垂直升降式立体车库钢架结构分析及优化设计

赵云　杨海栗　德祥　廖磊　胡兵　薛文

摘 要：以SolidWorks三维建模软件与SolidWorks Simulation有限元分析软件为平台，建立垂直升降式立体车库的钢架结构。由分析得到其在实际载荷在作用下整体的强度与变形情况。根据分析结果提出其优化方案，提高整体强度与刚度。

关键词：垂直升降式立体车库；钢架结构；强度；刚度

引言

立体车库是专门实现各种车辆自动停放及科学寄存的仓储设施。随着城市汽车保有量的不断增加，停车难的问题已经成为各城市的一普遍现象[1]。机械式立体车库可以充分利用土地资源，最大限度地停放车辆，成为解决城市静态交通问题的重要途径[2]。

垂直升降式立体车库占地面积小，空间利用率高，使用方便，且其建设成本大低于传统停车场 [3]。

吴炜俊对立体车库钢结构强度分析及优化[4]，徐格宁等对立体车库钢结构参数化设计分析与绘图方法进行了研究[5]，武瑞之等进行了立体车库框架结构优化设计[6]。

文章针对该车库的钢架结构进行了结构设计，并根据实际的载荷情况对其进行了静力学分析，了解其应力与位移变形情况，最终对结构提出结构优化方案。

1 垂直升降式立体车库的主要结构

1.1 主体结构

该垂直升降式立体车库主要由钢架结构、升降机构、横移机构、回转机构、控制系统以及安全保护装置组合而成，三维结构如图1。图中仅装配两载车板作为示意。设计的垂直升降式立体车库以6层10车位为例，每层2车位（1层不放车）。该车库参照国家标准设计容车尺寸（底层高度：2000mm，顶层高度：3150mm），除去底层与顶层之外，其余各层间距相同。

1.2 立体车库钢架结构

立体车库的主体钢架结构均采用型钢焊接或用高强度螺栓连接而成，作为承重结构，需要较好的强度和刚度，以保证车库整体的安全和稳定性。钢架主体采用H型钢和槽钢等，为增加强度，在其上加有用于横梁、立柱的加强筋板，主体钢架结构如图2所示。

2 钢架结构分析

2.1 钢架结构建模

车库钢架结构整体较为复杂，但通过一些简化的方法对结构进行建模分析又与实际情况有较大差异，为保证较为精确的计算，直接利用该模型结构，采用SolidWorks Simulation进行仿真分析研究。网格划分前需忽略小孔和凹槽，并且对局部进行网格细化，网格划分如图3所示。

2.2 有限元分析

主体钢架受载包括：钢架、车辆、载车板、电梯曳引机、横移机构、升降轿厢的重量，结构所受的风力、地震载荷以及结构由于外界环境温度变化而引起的温度应力等，它们均以集中载荷或分布载荷的方式作用在车库钢架上。

分析时，地震载荷与风载荷作用忽略不计。同时根据国家标准，载车板上模拟汽车位置按额定载荷6：4的比例放置额定负载的1.1倍。车库的受载情况繁多，典型的三种工况见表1。

根据分析，当立体车库处于满载情况时，为其最为恶劣的工况。本次分析针对该工况进行，了解立体车库钢架整体的结构刚性及应力情况，考察其是否达到强度和刚度要求。

在针对各种工况进行计算时，所施加的载荷为：单车位最大载重（1.7吨）、载车板重量（0.7吨），并根据要求放置额定负载的1.1倍，最终单车位所施加载荷为2.64吨；同时考虑钢架自重、升降机构、配重及电机重量（横移机构与升降轿厢总重约3070kg，配重4245kg），按照实际情况加载到钢架上。钢架材料参数见表2。计算结果如图4与图5。

由图示结果可知，最大载荷出现在最上层角钢支撑处，应力为268.2Mpa，超过屈服强度（245Mpa）。最大变形量出现在顶部承载处，位移量为9.382mm，根据机械式立体车库结构设计标准，采用起重机设计规范GB/T 3811-2008，其中需要高定位精度特性的起重机需满足公式为：

而横梁跨度为7200mm，其垂直挠度应不超过7.2mm，其强度与刚度均不满足要求。

3 优化设计

根据分析结果，针对右侧受力最大处将厚度由3mm角钢改为5mm，在满足车辆进出要求的前提下，在最上层中间两梁下添加角钢支撑。优化后的结果见图6与图7。

由图6、图7结果可知最大应力降低为177.4Mpa，最大位移降低为6.427mm，均满足要求。

4 结束语

文章针对垂直升降式立体车库的钢架结构，按照满载工况进行了静力学分析，并根据分析结果薄弱环节进行了优化设计，通过优化前后分析数据对比，可得出以下结论：

通过对在最上层中间两梁下添加角钢支撑结构，并适当增大角钢厚度，显著的减小了钢架顶部的位移变形量，提高了总体的强度。

参考文献

[1]王虎军，马殷元，耿浩.垂直升降式立体车库的安全可靠性分析与设计[J].中国安全科学学报，2015，25：75-79.

[2]张敬书，刘占科，杨文伟，等.我国城市停车库建设的现状与选型建议[J].工业建筑，2011，41（增1）：73-76.

[3]杨智文.垂直升降式立体车库模块化设计研究[J].科技创新与应用，2014，12：32-33.

[4]吴炜俊.立体车库钢结构强度分析及优化[J].SCIENCE & TECHN

OLOGY INFORMATION， 2010，17：1041-1042.

[5]徐格宁，高要臣，等.立体车库钢结构参数化设计分析与绘图方法[J].中国工程机械学报，2007，1：5-10.

[6]武瑞之，张建锋，王海峰，等.立体车库框架结构优化设计[J].河南科技大学学报（自然科学版），2009，8：24-26.

作者简介：赵云（1992-），男，四川邛崃人，在读本科生。