地下环形车库坡道设计与分析

张蕾

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

随着我国经济的高速发展，居民拥有汽车数量显著增多，停车需求急迫。新建住宅和商业大都建设地下停车库，以满足日益增长的停车需求。在地下车库设计中，坡道设计是一项重要内容，特别是在一些大型的交通枢纽中，复杂性的坡道很常见，汽车坡道一般位于建筑物边角，分为两种，一种是单建式，主楼先建，预留车道连通口；另一种是附建式，汽车坡道与主体结构同时施工。坡道类型分为直线型坡道和曲线型坡道，在选择车库坡道类型时，并没有固定的模式，由于基地条件的复杂性，往往难以采用单一类型的坡道，常常出现折现形坡道或直线与曲线结合的坡道。对于地下环形车库坡道，设计和施工中与直线坡道有些不同，文中做了一些研究和探讨。

环形坡道难点在于施工，陈桂平等［1］利用Revit软件指导施工；杨安［2］采用三维空间模型等比例放大样测量方法，对环形坡道各梁柱空间进行定位标高放线；梁怀刚［3］直线段代替圆弧段在工程实际中的应用及误差分析，探讨在工程实际中处理圆曲线的相关问题。袁正如［4］明确了外墙的荷载及计算简图方法；李鹏［5］提出了地下室外墙设计中应注意的事项；陈长兴［6］对地下室外墙进行多方位综合分析，最后对地下室外墙的防水设计、结构设计、抗浮设计提出改进方法；陈竞哲［7］利用理正计算地下室外墙；李春鹏［8］利用有限元模拟地下停车库，分析了其空间变形；赵国选［9］研究了单层地下室外墙配筋的实用计算方法和图表。姚谏［10］列出了按照板跨计算楼板弯矩的公式。

对于环形地下坡道设计，还有很多注意事项，文中就日照某综合客运站及配套工程中一个3层环形地下车库的设计与施工，提出建议与意见。

1 工程概况

1.1 地理概况

项目位于山东省日照市东港区，北侧为同时进行建设的海曲路地下通道，南侧为日照港铁路及兖石铁路日照站，东侧为日照港港务局铁运公司，西侧无建筑物。拟建北广场西侧为预留轻轨通道，方向为正南北方向；东侧为公交换乘中心配套功能“L”型用房；中间为广场主要区域，建筑平面布局近似矩形。

1.2 工程地质

拟建北广场项目场地主要持力层主要有④层强风化花岗岩及以下各岩土层。物理力学参数如表1所示。

表1 物理力学参数

1.3 水文地质

勘察期间正值枯水期，勘察结束后统一量测区域内钻孔稳定水位，拟建地下一层区域内水位埋深在1.94～8.12m，绝对标高14.30～20.48m。地下水位会随季节降雨量的变化而变化，枯水期与丰水期之间地下水位变化幅度在1.0～3.0m左右，地下水位总体上呈西高东低，北高南低趋势。

2 环形坡道斜梁斜板设计

作为日照市大型交通枢纽，客运站北广场设计中有较多坡道，图1为YJK中环形坡道模型，此坡道从地面进入地下夹层，地下1 层，地下2 层，在地下夹层和地下1层均设置坡道出入口。

图1 环形汽车坡道模型

环形坡道施工的难点是坡道斜梁，如图2 所示是夹层到地下1 层环形坡道平面布置图，分为直线段和弧线段，直线段按照斜板铺设，弧线段如图3所示，由标高-7.216m 降低至-7.640m，然后降低至-8.024m。-7.640m 定位的是圆弧形中心点的标高，此根梁实际的标高是变化的，由-7.216～-7.640m这块斜板的标号也是变化的，如果这个坡道不是外置的，是在结构内部，那么边上是斜弧形梁，梁上标高是变化的，如果施工单位有精确的施工定位技术也可以施工，但是现场工作量比较大。

图2 环形坡道夹层-地下一层平面图（单位：mm）

图3 环形坡道局部平面布置（单位：mm）

实际设计中，还可以把板做低，如-7.216～-7.640m斜坡段，可以按照-7.640m铺设混凝土板，然后用轻质混凝土垫高至结构标高，再施工建筑面层。

环形坡道楼板设计可以按照静力计算手册［10］使用理正计算，梁配筋可以按照建模框架结构计算结果配筋，适当加强扭筋设计。

3 环形坡道外墙设计

外挂式坡道外墙设计，按照传统方法，一般用理正复核就行，但是考虑到斜坡斜板传力有别于正常楼板，使用理正和三维有限元分别复核计算，并对比结果。

按照图4所示断面，A-A剖面处，地下室外墙层高分别为1.36、5.566、8.274m。如果按照正常地库层高分别为4.2、5.5、5.6m。用理正结构工具箱7.5计算，顶板覆土1.4m，地下水位埋深0.5m，按照顶边简支，底边固定，侧边自由支座条件计算，采用水土分算，水土压力荷载如图5所示。

图4 A-A剖面图

图5 外墙水土压力荷载（单位：mm）

荷载组合表如表2所示。

表2 荷载组合系数表

两种情况下计算的外墙弯矩列于表3中，-14.95m标高相对于地下室底板，-10.75m 标高为地下1 层，-5.25m标高为地下夹层，0.35m为地下室顶板。

表3 外墙计算弯矩数值

4 坡道外墙有限元计算

4.1 模型建立

利用YJK3.1.1有限元计算软件，其中斜梁斜板按照实际建模，能较真实反应现场情况，计算模型如图6所示。

图6 环形坡道有限元模型

地下1 层楼板以及地下夹层楼板为150mm，地下室顶板为250mm，再加上实际上坡道处的楼板与正常楼板不连续，全楼设为弹性板6。

4.2 模型参数确定

其中楼板采用弹性板6 计算，弹性板6 假定楼板平面内刚度和平面外刚度均为有限值，程序采用壳单元计算楼板的面内刚度和面外刚度。从力学模型的角度看，弹性楼板6相对最符合楼板的真实受力情况，可以适用于任何工程。

地下室外墙YJK对其自动划分单元，细分成若干小壳元，然后用静力凝聚原理将由于墙元细分而增加的内部自由度相应的刚度凝聚到周边边界各节点上，使用这种方法，既保证了墙元的精度，又减少了出口自由度。软件用壳元模拟外墙的受力状态，壳元既有平面内刚度，又有平面外刚度，可以较好的反应墙的实际受力状态。对于地下室外墙，程序对每面墙单独计算所有墙元节点的弹簧刚度，弹簧方向垂直墙面，梁采用杆单元。

软件的有限元计算可以计算剪力墙承受面外荷载，因此程序将剪力墙承受的面外荷载直接加到上部结构整体计算模型计算。这样，在上部结构计算中既能考虑这些墙的面外荷载对于整体计算的影响，又能在墙的有限元分析中得出墙的面外弯矩。

4.3 有限元结果

经过分析得到坡道A-A处的弯矩如表1所示，有限元计算的外墙平面外云图如图7所示。

图7 环形坡道外墙弯矩云图（单位：kN·m）

从图7 可以看出，A-A 剖面处地下二层处弯矩最大，另外考虑到平面外有梁支撑处有应力集中外，其余部位的弯矩都不大。由于顶板嵌固作用，所以有限元计算的顶板处外墙弯矩并不是0。

A-A 剖面的地下室外墙的弯矩数值也一并列于表3中，通过将三种方法计算的弯矩整理对比，如图8所示。

图8 3种方法外墙弯矩计算对比

5 计算结果分析

从图8中可以看出：

（1） 实际三维有限元计算中，由于楼板均为弹性板，而且在坡道处不连续，考虑到支座处对于外墙的支撑作用较弱，因而实际计算中，支座处的弯矩并不大，反而考虑到底板对于外墙的嵌固作用较强，弯矩较大。由于顶板处对于地下室外墙有一定支撑作用，所以实际弯矩并不是0。

（2） 3种计算方法在地下2层处弯矩差距较大，有限元计算的外墙弯矩较大为1253kN·m，按照坡道层高二维计算的弯矩为166.04kN·m，按照车库层高二维计算的弯矩为-443.07kN·m。

（3） 坡道层高二维计算弯矩和车库层高二维计算弯矩总体趋势大致相同，前者最大弯矩发生在地下夹层处为-1045.07kN·m，后者最大弯矩发生在地下1层处为-555.97kN·m。

6 结语

文中以日照某客运站及配套工程一环形汽车坡道设计为案例，分析了环形汽车坡道在设计中应该注意的主要问题，并用3 种方式计算环形坡道地下室外墙弯矩，总结出了以下结论，可为类似工程提供参考。

（1） 对于环形坡道如果施工技术达到，可以按照斜梁斜板施工，也可以采取分块局部把板降低，用轻质混凝土垫高，再施工建筑面层。

（2） 环形汽车坡道，由于楼板不连续，楼层板对于外墙的支撑作用较弱，地下室外墙底部弯矩较大，这一点对于设计来说应该特别重视。

（3） 对于环形坡道地下室外墙，有必要进行三维有限元计算，通过与传统方法比如用理正软件计算的弯矩数值进行包络设计更加合理。