垂直升降式立體車庫(kù)鋼架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙云　楊海栗　德祥　廖磊　胡兵　薛文

摘 要：以SolidWorks三維建模軟件與SolidWorks Simulation有限元分析軟件為平臺(tái)，建立垂直升降式立體車庫(kù)的鋼架結(jié)構(gòu)。由分析得到其在實(shí)際載荷在作用下整體的強(qiáng)度與變形情況。根據(jù)分析結(jié)果提出其優(yōu)化方案，提高整體強(qiáng)度與剛度。

關(guān)鍵詞：垂直升降式立體車庫(kù)；鋼架結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度；剛度

引言

立體車庫(kù)是專門實(shí)現(xiàn)各種車輛自動(dòng)停放及科學(xué)寄存的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施。隨著城市汽車保有量的不斷增加，停車難的問(wèn)題已經(jīng)成為各城市的一普遍現(xiàn)象[1]。機(jī)械式立體車庫(kù)可以充分利用土地資源，最大限度地停放車輛，成為解決城市靜態(tài)交通問(wèn)題的重要途徑[2]。

垂直升降式立體車庫(kù)占地面積小，空間利用率高，使用方便，且其建設(shè)成本大低于傳統(tǒng)停車場(chǎng) [3]。

吳煒俊對(duì)立體車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化[4]，徐格寧等對(duì)立體車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)分析與繪圖方法進(jìn)行了研究[5]，武瑞之等進(jìn)行了立體車庫(kù)框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。

文章針對(duì)該車庫(kù)的鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際的載荷情況對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)分析，了解其應(yīng)力與位移變形情況，最終對(duì)結(jié)構(gòu)提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

1 垂直升降式立體車庫(kù)的主要結(jié)構(gòu)

1.1 主體結(jié)構(gòu)

該垂直升降式立體車庫(kù)主要由鋼架結(jié)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及安全保護(hù)裝置組合而成，三維結(jié)構(gòu)如圖1。圖中僅裝配兩載車板作為示意。設(shè)計(jì)的垂直升降式立體車庫(kù)以6層10車位為例，每層2車位（1層不放車）。該車庫(kù)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)容車尺寸（底層高度：2000mm，頂層高度：3150mm），除去底層與頂層之外，其余各層間距相同。

1.2 立體車庫(kù)鋼架結(jié)構(gòu)

立體車庫(kù)的主體鋼架結(jié)構(gòu)均采用型鋼焊接或用高強(qiáng)度螺栓連接而成，作為承重結(jié)構(gòu)，需要較好的強(qiáng)度和剛度，以保證車庫(kù)整體的安全和穩(wěn)定性。鋼架主體采用H型鋼和槽鋼等，為增加強(qiáng)度，在其上加有用于橫梁、立柱的加強(qiáng)筋板，主體鋼架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 鋼架結(jié)構(gòu)分析

2.1 鋼架結(jié)構(gòu)建模

車庫(kù)鋼架結(jié)構(gòu)整體較為復(fù)雜，但通過(guò)一些簡(jiǎn)化的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析又與實(shí)際情況有較大差異，為保證較為精確的計(jì)算，直接利用該模型結(jié)構(gòu)，采用SolidWorks Simulation進(jìn)行仿真分析研究。網(wǎng)格劃分前需忽略小孔和凹槽，并且對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.2 有限元分析

主體鋼架受載包括：鋼架、車輛、載車板、電梯曳引機(jī)、橫移機(jī)構(gòu)、升降轎廂的重量，結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)力、地震載荷以及結(jié)構(gòu)由于外界環(huán)境溫度變化而引起的溫度應(yīng)力等，它們均以集中載荷或分布載荷的方式作用在車庫(kù)鋼架上。

分析時(shí)，地震載荷與風(fēng)載荷作用忽略不計(jì)。同時(shí)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，載車板上模擬汽車位置按額定載荷6：4的比例放置額定負(fù)載的1.1倍。車庫(kù)的受載情況繁多，典型的三種工況見(jiàn)表1。

根據(jù)分析，當(dāng)立體車庫(kù)處于滿載情況時(shí)，為其最為惡劣的工況。本次分析針對(duì)該工況進(jìn)行，了解立體車庫(kù)鋼架整體的結(jié)構(gòu)剛性及應(yīng)力情況，考察其是否達(dá)到強(qiáng)度和剛度要求。

在針對(duì)各種工況進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所施加的載荷為：?jiǎn)诬囄蛔畲筝d重（1.7噸）、載車板重量（0.7噸），并根據(jù)要求放置額定負(fù)載的1.1倍，最終單車位所施加載荷為2.64噸；同時(shí)考慮鋼架自重、升降機(jī)構(gòu)、配重及電機(jī)重量（橫移機(jī)構(gòu)與升降轎廂總重約3070kg，配重4245kg），按照實(shí)際情況加載到鋼架上。鋼架材料參數(shù)見(jiàn)表2。計(jì)算結(jié)果如圖4與圖5。

由圖示結(jié)果可知，最大載荷出現(xiàn)在最上層角鋼支撐處，應(yīng)力為268.2Mpa，超過(guò)屈服強(qiáng)度（245Mpa）。最大變形量出現(xiàn)在頂部承載處，位移量為9.382mm，根據(jù)機(jī)械式立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T 3811-2008，其中需要高定位精度特性的起重機(jī)需滿足公式為：

而橫梁跨度為7200mm，其垂直撓度應(yīng)不超過(guò)7.2mm，其強(qiáng)度與剛度均不滿足要求。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)右側(cè)受力最大處將厚度由3mm角鋼改為5mm，在滿足車輛進(jìn)出要求的前提下，在最上層中間兩梁下添加角鋼支撐。優(yōu)化后的結(jié)果見(jiàn)圖6與圖7。

由圖6、圖7結(jié)果可知最大應(yīng)力降低為177.4Mpa，最大位移降低為6.427mm，均滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)垂直升降式立體車庫(kù)的鋼架結(jié)構(gòu)，按照滿載工況進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并根據(jù)分析結(jié)果薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化前后分析數(shù)據(jù)對(duì)比，可得出以下結(jié)論：

通過(guò)對(duì)在最上層中間兩梁下添加角鋼支撐結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)增大角鋼厚度，顯著的減小了鋼架頂部的位移變形量，提高了總體的強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1]王虎軍，馬殷元，耿浩.垂直升降式立體車庫(kù)的安全可靠性分析與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，25：75-79.

[2]張敬書，劉占科，楊文偉，等.我國(guó)城市停車庫(kù)建設(shè)的現(xiàn)狀與選型建議[J].工業(yè)建筑，2011，41（增1）：73-76.

[3]楊智文.垂直升降式立體車庫(kù)模塊化設(shè)計(jì)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，12：32-33.

[4]吳煒俊.立體車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化[J].SCIENCE & TECHN

OLOGY INFORMATION， 2010，17：1041-1042.

[5]徐格寧，高要臣，等.立體車庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)分析與繪圖方法[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，1：5-10.

[6]武瑞之，張建鋒，王海峰，等.立體車庫(kù)框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，8：24-26.

作者簡(jiǎn)介：趙云（1992-），男，四川邛崍人，在讀本科生。