垂直升降類機械式停車設(shè)備的安全評估

蔣 瑜 金 彥 龔 文

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 200062

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，2020年人均GDP超過了1萬美元的門檻，居民收入也隨之快速增加，私家車逐漸從高檔消費品降級到普通消費品，成為家庭必備的交通工具，公安部數(shù)據(jù)顯示2020年全國機動車保有量達(dá)3.72億輛，其中汽車2.81億輛，2020年全國新注冊登記機動車3 328萬輛。全國有70個城市的汽車保有量超過百萬輛，同比增加4個城市，31個城市超200萬輛，13個城市超300萬輛，其中北京、成都、重慶超過500萬輛，蘇州、上海、鄭州超過400萬輛，西安、武漢、深圳、東莞、天津、青島、石家莊等7個城市超過300萬輛。隨之而來的就是城市交通擁堵及停車難的問題，而機械式停車設(shè)備可以很好地解決停車難的問題。因此，近年來機械式停車設(shè)備行業(yè)發(fā)展迅猛，特別是在一二線城市（上海），已經(jīng)逐漸成為新樓盤的標(biāo)配，不論是居民小區(qū)，亦或是商業(yè)地產(chǎn)，乃至寫字樓。

機械式停車設(shè)備按照工作結(jié)構(gòu)及形式劃分為九大類，即升降橫移類、垂直循環(huán)類、巷道堆垛類、水平循環(huán)類、多層循環(huán)類、平面移動類、汽車專用升降機、垂直升降類、簡易升降類[1]。其中升降橫移類(PSH)應(yīng)用最為廣泛，每類產(chǎn)品各有不同的優(yōu)缺點，垂直升降類機械式停車設(shè)備由于空間利用率更高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，適于城市中心繁華地帶，主要定位高端，是未來高端產(chǎn)品的發(fā)展方向[2]。

上海市中心某垂直升降類機械式停車設(shè)備已使用20多年，零部件損耗嚴(yán)重，且運行故障率較高，故需要進(jìn)行大修，而鋼結(jié)構(gòu)是垂直升降類機械式停車設(shè)備的主要受力結(jié)構(gòu)[3]，故在大修前需對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評估。

本文通過ProE軟件建立該垂直升降類機械式停車設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入到Ansys進(jìn)行網(wǎng)格劃分等前處理，模擬靜載荷試驗，進(jìn)行靜力學(xué)分析，對鋼結(jié)構(gòu)的強度進(jìn)行校核。通過對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)力測試，與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比，綜合評估該垂直升降類機械式停車設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的安全性。

1 鋼結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 ProE建立三維模型

依據(jù)該垂直升降類機械式停車設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖紙和改造圖紙，鋼結(jié)構(gòu)材料為日標(biāo)碳素鋼STK400、SM490A，分別相當(dāng)于國標(biāo)Q235、Q345碳素鋼，其結(jié)構(gòu)型式為空間桁架結(jié)構(gòu)，各零部件由H形鋼、槽鋼等型鋼構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的簡化，在ProE內(nèi)建立三維模型，如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)的三維模型

1.2 Ansys靜力學(xué)分析

導(dǎo)入所建立的三維模型的IGS格式文件到Ansys中，首先進(jìn)行前處理，由于鋼結(jié)構(gòu)都是比較簡單的型鋼，故選擇Ansys內(nèi)的第一類型實體單元（六面體單元）Solid 185。

網(wǎng)格劃分的類型和數(shù)量對有限元仿真的結(jié)果影響很大，網(wǎng)格數(shù)量越大，仿真的準(zhǔn)確性就越高，但對計算機的要求也越高。綜合考慮所需的計算精度和計算規(guī)模。本文使用自由網(wǎng)格劃分，劃分好的模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格圖

劃分好網(wǎng)格后施加約束，立柱底面通過高強度螺栓與地面固定，側(cè)面通過螺栓與建筑物連接，有一定的支撐作用，在模型底面施加全約束，側(cè)面螺栓連接處也施加對應(yīng)方向的約束。

按照最危險工況施加載荷，鋼結(jié)構(gòu)計算的荷載信息包含所有作用在鋼結(jié)構(gòu)上的恒載荷和活載荷。恒載荷包括鋼結(jié)構(gòu)的自重、載車板的自重、卷筒的自重、電機的自重等；活載荷包括汽車的質(zhì)量、地震載荷等。

恒載荷主要是自重，Ansys中可通過鋼結(jié)構(gòu)的幾何特性、材料屬性獲取鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，然后通過施加相應(yīng)的重力加速度添加鋼結(jié)構(gòu)的自重，載車板的自重、卷筒的自重、電機的自重等，通過相應(yīng)的計算轉(zhuǎn)化成力的常數(shù)施加在對應(yīng)節(jié)點上。

活載荷中，汽車的質(zhì)量按設(shè)計載荷的最大值計算，每輛車的質(zhì)量為2 t，前后按6:4的比例分配，施加在對應(yīng)節(jié)點上；地震載荷的抗震設(shè)防烈度取7度，根據(jù)GB 50011—2016《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]可知，地面峰值加速度0.1g，地震水平方向影響系數(shù)最大值αmax取0.08，結(jié)構(gòu)自振周期T取1.28，阻尼比ζ取0.035，地震豎直方向影響系數(shù)α為0.048 2。因此，由地震引起的水平和豎直方向的載荷為其他載荷乘以相應(yīng)方向的影響系數(shù)。

Ansys運行結(jié)束后對模型進(jìn)行后處理，其應(yīng)力結(jié)果直接通過Von Mises等效應(yīng)力云圖表示。在只考慮自重工況下，有限元分析的結(jié)果如圖3所示。在滿載工況下，即考慮自重、汽車質(zhì)量、地震載荷的工況下，有限元分析的結(jié)果如圖4所示。

圖3 自重工況的應(yīng)力云圖

圖4 完全載荷工況的應(yīng)力云圖

該鋼結(jié)構(gòu)在自重作用下的最大等效應(yīng)力約為15.1 MPa，滿載工況下最大等效應(yīng)力約為84.99 MPa，變形量很小。該鋼結(jié)構(gòu)主要部件的材料相當(dāng)于國標(biāo)Q235，其相應(yīng)的許用應(yīng)力為235 MPa，則其安全系數(shù)達(dá)到2.77，故該鋼結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

2 應(yīng)力測試

應(yīng)力測試的一般步驟：1）設(shè)定一個最危險的極端工況進(jìn)行應(yīng)力測試；2）選取能產(chǎn)生最大應(yīng)力的測量點；3）貼片；4）數(shù)據(jù)采集；5）數(shù)據(jù)分析；根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)受力分析與Ansys有限元仿真結(jié)果選擇了4個應(yīng)力測試點如圖5所示。

圖5 應(yīng)力測試點

本文采用半橋接法，通過無線傳感器采集數(shù)據(jù)，在滿載工況（即該機械式停車設(shè)備停滿汽車的工況下），待信號穩(wěn)定后，記錄應(yīng)力數(shù)據(jù)，重復(fù)3次。

2號測試點的應(yīng)力值最大，為62.63 MPa。由于自重應(yīng)力難以通過應(yīng)力測試得到，故依據(jù)有限元分析得到自重應(yīng)力[5]。將應(yīng)力測試最大應(yīng)力和有限元分析的自重應(yīng)力相加與有限元滿載工況下最大應(yīng)力進(jìn)行對比（見表1），可知誤差為9.34%，小于10%，考慮到鋼結(jié)構(gòu)模型做了一定的簡化，邊界約束條件和載荷與實際情況并不完全符合，以及應(yīng)力測試帶有系統(tǒng)誤差和隨機誤差等因素，該誤差在可接受范圍，故應(yīng)力測試與有限元分析兩者的結(jié)果可以互相印證。

表 1 應(yīng)力測試與有限元分析結(jié)果對比 MPa

3 結(jié)論

本文對某垂直升降類機械式停車設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全評估，首先基于ProE建立了鋼結(jié)構(gòu)的三維模型，導(dǎo)入到Ansys中進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到鋼結(jié)構(gòu)在最危險工況下的最大應(yīng)力值，與應(yīng)力測試得到最大應(yīng)力值對比，誤差不到10%，驗證了有限元分析與應(yīng)力測試結(jié)果的可靠性，得到了該鋼結(jié)構(gòu)安全的評估結(jié)果。