在YJK模型中以自定义空心板的形式进行布置，详见图9，自定义的标准模型单元见图9，图10。

图9 预应力混凝土空心叠合板布置模型

图10 预应力混凝土空心叠合板标准单元模型

荷载均按照均布荷载进行模拟， 关于公交车辆的车轮等效均布荷载相关研究[2] [3]已经存在，本文不再赘述。其中，双T板计算时将后浇层混凝土按恒载进行输入，由于T形肋梁及预应力钢筋的存在，根据荷载规范5.1.2条及条文说明，关于第8条车辆荷载的槽型梁活载折减系数为0.8，近似地考虑双T板梁活载折减系数为0.7，单向梁活载折减系数为0.6。为保证三种计算有可比性，双t板的活荷载取值可比其两种降低0.5KN/m2，此时，折减后的活载为3、3.15、3,具有较好的可比性。

具体计算结果如下表1所示：

表1   三种装配式楼板的计算结果

从结构性能上判断，双T板的效果最好，空心叠合板次之，普通叠合板最差。从面内整体性的角度，普陀叠合板和双t板几乎一致，但空心叠合板由于存在减重块，整体性不如前两者。从使用的角度来看，可以注意到双T板和空心叠合板由于尺寸较大，只能用在行车通道及停车位处；另外双t板对于层高占用较大，对暖通风管的布置约束较多，且对于周边的配套房间的装配式选型，依然需要采用普通叠合板。

综合来看，三种楼板的优缺点见表2：

表2  三种装配式楼板的优缺点比较

根据我单位的工程经验，从节约投资的角度，普通叠合楼板形式最为单一，工艺成熟，造价最低。空心叠合板次之，单位造价比普通叠合板高出10%-15%，双T板我单位虽无一手造价资料，但经了解[4]所述项目位于上海市惠南镇，造价比普通叠合板高出10%左右。综合造价来看，若建筑方案不是非常复杂的情况下，普通叠合板由于工艺成熟，是最适合的公交停车楼采用的一种装配楼板形式。

3   标准结构单元选择与坡道设计

3.2坡道设计

由于自行式混凝土公交车库存在公交行车坡道[6]，行车坡道的剪刀撑效应会产生极大的侧向刚度，从而导致设计指标无法满足规范要求进而导致结构超限。为避免这种情况的发生，坡道一般都考虑设抗震缝断开，但由于坡道本身不可或缺，公交车库坡道的布置形式大体上分为两种，分别是单侧临边布置和居中布置，这两种布置方式各有利弊。

1）坡道单侧临边布置，设抗震缝与主体车库断开。这种布置形式优点是时独立的坡道结构按照实际情况建立模型，由于剪刀撑效应的存在，坡道方向的刚度将比另一个方向要大的多，通过调节柱的大小，利用不等边矩形柱，人为加大薄弱方向的柱的单边长度，可使得坡道能够满足相关计算指标的要求，设计较为简单。但这种布置形式缺点也比较明显，由于单侧临边，导致雨天雨水会进入坡道导致车辆打滑。为避免雨水侵入往往在凌空侧设置现浇混凝土雨棚及截水沟，从而导致装配率下降。

2）坡道居中布置，设抗震缝与主体车库断开。这种布置形式优点是坡道开洞基本位于主体正中，上方可以增加一个屋顶雨棚，无需增加大量现浇混凝土截水和挡水节点构造，可以提高装配率。同时，也方便设置屈曲约束支撑并进一步减小立柱的大小，降低造价的同时更可以获得更大的停车位布置灵活性。但这种布置形式缺点就是坡道场，主体开洞大，容易导致结构超限。

按照《超限标准》进行判断，最有可能出现以下几项不规则：1）扭转不规则；2）塔楼偏置。3）侧向刚度不规则或尺寸突变。若出现超限则需要分别采用YJK软件和SAP2000 或其他软件进行小震下计算分析，并补充大震弹塑性时程分析等。

若建筑方案必须将坡道居中布置，则需要对坡道洞口周边楼板进行补充设计：

1、对大开洞的公交停车楼层，采用符合楼板平面外刚度假定的补充计算，并且楼板开孔四周边梁结合整体混凝土护栏均予以构造加强。同时对洞口周边设置局部楼板加厚的道牙，楼板配筋采用双层双向配筋，配筋率由于道牙的存在与公交行车区配筋相同，不再提高。

2、楼板配筋验算。若本项目坡道居中布置，采用YJK软件对标准层开洞区域楼板进行应力分析，图10和图11为X、Y向地震工况楼板内力应力等值线，计算值见表3。

图10 X向地震工况楼板内力应力等值线

    图11 Y向地震工况楼板内力应力等值线

    经计算，在小震情况下，二层楼板主拉应力小于混凝土抗拉强度标准值(C35,2.20N/mm2)。

表3 二层楼板应力计算

在中震情况下，二层楼板大部分区域主拉应力（图10、11）仍小于混凝土抗拉强度标准值。根据有限元计算结果，局部应力较大处，楼板配筋加强至12@100，钢筋拉应力约为316 N/mm2，小于钢筋抗拉强度设计值。

若坡道无法设抗震缝与主体结构断开，则在抗震设计时其轴向力不能忽略，此时坡道应尽可能居中布置，同时配筋时必须按照斜杆和斜梁分别进行建模，取包络值进行配筋并进行楼板应力分析。

4   消能减震设计

4.1适用情况

采用屈曲约束支撑（BRB）的情况主要有以下两类。

1、若公交车坡道无法按抗震缝进行断开，由于坡道板本身也受到轴力，存在剪刀撑效应，由此导致的整个楼面外侧角部区域如果计算指标不容易满足。此时为了结构设计合理，坡道应尽可能居中布置，同时配筋时必须按照斜杆和斜梁分别进行建模，取包络值进行配筋。若此时解耦指标仍难以满足，则可以在车库角部及四周设置屈曲约束支撑。

2、由于框架结构的框架柱底层截面最大，而公交车车库底层的车辆进出是最多的，为避免公交车停车和行车时碰撞立柱，同时能停放最大数量的公交车，建筑功能要求底层立柱需要越小越好。一般情况下，多层车库的底层柱截面大小为1m×1m，若建筑专业需要进一步减小底层柱尺寸时，则也可以考虑采用屈曲约束支撑设计减小柱截面尺寸。

4.2阻尼器选择

屈曲约束支撑（BRB）一般分为承载、耗能、阻尼三种类型，为了尽量避免影响建筑使用功能且平面布置尽量沿四周均匀对称布置。阻尼型BRB在小震情况下已经考虑塑性耗能，一般不采用。公交车库由于内部需要较大空间，墙体较少且要求空间连续且视野开阔，内部不适合布置支撑，且并不需要额外提高承载力，所以一般设计中不使用承载型而主要选用耗能型BRB。在设计时，耗能型支撑小震下处于弹性状态（此时建议应力比控制在0.5~0.9）为结构提供所需的刚度，各项整体计算指标满足规范的要求，罕遇地震（大震）下则进入屈服状态，保证支撑在大震下进入耗能[7]。

4.3BRB设计要点

1、首先控制主体位移角1/250以上，或者先按降低一度设计，获得初步的梁、柱截面及布置情况。

2、其次沿四周布置BRB。在平面上，BRB宜均匀对称布置，支撑面积尽量以0.5-1的特定层间比例布置。

3、多遇地震验算。结构的阻尼比不应大于0.045,或按混凝土框架部分和钢支撑部分在结构总变形能所占的比例折算为等效阻尼比。在满足当前地震烈度的相关规范要求的整体指标情况下，计算主体框架和支撑框架的周期比，其值宜控制在1.5-2.0以内

[8]；随后进行构件承载力校核，若不满足需要重新布置BRB。

4、罕遇地震验算。对于特殊重要的结构，按照规范进行大震验算。验算通过后根据支撑核心板面积和屈服强度进行详细的构件和连接设计，特别地此时结构阻尼比应取0.05。

4.4设置实例

若调整本工程方案将坡道居中设置，则在设置屈曲约束支撑的情况下，工程底层框架柱将可以从1000×1000缩小至800×900。此时多遇地震结构弹性层间位移角宜控制在1/600至1/700，罕遇地震作用结构弹塑性层间位移角控制在1/75 左右。BRB布置详见下图11、图12、图13。

表4 实例BRB参数取值

图11 BRB模型布置

图12 BRB布置位置及方式1（x向立面）

图12 BRB布置位置及方式2（y向立面）

5   结语

(2)由于装配式公交综合车场需要大空间且总高度一般并不高，综合考虑可优选纯框架结构。公交车停车区，标准结构单元柱网优先选择8.1m×12m，8.1m×15m左右的梁格，并尽量采用单向梁形式的布置形式。这样结构传力明确、装配率容易满足且可以减少后期预制构件吊装的施工难度及塔吊费用。

(2)在装配式方案选择时，从经济性角度及工艺成熟角度出发，装配方案宜选用传统的叠合梁板结构，建筑面层与楼板保持一体式整体浇筑。

(3)公交车行车坡道处的斜梁尽量以抗震缝断开进行设计。坡道居中布置和单侧临边布置各有优缺点，需要按照建筑单体的平面布置予以取舍。若坡道无法按抗震缝进行断开处理，则应尽可能居中布置，并按多个模型工况进行包络设计。

(4)当局部平面受限需要减小竖向构件尺寸时，一般可以通过在楼层四周增加屈曲约束支撑的方式进行处理。利用BRB布置灵活且能有效减小地震力且施工方便的优点，可以在不大幅影响建筑功能的情况进一步提升工程的装配率，且整个公交车库的结构抗震设计是安全可靠经济的。

参  考  文  献

[1] 孙丰.预制预应力双T板在公交停车库中的设计与研究[J].建筑结构,2022,(第A1期).

[2] 乐建新1,邬玉伟2,严立华2,王鹏梁2,陈寅1.纯电动公交车停车楼等效均布活荷载取值分析[J].建筑结构,2018,(第17期).

[3] 王亚龙.某公交停车楼结构设计分析[J].建设科技,2022,(第12期).

[4] 王中原. 惠南立体停车库结构选型及结构设计[J]. 中外建筑, 2018(6): 180-184

[5] 蒋媛,刘开强.装配整体式城市公交枢纽楼板设计关键技术研究[J].中国水运(下半月),2021,(第10期).

[6] 车库建筑设计规范: JGJ100-2015[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.

[7] 建筑消能减震及隔震技术规程: DG/T 08-2326-2020[S]. 上海: 同济大学出版社, 2020.

[8] 彭晓,万旭荣,黄晓斌.带屈曲约束支撑的高层立体停车库结构抗震性能研究[J].建筑结构,2021,(第A2期).

[9] 崔乃文.考虑屈曲约束支撑的框架结构减震技术分析[J].安徽建筑,2023,(第4期).

[10] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2002［S］.北京：中国建筑工业出版社，2001.