梁板式坡道基于建筑結構和市政橋梁分析方法的研究

魏芬洋

（廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東廣州 510670）

0 引言

隨著我國機動車的飛速發(fā)展，機動車停車庫已由地面單層發(fā)展為單層、多層、高層以及地下單層、多層等，形式多種多樣，而坡道作為停車庫與地面的連接通道，便成為空中停車場和地下停車場不可或缺的一部分。但與此同時，坡道結構計算應遵循的分析方法也成為爭論點。若從坡道的歸屬來看，其屬于建筑結構，應按照建筑結構的分析方法來計算，但從坡道的功能來看，其為車輛服務，車輛行駛頻率大，荷載作用模式與市政匝道類似，應按照市政橋梁的分析方法來計算。若對坡道進行建筑結構和市政橋梁分別計算并包絡設計，則要求設計人員掌握建筑結構和市政橋梁的分析方法，難度較大，且設計周期長，人員投入大，造成人力資源的浪費，效率降低。故為避免重復計算，提高效率，在兼顧安全、經濟性等因素下，總結梁板式坡道在設計中采用建筑結構和市政橋梁計算方法的特點也變得尤為重要。

1 建筑結構與市政橋梁設計方法的對比

首先，值得注意的是，建筑結構和市政橋梁的總體設計方法是一致的，均是基于概率極限狀態(tài)的設計方法。它要求在極限狀態(tài)下，荷載及作用產生的效應大于結構抗力的概率小于規(guī)定限值，設計表達公式仍沿用經驗與概率相結合的極限狀態(tài)設計法的分項系數表達式，而通過分項系數等引入了統(tǒng)計與概率的概念，表達式即為γ0S≤R。除此之外，這兩種設計方法在構件的假定、計算方法、破壞形式等均是一致，在荷載定義與種類、分項系數取值、結構重要性系數等諸多方面有許多一致的地方，故建筑結構和市政橋梁的設計方法在總體設計方法上是一致的，而在荷載種類與荷載作用、分項系數等局部設計中不盡相同。建筑結構與市政橋梁設計方法中的不同之處主要有以下3 個方面。

1.1 荷載種類與作用方式

在《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）中規(guī)定的荷載主要有永久荷載（包括結構構件自重、預應力、土壓力等）、可變荷載（樓屋面活載、吊車荷載、雪荷載、風荷載、積灰荷載等）、偶然荷載（撞擊力、爆炸力等），而對溫度與混凝土收縮徐變一般通過結構分縫與后澆帶等措施來消除，汽車荷載等則籠統(tǒng)地規(guī)定汽車通道及客車停車庫的等效均布荷載來定義。而對市政橋梁而言，雖大分類也是永久荷載、可變荷載和偶然荷載，但細分類中，考慮較多的荷載還包括混凝土收縮徐變、溫度、支座摩阻力、汽車荷載、離心力和制動力等，荷載種類更加細分，考慮的組合荷載更加復雜[1]。

在考慮可變荷載作用方式上，建筑結構活荷載采用等效均布活荷載全面積均勻分布的形式加載于結構上，再根據力學模型分析各構件的受力情況而開展設計。而橋梁結構設計中對車道荷載是采用集中荷載與均布荷載相結合的方式模擬車道車輛，均布荷載應滿布于使結構產生最不利效應的同號影響線上，集中荷載只作用于相應影響線中一個最大影響線峰值處。而橋梁的局部加載、橋臺等計算則采用車輛荷載。橋梁結構的荷載作用方式較建筑結構更為復雜，最不利荷載分布更多。

但值得注意的是，在車庫坡道這個具體工程中，由于坡道不屬于市政路，行車速度基本上在10km 以下，且行車種類以輕型車、小型車為主，施工過程有兼作施工通道功能，遇突發(fā)狀況時還有消防車輛通行，故其汽車產生的離心力、制動力等并不大，車行荷載也比市政路小得多。

1.2 材料分項系數

由于建筑結構設計基準期采用50 年，而橋梁結構設計基準期采用100 年，導致材料分項系數的不同。比如，建筑結構混凝土分項系數為1.4，普通鋼筋分項系數為1.1，而橋梁結構混凝土分項系數為1.45，普通鋼筋分項系數為1.2。在構件強度標準值相同的情況下，建筑結構C30 混凝土軸心抗壓強度設計值為14.3N/mm2，HRB400 普通鋼筋抗拉強度設計值為360N/mm2，而橋梁結構C30 混凝土軸心抗壓強度設計值為13.8N/mm2，HRB400 普通鋼筋抗拉強度設計值為330N/mm2，差別較大[2]。

1.3 作用分項系數與荷載組合

根據《建筑結構可靠性設計統(tǒng)一標準》（GB 50068—2018）規(guī)定，建筑結構的永久作用分項系數為1.3，可變作用的分項系數為1.5。而對于橋梁結構，其作用分項系數取值種類較多，對永久作用分項系數，混凝土和圬工結構、混凝土橋面板鋼結構、預應力、土等取1.2，對鋼橋面板鋼結構采用1.1，對混凝土收縮與徐變、水浮力采用1.0，對土側壓力采用1.4，在可變作用分項系數中，車道荷載取1.4，車輛荷載取1.8，風荷載取1.1，其余可變荷載取1.4，該作用分項系數與建筑結構原分項系數較為相近。而建筑結構與橋梁結構荷載的組合值系數、頻遇值系數、準永久值系數也不盡相同，許多荷載差別很大，比如建筑結構中風荷載組合值系數為0.6，頻遇值系數為0.4，準永久值為0，而橋梁結構中風荷載組合值系數、頻遇值系數、準永久值系數均為0.75。作用分項系數和組合值系數、頻遇值系數、準永久值系數的不同，也終將導致荷載組合的不同[3]。

2 梁板式坡道計算分析

由于車庫坡道具有車型以輕型車、小型車為主，且車速緩慢等特點，在設計過程中，參考《車庫建筑設計規(guī)范》（JGJ 100—2015）關于坡道的規(guī)定和《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）（2015 年版）關于變形縫的規(guī)定，在設置后澆帶、加強施工養(yǎng)護及考慮溫度變化對結構的影響下，坡道對變形縫的間距采用50m，這樣既減少了溫度變化對結構的作用，也減少了因過多變形縫導致的車輛震動，影響行車舒適感。坡道寬8m，跨度采用3×15m 跨，兩端各懸挑2.5m 順接其他聯結構，邊縱梁尺寸0.35m×1.2m，中縱梁尺寸0.7m×2m，橫梁尺寸0.5m×1.2m，橋墩0.8×0.8m，坡道板厚為0.2m。

2.1 建筑結構分析法

2.1.1 主要材料及性能

為便于對比，本次分析混凝土強度采用C30 混凝土，鋼筋采用HRB400 級鋼筋。其各材料性能取值為：fck=20.1MPa，ftk=2.01MPa，fc=14.3MPa，ft=1.43MPa，彈性模量 Ec=3×104MPa，泊松比 μ=0.2，熱膨脹系數 α=1×10-5/℃。

2.1.2 計算荷載取值

恒荷載：含結構自重和附加恒載（包括鋪裝、防撞欄等）。

活荷載：在大多數的坡道使用過程中，都有消防車運行的功能要求，此時應考慮消防荷載35kN/m2，且坡道以服務輕型車、小型車為主，此時還應考慮4kN/m2的客車荷載。而當建筑開發(fā)體量較大時，坡道還兼具施工車輛通道的功能，此時應考慮施工階段施工車輛通行，按常規(guī)施工車輛30t 總重量為限值，即坡道施工車輛荷載取值按35kN/m2考慮。故活荷載取值有3 種情況。

第一種情形，考慮施工車輛的坡道：取活荷載為35kN/m2。

第二種情形，考慮消防車的坡道：取活荷載為35kN/m2，并按《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）相關規(guī)定折減。

第三種情形，僅考慮小型車、輕型車的坡道：取活荷載為4kN/m2[4]。

2.1.3 計算結果

第一種情形：考慮施工車輛的坡道。

根據PKPM 計算結果，中縱梁最大彎矩為10003kN·m，而墩柱最大彎矩 M=1563.9kN·m，對應最大軸力為2382.2kN。圖1 為考慮施工車輛坡道中縱梁彎矩包絡。

第二種情形：考慮消防車輛的坡道。

根據PKPM 計算結果，中縱梁最大彎矩為6824kN·m，而墩柱最大彎矩M=816kN·m，對應最大軸力為1763.1kN。

第三種情形：僅考慮小型車、輕型車的坡道。

根據PKPM 計算結果，中縱梁最大彎矩為4209kN·m，而墩柱最大彎矩 M=433.4kN·m，對應最大軸力為1141.7kN。

2.2 市政橋梁分析法

2.2.1 主要材料及性能

為與建筑結構分析法更有可比性，混凝土強度采用C30 混凝土，鋼筋采用HRB400 級鋼筋。其各材料性能 取 值 為 ：fck=20.1MPa，ftk=2.01MPa，fcd=13.8MPa，ftd=1.39MPa，彈性模量 Ec=3×104MPa，泊松比 μ=0.2，熱膨脹系數 α=1×10-5/℃。

2.2.2 計算荷載取值

結構重力：含結構自重和二期荷載（包括鋪裝、防撞欄等）。

混凝土收縮、徐變：收縮徐變時間取10 年，即3650d。

汽車荷載：荷載等級取城-B 級，縱向加載采用車道荷載，設計車道數采用2 車道。

溫度荷載：整體溫差按系統(tǒng)溫度0℃，升溫20℃，降溫20℃考慮，局部溫差按公路橋涵設計通用規(guī)范考慮。

2.2.3 施工階段

施工階段共劃分三個階段，如表1 所示。

表1 施工階段

2.2.4 計算結果

根據Midas Civi 計算結果，中縱梁最大彎矩為4472.5kN·m，而墩柱最大彎矩M=649.2kN·m，對應最大軸力為1655.82kN。圖2 為中縱梁最大彎矩。

2.3 計算結果對比

對比建筑結構分析法和市政橋梁分析法，在不同的荷載作用形式下，建筑結構分析方法得出的內力要比市政橋梁分析法大許多。對于兼具施工、消防功能的坡道而言，建筑結構分析方法比市政橋梁分析法更為保守。

3 結語

建筑結構和市政橋梁由于采用了不同的荷載類型和分項系數等，導致對坡道的分析方法備受爭議。本文通過對坡道分別進行建筑結構和市政橋梁兩種分析方法進行計算，得出了以下結論。

（1）當坡道考慮施工車輛通行時，按建筑結構的分析方法較市政橋梁分析方法保守較多。

（2）當坡道考慮消防車輛通行時，按建筑結構的分析方法略保守于市政橋梁分析方法。

（3）當坡道僅考慮小型車、輕型車通行時，按市政橋梁分析方法要比建筑結構分析方法保守較多。

值得注意的是，以上結論均通過計算總結所得，在實際設計過程中，仍應根據項目具體情況進行分析，例如，在第3 個結論，在坡道僅考慮小型車、輕型車通行時，坡道上荷載已遠小于城-B 級，市政橋梁分析方法顯得過于保守；而當車輛運行速度較快時，市政橋梁分析方法對坡道的作用也將加大，若按建筑結構的分析方法設計也許會偏于危險。故本文僅針對低速、限定車輛類型的坡道進行研究，以供借鑒[5]。