浦 毅 殷蘇民

(1. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術學院 江蘇鹽城224005；2. 江蘇大學 機械工程學院 江蘇鎮(zhèn)江212013）

隨著城市汽車保有量的逐年遞增，車主停車需求的不斷增加，住宅小區(qū)全地面兩層升降橫移式立體車庫表現為存量小、空間利用率低、設計不合理、成本高、存取效率低。因此，基于某小區(qū)現有停車環(huán)境，設計了一款前后兩排六列三十四車位升降橫移式的新型半地下式三層立體車庫以滿足停車的需求，其結構簡圖如圖1所示。

本文選用的地面兩層，地下一層（正二負一式）前、后兩排重列式立體車庫，其運行形式為升降橫移式，每排三層，每層六車位，每排地面層（中間層）預留一個空車位，總共有34個車位。該車庫主要由機械系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)兩部分組成，機械系統(tǒng)由鋼結構框架、載車板系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及安全防護系統(tǒng)組成，其中鋼結構框架起著支撐運動裝置與所存車輛的作用[1-3]。鋼結構框架通過立柱、橫梁、縱梁等重要部件來支撐整個立體車庫（主要承受載荷和內置停車位），還可安裝機械傳動系統(tǒng)、電氣控制零部件、消防系統(tǒng)等設備[4-5]。

目前，國內已有學者對立體車庫結構設計的相關技術作了深入研究，2009年，武瑞之等人應用ANSYS軟件對立體車庫鋼結構骨架進行優(yōu)化，減少了鋼材的消耗，降低了成本[6]。2012年 10月，余月，侯文英等人為解決載車板圓形運動時的干涉問題，采用錯位的兩根軌道作為停車板兩根軸的支撐，設計了不翻轉鏈板式立體車庫，整體上提高了存取車效率[7-8]。

2014年6月，長安大學劉偉設計正二負一型立體車庫，并應用排隊論優(yōu)化存取策略模擬仿真解決了存取策略的經濟有效性問題[9]。蔣俊杰、沈星宇對全地上式二層升降橫移式停車設備的結構鋼架進行了多目標優(yōu)化的有限元分析，減輕了重量，符合使用要求。焦穎穎，杜小強采用響應曲面對鏈條式全地上式二層升降橫移立體車庫設計，實現了立體車庫結構的輕量化。唐曉騰等對全地上式四層立體車庫的局部位置進行優(yōu)化設計，實現了鋼結構框架結構更為合理，輕量化。但是，對于正二負一層半地下式立體車庫的研究鮮見報道，該類立體車庫節(jié)省土地資源，空間利用率高，庫存量高，對工作環(huán)境要求低，開發(fā)簡單，工作可靠性高，國內很多住宅小區(qū)、商務樓宇、購物廣場等建筑以該類車庫為主，該立體車庫的推廣價值越來越大。為了降低成本，提高車庫運行的穩(wěn)定性及可靠性，保證結構強度和剛度要求，本文利用ANSYS軟件對該型號立體車庫整體的框架結構進行有限元分析。

圖1 新型半地布置式立體車庫整體結構簡圖

1 立體車庫鋼結構框架有限元模型的建立

1.1 立體車庫鋼結構數據

車庫的整體鋼架由6根支撐梁、10根縱梁、4根橫梁組成，用來承受車輛的鋼架系統(tǒng)，如圖2所示。鑒于此車庫容許的車輛為小型車和中型車，車庫框架中梁之間的連接為螺栓連接，其中縱梁和前橫梁用輔助鋼板連接。該立體車庫的支撐梁橫截面為H型，其尺寸為150 mm×150 mm，開槽深度為70 mm，壁厚為10 mm，地上前面支撐梁的高度為2 200 mm，后面支撐梁高度為2 050 mm，每兩支撐梁沿橫梁方向的長度為7100 mm，沿著縱梁方向的長度為5350 mm，地下負一層立柱高為2 700 mm，其它尺寸選自參考文獻GB/T11263-2005，如表1所示[10]。

表1 車庫鋼結構型號和規(guī)格

1.2 建立車庫鋼結構框架三維實體模型

利用三維建模軟件建立簡化后的模型，如圖2所示。車庫鋼架結構材料為Q235碳素鋼，彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.86×10-6kg/mm3，其屈服強度為 235 MPa，抗拉強度為375～500 MPa，整體車庫鋼結構許用位移為5 mm。

圖2 立體車庫框架的三維模型

1.3 三維模型的網格劃分

在網格劃分時控制鋼架結構的單元大小，采用四面體網格，單元網格大小為50 mm，提高整體網格劃分的質量，進行網格劃分后的車庫鋼架結構圖如圖3所示，劃分網格后的節(jié)點數為2 099 100，單元格數為1 059 300，滿足分析精度要求。

圖3 立體車庫框架網格劃分圖

1.4 立體車庫鋼結構框架受力情況

1）車庫受力簡化分析

此處取縱梁處右視圖的受力分析，主動輪通過鏈傳動調節(jié)從動輪的轉速和方向，從動輪和齒輪采用同軸連接，帶動了齒輪的傳動。在齒輪與齒輪周向上安裝連輪。若該鏈條順時針轉動，在上面的鏈條會發(fā)生向右側X的位移，最后會通過鏈條傳遞到停車板左端的固定點上，會產生向上X的位移。同理下面的鏈條會發(fā)生向左側X的位移，也會通過鏈條傳遞到停車板左端的固定點上，會產生向上X的位移。在其對稱側也會發(fā)生這樣的現象。此時停車位就能實現上下同步的移動，如圖4所示。

圖4 縱梁模型約束示意圖

將上圖模型簡化，得到簡化的受力分析圖。如下圖5所示，每個鏈輪位置上的軸承受著對應的力。在靜力學仿真軟件 Workbench中進行靜力學仿真，選取其中一個量進行分析。

圖5 縱梁簡化受力分析圖

因此，由上圖中，縱梁在上下方向在兩個點只承受F1和F4的力，假設車重為2000kg，一輛車的車重由4個點共同承受，由于停車具有隨機性，載荷的分布也不一樣。當車正好停在停車板時，車重量的前后車身比為 6:4，即 4個車輪受力均勻，則每一點的受力大小分別為4000 N、4000 N、6000 N和6000 N。

2）鋼架約束與載荷情況

假設車庫為靜止狀態(tài)，實際過程中車庫框架結構與地面時通過中間件的腳螺栓剛性連接，故將鋼架的底架視為剛性約束與地面連接，限制鋼架的所有6個自由度。

對車庫有限元分析時進行了以下假設：(1）半地下立體停車庫單獨建立，不連接其他建筑物，屬于最常見狀況；(2）整體結構的陰面與陽面受環(huán)境溫差所引起的熱應力可忽略不計；(3）鋼結構框架整體沒有初始變形和缺陷；(4）該車庫位于地下的靜態(tài)環(huán)境中，地震、風等外界因素所引起的附加力可不計[11-12]。

在對稱滿載工況下，立體車庫鋼結構受力主要有鋼結構框架自重、載車板與車輛的重力以及動載荷。載車板和車輛的重力以及動載荷通過24個鏈輪軸承施加到提升的縱梁上。每個縱梁在豎直方向都承受車的重力所帶來的拉力，具體的受力分析如上所述。一輛車大約為2000 kg，停車板為700 kg，若停滿車，參考其裝配圖，鏈條承受的拉力為6750 N，即縱梁上的每個安裝銷釘的受力為6750 N。

1.5 靜力學結果分析

運用 Workbench對立體車庫的框架進行分析，確定出車庫結構的最大應力集中點，以便進行改進與優(yōu)化，對約束后的車庫進行有限元仿真分析，其結果如圖6和7所示。

圖6 立體車庫變形圖

圖7 立體車庫應力圖

圖6和圖7的仿真分析結果表明車庫的最大等效變形為0.578 mm，最大等效應力為50.795 MPa。

根據材料特性可知，Q235的屈服極限為235MPa許用應力[σ]=117.5 MPa，立體車庫最大應力小于其材料的許用應力，因此滿足整體強度要求。因此車庫的設計滿足整體強度要求，安全系數大。

2 結語

本文設計了一款前后兩排六列三十四車位升降橫移式的新型半地下式三層立體車庫，通過對其鋼結構框架進行建模，導入ANSYS Workbench中建立有限元模型，并應用ANSYS Workbench對車庫整體鋼結構框架在實際約束條件下進行力學模擬研究分析，得到了立體車庫工作時整體應力和變形分布規(guī)律，最大應力為 50.795 MPa，最大變形為0.578mm，滿足了安全使用要求。