近年来, 随着我国城市公交行业的高速发展, 各大城市公交车运营数量急剧增长, 为市民出行带来了更多的方便, 但同时也带来了高能耗及环境污染。众所周知, 采用新能源汽车是解决当前城市交通环境问题的有效手段, 而其中的纯电动汽车因行驶阶段零排放而倍受青睐, 同时得力于国家相关政策^[1]的支持, 纯电动公交业已成为城市公交车的重点发展方向^[2]。

　　 国内学者对消防车荷载和小型汽车荷载做了大量研究^[3,4,5], 研究成果也在相关规范中有所体现, 其研究方法值得借鉴。《建筑结构荷载规范》 (GB50009—2012) ^[6] (简称荷载规范) 中规定的客车活荷载只考虑了由小轿车、吉普车、小型旅行车 (载人数少于9人) 的车轮局部荷载以及其他必要的维修设备荷载, 显然不适用于纯电动公交车这种较大型的客车。此外, 公交停车楼通常同时作为城市公交枢纽站, 建筑一般会在首层设计发车区 (公交车侯客、发车, 乘客换乘上下车的区域) 和部分停车区, 二层及以上则主要设计为停车区。发车区通常应按满载考虑, 而停车区是指用于空车较长时间停靠不允许乘客进入车内的区域, 结构设计时如不加区分一律按满载工况计算将造成不必要的浪费。本文根据公交停车楼的上述建筑特点, 在等效均布活荷载取值时区分发车区和停车区, 从而在保证安全性的同时兼顾了经济性。

　　 纯电动公交车是指以车载电源为动力, 选配合适的车载蓄电池或电缆供电设备提供电能驱动行驶的公交车。表1是目前常见的三款纯电动公交车品牌中主要车型的基本参数。由表1可见, 因配有自重较大的车载蓄电池且车体宽大、载客量较大等, 一般纯电动公交车满载时总质量在16t以上, 重于一般的中型消防车, 且满载时的后轴轮压也接近荷载规范研究重型消防车时所取的轮压值。从车型尺寸及前后轴重等数据来看, 表1中的比亚迪车型比较具有代表性, 同时也是我院设计的大部分纯电动公交车停车楼项目的主要服务对象。本文在计算时所采用的前后轴轮压值、轮压布置和多车最不利排布等主要数据和技术指标等均取自此车型。

　　 根据本文所研究的典型纯电动公交车车轮布置数据, 并参考《城市桥梁设计规范》 (CJJ 11—2011) ^[7] (简称城桥规范) 图10.0.2-2和实际观测数据, 本文计算时采用的纯电动公交车平面尺寸和纵向横向最不利排布如图1所示。其中车轮着地面积取值参考城桥规范表10.0.2, 前轴车轮着地面积按0.25m×0.25m计, 因后轴车轮为每边两轮并列, 车轮着地面积按0.25m×0.6m计。根据表1可求得停车区空载时前轴重为46.4k N, 后轴重为91.6k N;发车区满载时前轴重为60.5k N, 后轴重为119.5k N。

　　 由图1可见, 后轴轮压接近前轴的两倍, 且前后轴距接近6m, 因而计算等效均布活荷载时一般由后轴轮压控制。此外, 根据相关设计经验, 梁板结构的停车楼单向板长边跨度极少有大于9m的情形, 即极少有跨度大于3m的单向板或双向板时板跨极少有大于6m的情形。因此, 为更加结合实际, 以满足工程设计需要为原则, 本文以图1的排布为基础, 针对多种板跨、梁跨进行多车轮压最不利排布时, 单向板仅计算2.0, 2.5, 3.0m三种跨度, 双向板仅计算3m×3m, 4m×4m, 5m×5m, 6m×6m四种尺寸。

　　 因公交车车体较长, 建筑专业出于保证转弯半径及停车功能需要等考虑, 公交停车楼上部结构柱网通常较大, 最大主梁跨度能达到15m以上。而地下空间通常作为小车停车库使用, 所以在地下室通常会增设框架柱以缩小柱网使得顶板主梁跨度变成6~8m的常规尺寸, 因而本文在计算主梁时仅选取5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 18m九种跨度。地下室顶板尤其是停车楼柱网较大, 次梁一般布置为十字交叉梁或井字梁形式, 此时次梁跨度为主梁之间距离, 因而计算次梁时同样仅选取5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 15, 18m九种跨度。

　　 由于楼板、主次梁与公交车轮压的相对几何关系非常复杂, 本文在计算双向板和主次梁时均采用正方形板格或正方形柱网, 当实际情况为非正方形时本文将采用等面积后插值的近似方法进行计算, 文末将举例说明。限于篇幅, 图2只分别列出其中一种跨度时的轮压最不利分布, 其余跨度将直接给出计算结果。

　　 荷载规范5.6.1条规定:建筑结构设计的动力计算, 在有充分依据时, 可将重物或设备的自重乘以动力系数后, 按静力计算方法设计。显然公交车活荷载属于动力荷载, 因而在计算其等效均布活荷载时, 可采用本文第1.2节所述的轮压值乘以动力系数的方法。根据荷载的传递路径, 动力系数可只用于楼板、次梁、直接承受楼板荷载的主梁以及直接承受轮压的主梁。本文在计算主梁时, 无论其是否直接承受轮压, 均偏安全地考虑了动力系数, 设计时如有需要可根据实际情况进行适当折减。参照《全国民用建筑工程设计技术措施-结构 (结构体系) 》^[8]关于消防车轮压动力系数的规定, 纯电动公交车轮压传至梁板的动力系数可按表2取值。

　　 因公交车车辆荷载和公交停车楼板跨均较大, 轮压局部荷载的冲切影响不容忽视, 并考虑到交通类公共建筑的外围护通常为敞开式或半封闭式, 结构耐久性问题比较突出等因素, 公交停车楼板厚设计取值通常不小于150mm, 本文在计算时板厚均按150mm考虑。当板厚大于150mm时, 将超出的板厚Δh以及建筑面层厚度按荷载规范附录B.0.2的公式折算为覆土厚度。为简化计算, 超出的板厚以及刚性建筑面层的应力扩散角取45°, 而柔性面层应力扩散角取35°, 等同荷载规范中的覆土应力扩散角取值, 相当于直接将柔性建筑面层厚度计入覆土厚度。例如:当实际板厚为150+Δh、柔性面层厚度为s、覆土厚为H时, 按板厚为150mm、折算覆土厚度为H+1.43Δh+s计。

　　 本文的平均均布荷载指无折算覆土厚度影响时, 考虑动力系数的空载单车自重 (138×1.4=193.2k N) 除以多车纵横向最不利排布下单车的占位面积50.05m² ( (12+1) × (2.55+1.3) =50.05) 所得的面荷载, 即193.2/50.05=3.86k N/m², 取3.9k N/m²。板和梁设计时, 当相同条件下计算所得的等效均布活荷载小于3.9k N/m²时均取3.9k N/m²。

　　 计算楼板时无论单向板还是双向板, 其支承边界条件均按简支考虑, 板厚取150mm, 采用有限元方法求得不同板跨时在考虑动力系数的轮压最不利排布作用下板中最大弯矩值M_max, 同样方法求得在单位面荷载1k N/m²作用下板中相同节点位置的弯矩值M₁, 两者的比值M_max/M₁即为该板跨的楼面等效均布活荷载, 等效均布活荷载计算值均大于平均均布活荷载, 计算结果见表3和表4。

　　 应用举例:某纯电动公交车停车楼地下室顶板, 发车区板尺寸为4m×4m, 板厚为250mm, 建筑面层为120mm厚沥青混凝土。在计算楼板配筋时该地下室顶板发车区在公交车荷载作用下的楼面等效均布活荷载取值计算如下:首先求得折算覆土厚度为0+1.43× (250-150) +120=260mm, 查表4得楼面等效均布活荷载为29.0k N/m²。

　　 荷载规范C.0.7条规定:计算次梁时的等效均布活荷载应按弯矩和剪力等效的均布活荷载的较大者。梁端按简支考虑, 将轮压视为集中力并按图2进行最不利分布, 动力系数按表2取值。采用PKPM等软件求得简支梁最大弯矩M_max和最大剪力V_max, 同样方法求得在单位面荷载 (1k N/m²) 作用下梁上相同位置的弯矩M₁和剪力V₁, 两者的比值M_max/M₁和V_max/V₁中的较大值即为楼面等效均布活荷载。为简化计算, 在考虑覆土和建筑面层影响时, 本文近似按照梁的跨度对应荷载规范附录B.0.2中板的跨度取折减系数对所得的等效均布活荷载进行折减。等效均布活荷载计算值均大于平均均布活荷载, 计算结果见表5。

　　 荷载规范C.0.8条规定:当荷载分布比较均匀时, 主梁上的等效均布活荷载可由全部活荷载总和除以全部受荷面积求得。本文2.2节的取值下限“平均均布荷载”的概念正是源自荷载规范的上述规定。由图2 (d) 可见, 实际多车轮压作用分布并不均匀, 因而本文采用与设计次梁时相似的方法求设计主梁时的等效均布活荷载, 其计算值均大于平均均布活荷载, 计算结果见表6。

　　 荷载规范C.0.9条规定:柱、基础上的等效均布活荷载, 在一般情况下可取与主梁相同。与消防车荷载不同, 公交停车楼出现公交车荷载的概率很大, 且作用时间较长, 柱和基础设计时应考虑公交车活荷载且不宜再做活荷载折减, 但整个停车楼按最不利排布布满车辆且都处于移动状态的概率极小, 因而计算柱和基础时可不考虑动力系数影响。等效均布活荷载计算值均大于不考虑动力系数的平均均布活荷载, 计算结果见表7。

　　 本文在计算双向板和主、次梁时均按正方形板格和正方形柱网考虑, 当实际情况为非正方形时建议采用等面积原则按插值查表近似计算, 因为根据表4~7可以看出, 等效均布活荷载是随着板跨或梁跨的增大而变小的, 虽然不是呈线性变化, 但采用线性插值的方法完全能满足工程精度需求, 从而避免了繁琐的计算过程。下面结合某公交停车楼工程实例, 分别说明计算板、主梁、次梁、柱和基础时的楼面等效均布活荷载的取值过程。

　　 某公交停车综合楼, 单层地下室作为社会停车库仅用于小型车辆的停放, 主要柱网为6.0m×7.5m, 顶板板厚250mm, 建筑面层为120mm厚沥青混凝土, 局部因设备专业需要设500mm厚降板区, 采用覆土500mm加120mm厚沥青混凝土面层做法;上部楼层用于纯电动公交的停车和换乘, 主要柱网尺寸为12m×15m, 楼板厚度为150mm, 建筑面层做法为80mm厚细石混凝土。该公交停车楼局部区域建筑功能和结构平面布置见图3。

　　 由图3 (a) 可见, 地下室顶板为3.00m×3.75m双向板, 主梁跨度为6.0, 7.5m, 井字次梁跨度为7.5, 6.0m。按等面积原则化为正方形板格和柱网后为3.35m×3.35m双向板, 6.7m主次梁。

　　 地下室顶板非降板区折算覆土厚度为260mm (0+1.43× (250-150) +120=260mm) 。查表4并插值得到计算顶板双向板时的楼面等效均布活荷载为27.0 (35.1) k N/m², 设计时实际取27.0 (35.0) k N/m²;查表5并插值得到计算顶板次梁时的楼面等效均布活荷载为15.6 (20.3) k N/m², 设计时实际取15.5 (20.0) k N/m²;查表6并插值得到计算顶板主梁时的楼面等效均布活荷载为6.60 (8.50) k N/m², 设计时实际取6.50 (8.50) k N/m²。以上括号外荷载用于停车区, 括号内荷载用于发车区, 后文同。

　　 地下室顶板降板区折算覆土厚度约为760mm (500+1.43× (250-150) +120≈760mm) 。查表4并插值得到计算顶板降板区板时的楼面等效均布活荷载为17.3 (22.5) k N/m², 设计时实际取17.5 (22.5) k N/m²;查表5并插值得到计算顶板降板区次梁时的楼面等效均布活荷载为12.9 (16.8) k N/m², 设计时实际取13.0 (17.0) k N/m²;查表6并插值得到计算顶板降板区主梁时的楼面等效均布活荷载为5.40 (7.00) k N/m², 设计时实际取5.50 (7.00) k N/m²。

　　 由图3 (b) 可见, 上部标准层楼板为4.00m×3.75m双向板, 主梁跨度为12, 15m, 井字次梁跨度为15, 12m。按等面积原则化为正方形板格和柱网后为3.87m×3.87m双向板, 13.4m主次梁。折算覆土厚度约为114mm (0+1.43×80≈114mm) , 按120mm计。查表4并插值得到计算标准层楼板时的楼面等效均布活荷载为26.8 (34.8) k N/m², 设计时实际取27.0 (35.0) k N/m²;查表5并插值得到计算标准层次梁时的楼面等效均布活荷载为8.60 (11.2) k N/m², 设计时实际取9.00 (11.5) k N/m²;查表6并插值得到计算标准层主梁时的楼面等效均布活荷载为5.00 (6.50) k N/m², 设计时实际取5.00 (6.50) k N/m²。

　　 在计算柱和基础时, 对于地下室顶板, 查表7并插值得到6.7m跨时的楼面等效均布活荷载为5.00 (6.50) k N/m², 设计时实际取5.00 (6.50) k N/m²;对于上部标准层, 查表7并插值得到13.4m跨时的楼面等效均布活荷载为3.60 (4.80) k N/m², 设计时实际取4.00 (5.00) k N/m², 计算柱和基础时, 也可直接采用各楼层计算主梁时的楼面等效均布活荷载取值, 但数值偏大, 因而经济性欠佳, 造成不必要的浪费。

　　 综上, 该工程楼面等效均布活荷载设计取值见表8。对于公交车活荷载应分四次输入计算模型, 计算结果分别用于楼板、主梁、次梁、柱与基础的设计。

　　 本文根据纯电动公交车及公交停车楼的特点, 在假定板格和柱网为正方形的前提下, 给出了多种常见板跨和梁跨时的轮压最不利布置。考虑动力系数和折算覆土厚度影响, 同时区分停车区和发车区, 采用有限元方法计算并总结了常见板跨下设计楼板时的楼面等效均布活荷载取值;采用规范简化方法计算并总结了常见梁跨下设计主、次梁以及柱和基础时的楼面等效均布活荷载取值。最后, 在满足工程精度要求的前提下, 为使以上计算结果适用于实际工程, 提出了非正方形板格和柱网时的等效均布活荷载近似取值方法。

　　 因目前常见纯电动公交车的车宽、车长及轴距和轴重等相差不大, 且本文计算时采用的是相关尺寸和轮压较大的车型, 本文总结的楼面等效均布活荷载取值可偏安全地用于其他纯电动车型的公交停车楼结构设计。此外, 未来如能在基本不改变车型尺寸和轴距等参数的前提下, 大幅降低车载电池自重, 则在计算其楼面等效均布活荷载时, 可根据新的后轴轮压与本文所取轮压的比值作为折减系数, 对本文总结的等效均布活荷载进行折减。

　　 根据设计经验, 经对比计算, 城市中最常见的12m级非电动普通公交车 (不包括双层巴士等特殊车辆) 作用下的等效均布活荷载一般要小于本文总结的纯电动公交车作用下的等效均布活荷载或与之接近。因而当某公交停车楼的服务对象为上述普通公交车时, 也可偏安全地采用本文的等效均布活荷载取值。

　　 本文未涉及无梁楼盖和板跨大于6m的大板楼盖, 未考虑停车楼屋面作为公交停车场的情形。当地下室顶板有公交停车区或公交行车道同时作为消防登高面或消防车道时, 此区域的活荷载应取公交车和消防车两者中较大者。