淺談智能機械立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

姜建花

（中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，蘭州 730000）

1 立體車庫出現(xiàn)的時代背景

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進程加快和人民生活水平提高，汽車數(shù)量飛速增加，但汽車泊位增長緩慢，由此帶來停車難、違章停車、停車管理困難等一系列問題。傳統(tǒng)的路邊人行道上停車，地下或地面停車場均解決不了以上問題，而智能化的機械式立體停車庫（樓），由于能夠極大地提高土地及空間利用率，兼具安全可靠和低能耗的特點，并且能夠與不同性質(zhì)城市建筑物組合建造。因此，在人員密集、停車需求旺盛的居住區(qū)和商業(yè)區(qū)，機械式立體停車庫（樓）被批準(zhǔn)建設(shè)，相應(yīng)的設(shè)計工作由此展開。

2 立體車庫的分類及介紹

在原國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布的《特種設(shè)備目錄》中，將立體車庫分為九大類，具體是：升降橫移類、簡易升降類、垂直循環(huán)類、水平循環(huán)類、多層循環(huán)類、平面移動類、巷道堆垛類、垂直升降類和汽車專用升降機。本文以深圳怡豐自動化科技有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品為例，詳細(xì)介紹其中兩種使用頻率較高的立體車庫。

2.1 垂直移動立體車庫

垂直移動是結(jié)合了垂直升降、平面移動和巷道堆垛等各自的倉儲技術(shù)特點，可以實現(xiàn)水平和垂直方向的同時快速移動，極大地提高存取車效率。每個停車層可停放6～14 輛車，層數(shù)高可達16 層，占地面積小于巷道堆垛類和平面移動類，平均每輛車占地面積僅1.2 m2，空間利用率高，存取車時間平均為90 s。垂直移動類自動停車系統(tǒng)是現(xiàn)代化城市中適合地面上建設(shè)的高容量立體車庫。

2.2 巷道堆垛類立體車庫

巷道堆垛類自動停車系統(tǒng)是運用了堆垛倉儲技術(shù)，堆垛機通過在巷道內(nèi)水平移動的同時完成垂直升降，一套堆垛機覆蓋不同停車層的每一個車位，實現(xiàn)X、Y軸同時移動。駕駛員只需將車輛停放在停車平臺，系統(tǒng)將安全地把車停放在立體的停車位。巷道堆垛適用于場地較短，但對停車密度要求高的場地，是所有自動停車系統(tǒng)中經(jīng)濟性較高的產(chǎn)品。

3 立體車庫設(shè)計內(nèi)容

在立體車庫設(shè)計中，首先要對車庫總體予以設(shè)計[1-2]。以“回”字形結(jié)構(gòu)立體車庫為例，道路貫穿車庫中間，車庫出入口位于道路兩側(cè)，并利用軌道循環(huán)運動停放的車輛。這種方式無須使用大量輔助設(shè)施，不僅便于車輛停放，且對主干道上行駛的車輛和行人不會造成任何影響。

其次，要對車庫傳動方案予以設(shè)計。傳動指的是將動力從源頭傳遞至目標(biāo)地，在立體車庫中則是指保持載車板平穩(wěn)地運動。立體車庫通常結(jié)合使用提升機構(gòu)和搬運器，以達到載車板運動的效果，從而實現(xiàn)車輛循環(huán)，但這種方式存在一定不足，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性較弱、載車板運動效率較低。所以為改善這些問題，新型立體車庫可利用電機驅(qū)動鏈條帶動載車板，使之沿著導(dǎo)靴軌道運動，并在保證載車板平順轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)循環(huán)運動。在傳動方案設(shè)計中，為保障設(shè)計效果，還應(yīng)全面分析載車板運動學(xué)原理。當(dāng)載車板水平、豎直運動狀態(tài)，均保持軌道前方驅(qū)動鏈條速度與后方部分相同，即可使載車板在軌道限制下僅有水平或豎直移動的自由度。載車板運動設(shè)計的難點在于軌道圓弧轉(zhuǎn)角處，為確保載車板運動平順性，必須對軌道幾何形狀進行合理設(shè)計，以防止發(fā)生傾斜和側(cè)翻。

最后，要對車庫結(jié)構(gòu)予以設(shè)計。本文以江西省南昌市淵明北路停車場工程項目為例，對智能機械式立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計展開重點講解，內(nèi)容如下。

4 工程概況

本工程為江西省南昌市淵明北路停車場，位于淵明北路與毛家園街交叉口，北側(cè)為毛家園街，東側(cè)為狀元橋社區(qū)，多為2～5 層的磚混結(jié)構(gòu)住宅樓，西側(cè)為淵明北路，南側(cè)為狀元橋社區(qū)，多為3～8 層的磚混結(jié)構(gòu)商業(yè)住宅樓。因場地狹小，停車需求旺盛，采用智能化的機械式立體車庫。

5 項目特點

5.1 建筑平面不連續(xù)，屬平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)

場地北側(cè)采用巷道堆垛類立體車庫，堆垛機需要水平移動和豎直方向移動完成汽車的存放，故在巷道內(nèi)不允許設(shè)置樓板，也不允許框架梁連通；南側(cè)采用垂直移動立體車庫，因為橫移車和搬運器需要水平移動和豎直移動完成汽車的存放，因此在每個垂直升降井道內(nèi)不允許設(shè)置樓板，不允許框架梁連通，但相鄰升降井道間的框架梁可以連通。地下二層平面（見圖1）為典型樓層，可說明建筑平面的不連續(xù)性。

圖1 地下二層平面圖

5.2 建筑層高小

建筑層高小，無法設(shè)置正常高度的框架梁及次梁。因為建設(shè)場地緊張，建筑師為了增加停車位數(shù)量，往往將建筑層高降低到規(guī)范允許的最小值，普通停車位層高2.20～2.30 m，客車停車位層高2.60～2.70 m，建筑豎向設(shè)計可參考見建筑物剖面圖（見圖2）。建筑設(shè)計框架柱間距通常為7.5～8.4 m，為保證車輛通行所需的凈高，在車位進口處的梁高受到限制。本項目設(shè)計過程中，車位進口處框架梁高無法按常規(guī)設(shè)計取柱跨的1/10～1/18，僅取為350 mm。

圖2 建筑剖面圖

5.3 局部荷載

局部荷載大，以集中荷載的形式傳給樓板或梁。智能機械車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計除應(yīng)考慮常規(guī)設(shè)計中的樓（屋）面、梁、墻、柱恒活荷載以外，還必須考慮設(shè)備的自重，以及設(shè)備運行過程中所產(chǎn)生的動力荷載。由于設(shè)備生產(chǎn)廠家眾多，各廠家提供的設(shè)備重量及作用在主體結(jié)構(gòu)上的作用力大小、位置也有差別，因此，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計必須參照特定廠家提供的土建施工圖進行。

5.4 地下室外墻水土壓力

地下室層數(shù)多，深度大，地下室外墻水土壓力大，基礎(chǔ)設(shè)計需滿足抗浮要求。當(dāng)總停車數(shù)量固定，地上停車數(shù)量沒有辦法再增加時，建筑設(shè)計就設(shè)置層數(shù)較多的地下室。當(dāng)建設(shè)場地位于地下水豐富的地區(qū)，地下室外墻需承受較大的水土壓力，基礎(chǔ)除需滿足正常的抗壓、抗剪、抗沖切等要求外，需滿足抗浮要求。

6 結(jié)構(gòu)設(shè)計

6.1 采用扁梁確保車輛正常進出所需的凈高

普通矩形截面梁的高寬比h/b一般取2.0～3.5；當(dāng)梁寬大于梁高時，梁就稱為扁梁（或稱寬扁梁、扁平梁、框架扁梁）。扁梁的外形特點是梁的寬度通常超過柱子的截面高度，采用這種梁一般是因為需要滿足建筑凈空的要求。采用相同截面面積，扁梁比正常梁的慣性矩小，承載力低且撓度大，配筋量也比正常梁稍多一些。

本項目中，X向跨度7.2 m，框架梁截面尺寸550 mm×350 mm，柱截面尺寸500 mm×600 mm，框架梁寬度雖未大于相應(yīng)方向框架柱尺寸，但框架梁的受力特性已與普通窄梁不完全相同。設(shè)計過程中，針對扁梁，采取以下措施。

1）在滿足GB 50010—2010 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]（2015 年版）（以下簡稱《混規(guī)》）第9.2.1 條第3 款梁上部鋼筋和下部鋼筋最小凈間距的要求的前提下，盡量將梁縱筋排成一排，避免多排布置。

2）在滿足受剪承載力前提下，滿足《混規(guī)》表11.3.6-2 中的構(gòu)造要求，箍筋全長加密。

3）驗算梁的撓度，保證梁的撓度滿足《混規(guī)》表3.4.3 中，f≤l0/250 的限值要求。其中，l0為構(gòu)件計算跨度，f為構(gòu)件實際撓度。

4）驗算梁的裂縫寬度，裂縫控制等級三級，保證梁的裂縫寬度滿足《混規(guī)》表3.4.5 中最大裂縫寬度Wmax≤0.30 的限值要求。

6.2 在允許位置設(shè)置混凝土支撐

南側(cè)垂直移動立體車庫，地下5 層，地上4 層，分3 個車庫，僅有4 道框架梁連通，3 道框架梁及樓板均不連通，Y向側(cè)向剛度較弱。為增加Y向結(jié)構(gòu)剛度，地下5 層設(shè)一道X形鋼筋混凝土支撐外，其余每2 層設(shè)置一道X形鋼筋混凝土支撐。

6.3 采用厚板，對樓板進行應(yīng)力分析

研究表明：與寬扁梁重合部分的板，其作用機理已與純板完全不同，與梁共同作用并相互協(xié)調(diào)。考慮板的內(nèi)力塑性重分布，一般對四周與梁整體連接的板中間跨的跨中彎矩，計算彎矩可減少20%。實際上連續(xù)板跨中由于正彎矩作用截面下部開裂，支座由于負(fù)彎矩作用截面上部開裂。

應(yīng)力分析包括中震下樓板應(yīng)力分析，溫度荷載下樓板應(yīng)力分析和恒活荷載下樓板應(yīng)力分析。根據(jù)本項目特點，僅需進行恒活荷載下樓板應(yīng)力分析。設(shè)計采用YJK-A 進行應(yīng)力分析。分析方法和步驟可按《YJK 樓板應(yīng)力分析方法》[4]一書中的詳細(xì)介紹進行。

6.4 框架柱全部為短柱，箍筋需全高加密

房屋建筑中的短柱以剪跨比的大小判斷，當(dāng)剪跨比≤2（柱凈高Hn/2h0≤2，Hn為反彎點位于柱高中部的框架柱的凈高，h0為計算方向柱截面有效高度；Mc/Vch0≤2，Mc為柱端未經(jīng)調(diào)整的組合彎矩計算值，可取柱上、下端的較大值，Vc為柱端截面與組合彎炬計算值對應(yīng)的組合剪力計算值）的柱就是短柱。短柱的變形特征為剪切型，在地震作用時容易發(fā)生脆性破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞甚至倒塌，因此也成了施工圖設(shè)計及圖紙審查的重點內(nèi)容。本項目大部分框架柱截面尺寸500 mm×600 mm，層高2.3 m，框架柱全部成為短柱。在設(shè)計過程中，采取以下幾種措施，提高框架柱延性，改善其變形能力，避免脆性破壞。

6.4.1 箍筋全部采用復(fù)合箍筋

采用復(fù)合箍筋主要是提高柱的抗剪承載力，使混凝土循環(huán)受剪后不致剪切滑移，改善其變形能力。箍筋的間距和最小直徑應(yīng)滿足GB 50011—2010 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016 年版）（以下簡稱《抗規(guī)》），第6.3.7 條要求。

6.4.2 注重短柱的受剪承載力驗算

1）剪壓比驗算，即柱截面應(yīng)滿足《混規(guī)》中式（11.4.8-2）的要求。滿足該要求主要是保證柱截面最小尺寸，避免剪力較大時柱可能發(fā)生的斜壓破壞。

2）考慮地震作用組合的短柱受剪承載力驗算。該項驗算由程序自動執(zhí)行。

6.4.3 人工加強抗震構(gòu)造措施

除箍筋全高加密外，注意驗算框架柱的縱筋配筋率、軸壓比、體積配箍率應(yīng)滿足《抗規(guī)》中的相關(guān)要求。

6.4.4 梁柱節(jié)點核心區(qū)的箍筋同框架柱加密區(qū)

框架節(jié)點核心區(qū)箍筋的配置應(yīng)滿足《抗規(guī)》第6.3.10 條的要求。本項目框架柱全部為短柱，節(jié)點核心區(qū)的箍筋按核心區(qū)上、下柱端的較大體積配箍率進行配置，保證結(jié)構(gòu)安全。

6.5 地下室外墻厚度計算

地下室外墻厚度隨深度變厚，平面外設(shè)置剪力墻，共同抵抗水土壓力。地下室外墻采用YJK-A 進行整體計算，再用小軟件MSteel 進行復(fù)核計算。取1 m 寬豎向板帶為計算單元，采用水土合算的方式，假定為地下室頂板處鉸接，基礎(chǔ)頂面剛接，其余各層樓板鉸接的豎向連續(xù)梁進行計算。

6.6 設(shè)計施工應(yīng)以中標(biāo)廠家提供的土建施工圖為依據(jù)

機械車庫設(shè)計通常參考國標(biāo)圖集中的通用型號進行，應(yīng)對吊環(huán)、停車位、轉(zhuǎn)盤、堆垛機等荷載計入整體計算，考慮其產(chǎn)生的不利影響作用，并且加強荷載作用位置的構(gòu)造措施。對于安裝設(shè)備需要的預(yù)埋件，應(yīng)根據(jù)受力特點進行驗算，提前預(yù)埋，保證設(shè)備的安裝及運行安全。

7 結(jié)語

智能機械立體車庫建筑設(shè)計除了需要滿足正常使用功能、消防、疏散等方面的要求，還要滿足設(shè)備的運行安裝要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足建筑設(shè)計全部功能的前提下，還要保證結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟合理、施工簡便，需做一些特殊處理，如采用扁梁、短柱、混凝土支撐、提前設(shè)置預(yù)埋件等，這些都與普通結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計有所不同，希望引起結(jié)構(gòu)設(shè)計同仁們的重視。