升降横移式立体车库钢结构框架受力分析及优化

张　丽　于长有（芜湖职业技术学院机械工程学院　安徽芜湖　241000）



升降横移式立体车库钢结构框架受力分析及优化

张丽于长有
（芜湖职业技术学院机械工程学院安徽芜湖241000）

摘要：为了降低某2层3列升降横移式立体车库的钢结构框架质量，运用ANSYS软件对结构有限元模型进行各种工况下的受力分析，建立结构优化设计数学模型对主体结构进行优化。结果显示，优化后的钢材用量减少了近15.46%，有效地降低了工程造价。

关键词：立体车库；钢结构；受力分析；结构优化

近年来，我国城市汽车保有量以15%左右年增长率急剧增加，过高的增长率造成了停车位的供给短缺。立体车库可以提高单位停车面积的利用率，有效缓解停车拥堵现象。升降横移式立体车库具有节省占地、投资小、构造简单、安全可靠、存取车快捷等特点，因此使用广泛[1,2]。但市场上多数的立体车库框架结构过度追求安全性能，存在选料浪费，安全裕度空间过大现象，增加了车库的制造成本。本研究以市区某中型酒店2层3列升降横移式立体车库为例，分析其钢结构框架受力情况，并根据实际受力情况进行结构优化。

一、立体车库主体框架结构

升降横移式立体车库主要由框架结构部分、升降和横移传动部分、控制部分、载车板部分和安全防护部分组成。某中型酒店2层3列升降横移式立体车库主体框架结构尺寸如图1所示，主要构件型钢规格如表1所示。

图1 2层3列升降横移式立体车库结构尺寸图

表1立体车库钢结构型号规格

二、框架结构受力分析

（一）基本假设。立体车库框架结构受力主要包括：主体结构自重，载车板及承载车辆重量，驱动装置、轿箱和配重的重量，升降运动的惯性力，结构所受的风力、地震载荷以及温度应力等[3]，它们均以集中或分布方式作用于钢架结构。

由于二层立体车库属于低层钢结构建筑。为了简化受力分析，需要对车库模型作如下基本假设[4]：

l.无其它建筑物与车库相邻，为单栋独立结构；

2.不计车库阴面、阳面温度变化引起的热应力；

3.车库主体结构无初始变形和缺陷；

4.不考虑地震载荷和风载荷的影响。

（二）工况条件。设计标准每个车位上框架结构所需承受的最大重量为2500kg，依据国家标准，车辆自身重量按前后轮位置6：4分配，即前轮承受车重的3/5，后轮承受车重的2/5，在对框架结构主要构件进行受力分析时，载车板上汽车前后轮位置也需按车重6：4的比例施加载荷。由于停车具有很强的随机性，停放情况不同，框架结构的受力情况也不一样，表2列举了几种不同工况条件的载荷分布。

表2结构分析的计算工况和计算载荷

（三）受力分析。钢结构框架中立柱支撑整个车库系统，主要承受车库自重和停车总重量所产生的压力和扭矩；纵梁主要承受横移系统、车辆、载车板产生的压应力和弯曲应力；横梁主要承受车辆和载车板所产生的拉应力和剪应力。为保证立体车库的安全性能，一方面立柱、纵梁、横梁都必须满足所需的强度和刚度，另一方面整体框架结构必须保持较高的稳定性。

建立相应的力学方程即可对单个构件的受力及变形进行分析，本案例中立柱、横梁截面尺寸足够大，分析显示存在较大的安全裕度空间，分析过程简略。而整体车库框架结构需要应用有限元的方法建模进行受力分析。经过假设并进行合理的简化后，得到车库框架结构几何模型，如图2所示。

图2框架模型简化及受力示意图

ANSYS软件分析过程中，车库钢架结构有限元模型采用梁BEAM189单元，材料选用Q235，弹性模量为2.1e11Pa；泊松比为0.30；密度为7850kg/m3。

框架结构构造时，采用自底向上的实体建模方式，先确定立柱与地面的约束点、柱与梁的连接点以及施加载荷的位置点，再把这些点连接成线，接着把立柱、纵梁、横梁的单元类型、截面属性、材料属性赋给相应的线，即建立起梁单元形式的车库框架分析模型，最后合理对其进行网格划分，如图3所示。

施加约束时，立柱与地面基础刚性连接，完全限制连接点x，z，y三个方向的位移及转动，可进行全约束处理。立柱与纵梁以及立柱与横梁之间的螺栓连接按照刚性连接处理[4]。加载工况见表2车库载荷工况分析。

图3立体车库钢架结构网格划分图

经过ANSYS计算分析，车库框架结构各种工况时的计算结果见表3：

表3钢结构框架静力计算结果

通过上表比较看出，在各种工况中，工况4的变形最大,最大变形量DMX=3.841mm，工况3的应力最大，最大应力值SMX=68.7MPa。最大变形量小于车库设计许用变形量5mm，最大应力小于Q235的许用应力[σ]=117.5MPa，所以车库整体结构满足刚度、强度要求。

此外，车库框架结构还包括斜拉角钢、肋板等加强装置，进一步加强了整体强度，故安全裕度较大。

三、框架结构优化设计

通过以上对车库构件和整体结构的有限元分析后发现，所用型钢组成的车库框架结构存在较大的安全裕度空间，造成材料浪费、增加了制造成本，有必要对其结构进行优化，提高经济效益。

（一）车库框架结构优化设计模型的建立。钢结构框架中立柱、横梁和纵梁的截面尺寸对整体结构的影响最大，故以各构件的截面尺寸为优化设计变量，且按型钢规格取离散值[5]。设计变量为x=[x1,x2，x3]

式中x1,x2，x3分别为立柱、横梁和纵梁的截面面积。

取车库框架结构的总重量为优化设计的目标函数，即

式中：ρi、A（iX）、Li—第i个单元的密度、截面积和长度；

N—立柱、纵梁和横梁的单元总数

以结构应力和节点位移不大于许用值作为减轻框架重量的约束条件，确保车库框架使用时具有足够的强度、刚度和稳定性，即

σmax(X)、fmax(X)—框架结构的最大应力和最大节点位移

[σ]、[f]—框架结构的许用应力和许用节点位移

通过上述分析，建立车库钢结构优化设计的数学模型为

该数学模型可以通过采用外点惩罚函数法来进行优化计算，取外惩罚函数为[6]。式中：Mk—惩罚因子；

α—该值的选择可改变约束面的性质，一般α=2。

（二）优化结果及分析。用matlab对优化数学模型进行编程计算，确定优化设计后的车库框架钢结构的型号规格，如表4所示。对优化后的整体结构重新进行分析，得出了车库在最大满载荷下的位移和应力为DMX=4.173mm，SMX=93. 662MPa，满足设计需求，还可以通过在H型钢两侧加入腹板等措施，进一步提高车库整体结构的稳定性。

表4改进后钢结构型号及规格

四、结论

本文以某2层3列升降横移式立体车库的钢结构框架为研究对象，运用有限元法对钢结构框架各种工况进行整体受力分析，得出实际工程中存在安全裕度较大，材料浪费的问题。为降低制造成本，以框架结构的总重量为优化目标函数，建立了车库的钢结构优化设计数学模型，并进行求解，实现车库主体结构的优化。结果显示，钢材用量减少了近15. 46%，有效地降低了工程造价。

参考文献：

[1]王瑞刚，吴成东．立体停车场的发展现状与趋势[J].交通与运输，2005（2）:20-21.

[2]李可林.三层简易升降式停车设备的优化设计[J].中国电梯，2005（17）：60-61.

[3]荆友录,架德宇.立体车库车辆存取机构的设计[J].起重运输机械,2006（4）:28-30.

[4]徐宁.智能立体车库的应用与研究[J].机电产品开发与创新，2009（1）：60-61.

[5]宋继顺.垂直升降地下一层停车库的设计[J].起重运输机械，2007（12）：62-64.

[6]杨继志，郭敬.自动化立体仓库的关键技术[J].起重运输机械，2007（1）:42-43.

[责任编辑郑丽娟]

中图分类号：U491.7

文献标识码：A

文章编号：2095- 0438（2016）05- 0139- 03

收稿日期：2016-02-07

作者简介：张丽（1980－），女，内蒙呼和浩特人，芜湖职业技术学院机械工程学院讲师，硕士，研究方向：立体车库、数控技术。

基金项目：2015年安徽省教研项目（2015tszy047）。