垂直升降式立體車庫鋼架結構分析及優化設計

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，建立垂直升降式立體車庫的鋼架結構。由分析得到其在實際載荷在作用下整體的強度與變形情況。根據分析結果提出其優化方案，提高整體強度與剛度。

關鍵詞：垂直升降式立體車庫；鋼架結構；強度；剛度

引言

立體車庫是專門實現各種車輛自動停放及科學寄存的倉儲設施。隨著城市汽車保有量的不斷增加，停車難的問題已經成為各城市的一普遍現象[1]。機械式立體車庫可以充分利用土地資源，最大限度地停放車輛，成為解決城市靜態交通問題的重要途徑[2]。

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

吳煒俊對立體車庫鋼結構強度分析及優化[4]，徐格寧等對立體車庫鋼結構參數化設計分析與繪圖方法進行了研究[5]，武瑞之等進行了立體車庫框架結構優化設計[6]。

文章針對該車庫的鋼架結構進行了結構設計，并根據實際的載荷情況對其進行了靜力學分析，了解其應力與位移變形情況，最終對結構提出結構優化方案。

1 垂直升降式立體車庫的主要結構

1.1 主體結構

該垂直升降式立體車庫主要由鋼架結構、升降機構、橫移機構、回轉機構、控制系統以及安全保護裝置組合而成，三維結構如圖1。圖中僅裝配兩載車板作為示意。設計的垂直升降式立體車庫以6層10車位為例，每層2車位（1層不放車）。該車庫參照國家標準設計容車尺寸（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 立體車庫鋼架結構

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

2 鋼架結構分析

2.1 鋼架結構建模

車庫鋼架結構整體較為復雜，但通過一些簡化的方法對結構進行建模分析又與實際情況有較大差異，為保證較為精確的計算，直接利用該模型結構，采用SolidWorks Simulation進行仿真分析研究。網格劃分前需忽略小孔和凹槽，并且對局部進行網格細化，網格劃分如圖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、橫移機構、升降轎廂的重量，結構所受的風力、地震載荷以及結構由于外界環境溫度變化而引起的溫度應力等，它們均以集中載荷或分布載荷的方式作用在車庫鋼架上。

分析時，地震載荷與風載荷作用忽略不計。同時根據國家標準，載車板上模擬汽車位置按額定載荷6：4的比例放置額定負載的1.1倍。車庫的受載情況繁多，典型的三種工況見表1。

根據分析，當立體車庫處于滿載情況時，為其最為惡劣的工況。本次分析針對該工況進行，了解立體車庫鋼架整體的結構剛性及應力情況，考察其是否達到強度和剛度要求。

在針對各種工況進行計算時，所施加的載荷為：單車位最大載重（1.7噸）、載車板重量（0.7噸），并根據要求放置額定負載的1.1倍，最終單車位所施加載荷為2.64噸；同時考慮鋼架自重、升降機構、配重及電機重量（橫移機構與升降轎廂總重約3070kg，配重4245kg），按照實際情況加載到鋼架上。鋼架材料參數見表2。計算結果如圖4與圖5。

由圖示結果可知，最大載荷出現在最上層角鋼支撐處，應力為268.2Mpa，超過屈服強度（245Mpa）。最大變形量出現在頂部承載處，位移量為9.382mm，根據機械式立體車庫結構設計標準，采用起重機設計規范GB/T 3811-2008，其中需要高定位精度特性的起重機需滿足公式為：

而橫梁跨度為7200mm，其垂直撓度應不超過7.2mm，其強度與剛度均不滿足要求。

3 優化設計

根據分析結果，針對右側受力最大處將厚度由3mm角鋼改為5mm，在滿足車輛進出要求的前提下，在最上層中間兩梁下添加角鋼支撐。優化后的結果見圖6與圖7。

由圖6、圖7結果可知最大應力降低為177.4Mpa，最大位移降低為6.427mm，均滿足要求。

4 結束語

文章針對垂直升降式立體車庫的鋼架結構，按照滿載工況進行了靜力學分析，并根據分析結果薄弱環節進行了優化設計，通過優化前后分析數據對比，可得出以下結論：

通過對在最上層中間兩梁下添加角鋼支撐結構，并適當增大角鋼厚度，顯著的減小了鋼架頂部的位移變形量，提高了總體的強度。

參考文獻

[1]王虎軍，馬殷元，耿浩.垂直升降式立體車庫的安全可靠性分析與設計[J].中國安全科學學報，2015，25：75-79.

[2]張敬書，劉占科，楊文偉，等.我國城市停車庫建設的現狀與選型建議[J].工業建筑，2011，41（增1）：73-76.

[3]楊智文.垂直升降式立體車庫模塊化設計研究[J].科技創新與應用，2014，12：32-33.

[4]吳煒俊.立體車庫鋼結構強度分析及優化[J].SCIENCE & TECHN

OLOGY INFORMATION， 2010，17：1041-1042.

[5]徐格寧，高要臣，等.立體車庫鋼結構參數化設計分析與繪圖方法[J].中國工程機械學報，2007，1：5-10.

[6]武瑞之，張建鋒，王海峰，等.立體車庫框架結構優化設計[J].河南科技大學學報（自然科學版），2009，8：24-26.

作者簡介：趙云（1992-），男，四川邛崍人，在讀本科生。