孫尚貞 姚愛(ài)民 田靜

摘 要：車庫(kù)承重主體為兩側(cè)懸臂載車板，通過(guò)計(jì)算主體和載車板的抗風(fēng)及抗震能力，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，保證車庫(kù)安全性能。選用載車板的材料時(shí)，可以選取輕量化的材料，但強(qiáng)度必須可靠。同時(shí)分析了車庫(kù)在安全保護(hù)功能的各方面需求，簡(jiǎn)述了各類型的安全保護(hù)傳感器及裝置在車庫(kù)上的應(yīng)用。保證行人及車輛在停車時(shí)的安全。

關(guān)鍵詞：立體停車;材料的輕量化;安全保護(hù);安全技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU248.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2022）05-0112-06

0 引言

在城市鬧市區(qū)及老舊巷道等狹窄空間停車，早期的規(guī)劃很少有充足的停車位，車輛大概率會(huì)被停到道路的單側(cè)或兩側(cè)，造成狹窄的地方巷道，變得更加擁堵[1-6]。在此基礎(chǔ)上考慮，結(jié)合大樹(shù)的空間結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種類似樹(shù)狀機(jī)械式立體車庫(kù)，在地面只引出一個(gè)占面積很小的框架向上方延伸，地面向上至少2.5 m空間內(nèi)不設(shè)任何裝置，高處空間載車板兩側(cè)懸臂空中停車解決停車問(wèn)題。對(duì)安全性要求極高，車庫(kù)主體高達(dá)23 m，橫向載車板懸臂長(zhǎng)度達(dá)2.4 m，每個(gè)載車板載重額定3 t，所以運(yùn)用的材料均要求高強(qiáng)輕型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合最佳理論力學(xué)特性;車庫(kù)的運(yùn)行頻率很高，對(duì)于安全保護(hù)功能要求齊全可靠，考慮一切可能發(fā)生的事情，做到安全防護(hù)到位[7]。

1 主框架結(jié)構(gòu)安全計(jì)算

1.1 材料及許用應(yīng)力

整機(jī)鋼結(jié)構(gòu)主要材料為Q235B，根據(jù)GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，鋼材的基本許用應(yīng)力為 ? ? ? ? ? ?。安全系數(shù)n取1.5，材料的基本許用應(yīng)力值[σ] = 156.67MPa[8]。

1.2 理論計(jì)算分析

按照設(shè)計(jì)該停車庫(kù)可以停放20輛汽車，載車板連同車輛在一起時(shí)3 000 kg，車輛與載車板的重心落在中軸線上。車輛和載車板放在一起的重心距離立柱的中性軸的距離應(yīng)為1.9 m從而一輛車對(duì)立柱的力偶Me為：

Me=1.9×30000=57000N·m

依據(jù)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大部分車輛的高度每層之間的間隔暫時(shí)定為f=2.1 m，其中包括了停放車輛時(shí)所預(yù)留出來(lái)的寬度，從地面到第一層的高度暫時(shí)定為f1=2.1 m。故立柱總的高度為：

H=2.1×10=21 m ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：H為立柱的高度。

由材料力學(xué)撓曲線微分方程及疊加原理可以計(jì)算出立柱在極限偏載情況下頂端的位移量：

（2）

式中：ωB為懸臂梁端部受力偶作用端部的撓度;Me為力偶大小;L為懸臂梁長(zhǎng)度;E為彈性模量;I為截面慣性矩。

端部轉(zhuǎn)角：

（3）

式中：Me為力偶大小;L為懸臂梁長(zhǎng)度;E為彈性模量;I為截面慣性矩，其中位移是以立柱的慣性矩為變量的函數(shù)記為：W（IZ）。

如圖1所示為立柱的受力簡(jiǎn)圖，從左到右分別記他們?yōu)镸1、M2…M10。每一個(gè)力偶都是由車輛和載車板的自重引起的，他們都相等。每一個(gè)力偶對(duì)立柱產(chǎn)生的撓度記為ωj，j=1，2…11。端部扭轉(zhuǎn)角所造成的剩余部分立柱的端部所產(chǎn)生的位移記為Sk，k=1、2…11.每一個(gè)力偶所引起的端面的轉(zhuǎn)角記為θk，k=1、2…11。規(guī)定從地面開(kāi)始每去掉一層的立柱余下的部分稱之為剩余長(zhǎng)度Li，其中i為去掉的層數(shù)。

Li=H-2.1×i ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

總的撓度為：

（5）

各截面轉(zhuǎn)角為：

（6）

轉(zhuǎn)角引起的撓度為：

Sk=sinθk×Li ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

故端部的撓度為：

（8）

起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB/T 3811-2008）里對(duì)于立柱這類起重設(shè)備其端部的位移應(yīng)不大于高度的1.34%也就是：

ω（IZ）≤H×1.34% ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

根據(jù)圖紙尺寸計(jì)算得出Iz：

（10）

求三層車庫(kù)變形量，代入數(shù)據(jù)得：

（11）

1.3 有限元分析

1.3.1 模型建立原則

主框架結(jié)構(gòu)主要為矩形管焊接結(jié)構(gòu)。前后框架通過(guò)橫梁、拉桿等焊接連接。主框架結(jié)構(gòu)通過(guò)地腳螺栓連接在地基基礎(chǔ)上。建立有限元模型所遵循的原則如下：主框架模型建立采取簡(jiǎn)化處理，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)性能影響不大的零件不予考慮;對(duì)模型采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分;為保證焊接工藝而設(shè)計(jì)的板邊緣對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小，建立模型時(shí)不予考慮。

1.3.2 有限元模型及邊界條件

有限元模型，見(jiàn)圖2。節(jié)點(diǎn)數(shù)：248 451個(gè)，單元數(shù)：73 620。

邊界條件，見(jiàn)圖3。在主框架兩塊地板施加UX、UY、UZ、RX、RY、RZ約束。

圖4中A為固定約束，E為引力，B、C、D、F、G、H為兩側(cè)載車板及車輛的質(zhì)量，I為前側(cè)旋轉(zhuǎn)臂質(zhì)量。

1.3.3 工況計(jì)算及結(jié)果分析

工況一：立體車庫(kù)滿載應(yīng)力分布見(jiàn)圖5，滿載位移分布見(jiàn)圖6。最大應(yīng)力值為37.151 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。最大位移量為0.85199 mm，剛度變形小，整體剛度較好。滿足要求。

工況二：立體車庫(kù)一側(cè)偏載應(yīng)力分布見(jiàn)圖7，偏載位移分布見(jiàn)圖8。最大應(yīng)力值為152.32 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。最大位移量為16.078 mm，剛度變形較小，整體剛度較好。滿足要求。

2 安全保護(hù)傳感器及裝置的應(yīng)用

新型的立體停車庫(kù)的構(gòu)造及其停車方式可滿足狹窄空間的基本要求，運(yùn)用人體檢測(cè)，車牌識(shí)別、車身檢測(cè)、地感線圈、紅外射線、接近感應(yīng)以及各類機(jī)械式保護(hù)機(jī)關(guān)，組成安全防護(hù)的系統(tǒng)。

2.1 空中停車庫(kù)的基本防護(hù)需求

一般可設(shè)立在單向或雙向車道的順行側(cè)向位置，由于采取無(wú)底層機(jī)械柵欄的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)（或采用電子?xùn)艡冢?，為保障車?kù)安全運(yùn)行和存取車輛的有序進(jìn)行，應(yīng)設(shè)置必要的環(huán)境限制標(biāo)示和防護(hù)裝置，避免車倆和人員的傷害[9]。

根據(jù)車庫(kù)結(jié)構(gòu)和工作原理，當(dāng)車輛進(jìn)入停車等待區(qū)時(shí)，地感線圈感應(yīng)并提醒乘員是否存車，若確定存車（按鍵或遙控器指令），當(dāng)車庫(kù)收到存車指令后，車輛限位指示牌（或限位道閘）工作指示，然后車庫(kù)自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)載車板接近地面2 m時(shí)（參考）下降探測(cè)器工作，檢測(cè)載車板下方區(qū)域是否有人員和物體存在，如環(huán)境沒(méi)有障礙，載車板自主下降，下限位器工作，載車板就位;此時(shí)等待區(qū)道閘或指示牌工作指示，車輛駛?cè)胼d車板，限位器警示就位，當(dāng)人員離位，并檢測(cè)環(huán)境安全后，觸發(fā)車庫(kù)工作，自主停放車輛，完成存車，指示牌提醒車位號(hào)，提示人員離開(kāi)。需要取車時(shí)人員按下取車鍵號(hào)，庫(kù)自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境（同上）運(yùn)行到位，人員取車后，載車板自動(dòng)復(fù)位;若同時(shí)有存車指令，車庫(kù)等待存車。

2.2 機(jī)械式空中停車庫(kù)的運(yùn)行安全檢測(cè)防護(hù)要點(diǎn)

機(jī)械式空中停車庫(kù)主要采取自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境、自動(dòng)警示人員和自動(dòng)控制車庫(kù)運(yùn)行的防護(hù)策略，利用聲、光、電、磁檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)系統(tǒng)結(jié)合，優(yōu)化和完善車庫(kù)運(yùn)行步驟程序，提高防護(hù)能力和可靠性[10-11]。

車輛入庫(kù)過(guò)程與防護(hù)車輛入庫(kù)等待位置檢測(cè)、載車板下降環(huán)境檢測(cè)、載車板位置檢測(cè)、車輛進(jìn)入載車板就位檢測(cè)、人員離開(kāi)車輛檢測(cè)、環(huán)境安全監(jiān)測(cè)、車庫(kù)運(yùn)行檢測(cè)。

車輛出庫(kù)過(guò)程與防護(hù)載車板下降環(huán)境檢測(cè)、載車板位置檢測(cè)、人員和車輛離開(kāi)載車板檢測(cè)、環(huán)境安全監(jiān)測(cè)、車庫(kù)運(yùn)行檢測(cè)、載車板復(fù)位檢測(cè)。

靜態(tài)常規(guī)防護(hù)。明確、醒目的警示牌和地標(biāo)指示。

車輛正常通過(guò)道路時(shí)如不需要存車指示牌警示“車庫(kù)位置，盡快離開(kāi)”。當(dāng)取車付費(fèi)和存車指令同步時(shí)，應(yīng)取車指令優(yōu)先執(zhí)行。車輛排隊(duì)與通行，載車板升起到2 m后，通行車輛可放行，存車車輛待車區(qū)等待。

緊急異常狀態(tài)防護(hù)與恢復(fù)。緊急情況下，應(yīng)具有應(yīng)急停車裝置按鈕，應(yīng)急狀態(tài)消除后車庫(kù)可自動(dòng)恢復(fù)正常工作。具備傳感器異常狀態(tài)檢測(cè)報(bào)警指示，車輛存取狀態(tài)顯示等功能。

中斷與延時(shí)狀態(tài)檢測(cè)，系統(tǒng)自檢與復(fù)位。

突然停電情況下不影響道路的正常通行。（載車板處于地面位置時(shí)道路通行不受影響）。

2.3 機(jī)械式空中停車庫(kù)安全裝置與控制過(guò)程研究應(yīng)用

超聲波或光電傳感器安裝與檢測(cè)。環(huán)境與裝置安裝見(jiàn)示意圖9。

載車板運(yùn)行中下行過(guò)程中下方物體人員檢測(cè)可以采用紅外或雷達(dá)傳感器，車輛位置檢測(cè)，可采用單向漫反射傳感器，以及限高檢測(cè)，具體安裝方式根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和車庫(kù)機(jī)構(gòu)動(dòng)作位置軌跡確定。

探測(cè)器A、B可安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)托臂上，探測(cè)器C、D可利用梁架安裝，以減少傳感器數(shù)量和移動(dòng)電纜，并避免環(huán)境探測(cè)和車輛死區(qū)。應(yīng)選擇工作可靠的抗環(huán)境干擾能力較好的戶外工業(yè)傳感器。感應(yīng)線圈可采用限速帶式或側(cè)位式。

平臺(tái)閉鎖裝置。升降平臺(tái)與滑軌防墜閉鎖，鏈條連接器被動(dòng)式重力閉鎖器（見(jiàn)圖10），失測(cè)速防鏈條斷裂電磁閉鎖器（或采用鏈?zhǔn)饺嵝宰詽q緊器，見(jiàn)圖11）以及鋼架預(yù)應(yīng)力阻尼穩(wěn)定器（見(jiàn)圖12）。

3 結(jié)論

本文從狹窄空間空中停車庫(kù)的主體框架的安全計(jì)算和安全保護(hù)傳感器及裝置兩方面，進(jìn)行論述安全技術(shù)研究及應(yīng)用。通過(guò)建模及工況計(jì)算結(jié)果，經(jīng)簡(jiǎn)化過(guò)后的模型整體應(yīng)力值分布均勻，均在許可應(yīng)力156.67 MPa以下，整體剛度變形較小，滿足設(shè)計(jì)要求。將停車庫(kù)在狹窄擁堵的空間安全保護(hù)功能全面考慮，并設(shè)置相應(yīng)傳感器及裝置，最大化的保證停車技術(shù)的有效應(yīng)用。

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