立体车库钢结构设计

屈意和

摘 要：随着我国国民经济的快速发展，越来越的汽车进入家庭，使得我国城市停车难问题日益加剧。立体车库成为目前解决停车难问题的重要方式之一，其中以升降横移式立体车库应用最为广泛。本次设计的主要内容是小区自动立体车库的结构设计。而自动立体车库按结构可分为升降横移类、垂直循环类、水平循环类、平面移動类、巷道堆垛类、垂直升降类、简易升降类等。本文主要对两层式升降横移自动立体车库进行详细的结构设计和对关键部位受力分析并校核。四柱结构型式钢结构车库由于其结构较为简单有较大使用范围，本文对其进行详细设计。文中主要对自动立体车库的横梁，纵梁，支撑柱以及载车板进行详细的受力分析和校核。另外，本文中的自动立体车库采用了液压系统进行传动，区别与采用电动机驱动的自动车库。由于液压传动的优点，车库在升降或是横移过程中会更加稳定，减少了运动中所产生的噪音，使其适用于更多场合。在车库的设计中还介绍了车库运行中重要的安全防护装置。

关键词：立体车库；钢结构设计；校核

1.1 本课题研究的内容及意义

本课题研究的内容是：自动立体车库的结构设计，包括自动立体车库的总体方案设计，有关零件部件的选型计算，结构强度校核及液压系统设计。

本课题研究的意义是：自动立体车库是我国的新兴产业，具有广阔的发展前景。随着我国经济快速的发展，城市交通拥堵和停车难的问题成了影响城市发展的重要因素之一，传统的车库己经不能适应城市发展的要求，再加上我国汽车保有量的不断增加，自动立体车库成为解决这一问题的必然途径[1]。机械式立体车库具有空间利用率高，节省城市有限的土地资源；具有建造成本较低、建造周期较短；车辆停放入车库快速便捷、自动车库更加安全，还具有节约能源等优点。同时自动立体车库还可以在有限的土地上停放更多的车辆，便于集中管理，减少管理费用和人员等的优势，在各个小区或空地都可以根据当地的实际情况进行立体车库的建设，可大大缓解这些地方停车难的问题，这对现在车库紧张的小区和其他人员较多的公共场所提供了很好的解决方法。因此，机械式立体车库具有广阔的应用前景。

而自动立体车库的结构设计是车库建设及运行的重要环节，其设计水平与质量直接影响到用户的安全和建造成本。合理的结构设计可最大限度的利用有限的土地空间，缓解城市中停车难的问题。机械式自动立体车库种类较多，按照现在立体车库的发展，可将它分为巷道堆垛式立体车库，垂直升降式立体车库，垂直循环式立体车库，圆形水平循环式立体车库等。

根据运行方式和结构特点可分为：升降横移式立体车库，水平循环式立体车库，垂直循环式立体车库，多层循环式立体车库，堆垛式立体车库，平面移动式立体车库，垂直升降式立体车库，简易升降式立体车库等九大类[2]。

1.2国内外的发展概况

1.2.1 国外的发展状况

立体车库存取车机械装置使用最广泛的是日本，因为日本土地可用面积比较小，所以对生活占地面积的规划也有很深入的研究，在这个基础商上就发明了立体车库存取车机械装置这种占地面积小，可停放车辆多的装置。如今的日本在立体车库存取车机械装置方面的研究也算是全世界前几名了。日本国家目前采用的普遍是升降横移式的立体车库存取车机械装置。受到日本立体车库存取车机械装置发展的印象，韩国在这方面的研究也是名列前茅的，在上个世界九十年代韩国的立体车库存取车机械装置就已经是大规模的使用了。主要原因还是因为韩国政府对立体车库存取车机械装置的大力支持。

但是立体车库存取车机械装置最早被发明，还是在美国，在20世纪二十年代的时候，美国就发明出了地球上第一个立体车库存取车机械装置。随着时间的慢慢推移，科技技术的先进发展进步中，立体车库存取车机械装置在全世界的使用范围也越来越广泛了。并且对立体车库存取车机械装置形成了一个行业化的趋势。

1.2.2 国内的发展现状

我国在立体车库存取车机械装置方面得而房展也是近几年才开始崭露头角的。在大城市里，因为私家车的数量越来越多，也引发了停车位严重不够用的现象，所以我国也引入了立体车库存取车机械装置来解决这样的问题。但是我国的立体车库存取车机械装置研究技术比起国外发达国家而言，还是比较落后的，而且只能依靠自己的力量来研究，所以起步还是比较苦难的。

尽管如此，我国目前的立体车库存取车机械装置发展还是不够完善，因为立体车库存取车机械装置都是引进国外技术，并没有自己掌握其中的技术，所以种类也很单一，不能改善成符合我国自己国情的改造。而且一些企业为了自身利益，在市场进行恶性竞争，导致我国在立体车库存取车机械装置的研究只停留在金钱方面，在技术方面没有明确的进步现象。

2 自动立体车库的总体设计方案

目前，立体车库主要有以下几种形式：升降横移式、垂直循环式、简易升降式、垂直升降式、平面移动式、巷道堆垛式[14]。而在中国使用较多的是升降横移式自动立体车库和简易升降式车库，升降横移式自动立体车库具有存取车快捷便利，结构简单等优点。而简易升降式车库所能停车辆数量较少不适合较大规模应用，无法满足较大空间的大规模布置。此次论文主题是以巷道堆垛式立体车库进行设计。

2.1 巷道堆垛自动立体车库选型

按车位布置形式分可分为全地上布置，半地下布置，重列式布置。全地上布置：有二层、三层、四层、五层，一般不超过五层，但也七层以上的，有的还做到了18层，但相对于低层提升速度要提高以保证客户使用要求。半地下布置：这种布置形式比全地上布置能多建车位，空间利用率高，但土建投资大。重列式布置：（对于只能设置一个车道，或设置两个车道太浪费，但有能停放两排或两排以上车辆长度的停车位时，可用这种方式布置）这种布置可充分利用平面减少车道占地，但进出车较麻烦一些。

由于车库要求结构简单充分利用土地，所以选择第四柱结构型式的两层立体车库进行设计。

2.2 自动立体车库提升方式的选择

立体车库的提升方式有六种：

（1）钢丝绳式提升型式

（2）链条式提升型式

（3）液压式提升型式

（4）螺杆式提升型式

（5）液压马达、钢丝绳组合提升型式

（6）链条、钢丝绳组合提升型式

而车库选用液压马达、钢丝绳组合提升型式，其优点是结构紧凑、响应速度快、低速平稳性好，并且产生噪音低。

2.3 自动立体车库的设计参数

（1）停车位设计最大尺寸5200mm×2250mm×1600mm；

（2）最大停车质量为1800kg；

（3）车库共两层上成层可停放3辆车，下层可停放2辆车，车库使用PLC进行控制；

（4）车库载车板提升时间 10s；

（5）下层载车板横移时间 10s。

自动立体车库主体框架钢结构由前、后支撑柱，前、后横梁，纵梁等组成。传动系统安装在主体框架的纵梁与后立柱上，包含液压缸，传动的链条链轮，链条张紧装置和钢丝绳。载车板与钢丝绳相连进行提升，而下层载车板通过电机和导轨进行横移。自动立体车库必须具有足够的强度和刚度，才能安全稳定工作。升降横移式自动立体车库的结构设计主要包括：主体框架、传动系统、载车板及安全防护装置。

3自动立体车库结构分析

3.1自动立体车库钢结构设计

立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主，在车库中可选用钢架结构或钢筋混凝土。钢架结构与其它建筑结构相比，具有可靠性高，材料的强度高，钢结构自重小，材料的塑性和韧性好，钢结构制造简便，施工工期短等优点。而使用钢筋混凝土建设车库，建设周期过长同时也无法满足其精度要求。由于自动立体车库对其结构精度要求比较高，所以选用钢结构进行设计。

3.1.1支撑柱设计

1.支撑柱受力分析

车库停放车辆最大质量为1800kg，

其车辆前后轮载荷以3：2分布进行计算；

载车板质量约为600kg；

每个车位满载为2400kg；

式为车库受力计算；

其中 为前支撑柱所受的力；

其中 为前支撑柱所受的力。

当车库满载时支撑柱的受力：

式为车库受力计算。

，所以对前支撑柱进行校核。

由于支撑柱主要受压应力和剪切力作用，而支撑柱受剪切力影响较小，所以主要对支撑柱的压应力进行校核和稳定性分析。

2.支撑柱的材料选择和校核

根据《材料力学》附录Ⅱ表4，选用20a热轧工字钢（GB 706—88）[15]，材料使用Q235A；

式为支撑柱屈服强度公式。

支撑柱屈服强度远大于7.08Mpa，所以符合屈服强度要求。

支撑柱的稳定性校核：

压杆的长度因数 ，由于压杆的约束条件是一端固定一端自由，所以 ；

惯性半径 ；

支撑柱长度 ；

支撑柱的柔度：

式为支撑柱的柔度计算公式。

根据《材料力学》表9.2：

式为直线公式的最小柔度计算公式。

支撑柱的柔度 大于 和 ， ，则前立柱属于细长杆，应按欧拉公式计算临界载荷 。

立柱的工作载荷 ；

由欧拉公式求得临界压力；

金属结构中的压杆安全系数

式 为临界压力计算公式。

前支撑柱的稳定安全系数

式安全系数计算公式。

所以满足稳定要求。

3.1.2横梁受力分析

横梁主要受载车板和汽车重量所产生的拉应力和弯曲应力作用，根据《材料力学》附录Ⅱ表4，选用20a热轧工字钢（GB 706—88），材料使用Q235A

横梁图纸所示其总长度为 ，纵梁以 的间距分别连接与横梁上，通过螺栓进行连接。对横梁进行受力分析，并绘制受力简化图，如图所示。

根据图所示由静力平衡方程式求出A，B两点处的支反力 和 ：

前横梁受力：

式为前横梁受力计算公式。

后横梁受力：

式为后横梁受力计算公式。

由于前横梁所受的力大于后横梁所受的力，所以对前横梁进行校核。

式为AB两点支反力计算公式。

四个集中力作用在截面上的弯矩分别为

式为横梁弯矩计算公式。

从图中可得最大弯矩

式为横梁弯曲许用应力计算公式。

符合弯曲许用应力条件。

校核梁的切应力

查表得 ； 。

由剪力图得：，代入切应力强度条件，

式为横梁切许用应力计算公式。

进过校核横梁满足正应力和切应力强度条件。

3.1.3载车板受力分析校核

根据《材料力学》附录Ⅱ表4，选用14b热轧槽钢（GB 706—88），材料使用Q235A；

载车板的总长度为5.5m，而载车板受到力为 ，受力的长度为 。对载车板进行弯曲变形校核。

对载车板受力分析，如图所示：

上层载车板使用钢丝进行固定升降，其载重后不能变形过大，

否则会影响其正常运行，对车辆安全产生影响。所以对载车板进行校核。

根据材料力学书，

挠曲方程为：

式为挠曲计算公式。

最大挠度为：

式为最大挠曲计算公式。

其中弹性模量 ；

惯性矩 ， ， ；

受力长度 ；

计算得： ；

经校核后载车板的变形量仅为 ，满足要求。

载车板的强度校核：

式为弯矩计算公式。

查材料力学附录表3，

最大应力为：

式为载车板强度校核计算公式。

所以载车板使用14b热轧槽钢满足强度要求，同时也满足挠度要求。

参考文献

[1]中国重型机械工业协会编.机械式立体停车库[M].北京：海洋出版社，2001：33-47.

[2]王文卿.城市汽车停车场（库）设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社.

[3]刘丽娜.浅谈立体车库的特点及其应用[J].智能建筑与城市信息，2007，12：96-99.

[4]莫代新.升降横移式立体车库结构设计与有限元分析[D].南宁：广西大学硕士学位论文，2009.

[5]虞雷.基于有限元法实现立体车库载车板构件的规格化设计[D].苏州：苏州大学，2005：1-4.

[6]徐培万.立体车库的发展及市场前景[J].国外科技动态，2000，5：30-31.

[7]于艷荣.停车行业的设备及管理现状[J].IB智能建筑与城市信息，2006，01：9-11.

[8]汤伟.升降横移式立体车库结构优化及控制策略分析[D].合肥工业大学，机械电子工程硕士学位论文.2008.

[9]白玉铭.垂直循环式立体车库设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学硕士学位论文，2007.

[10]吴日韦，罗良玲，田华.立体车库横向比较研究[J].南昌大学学报.2004.9：38-40.

[11]濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）[M]；北京：高等教育出版社，2006.

作者简介

刘鸿文.材料力学Ⅰ[M].北京：高等教育出版社，2004.

（作者单位：机械与材料工程学院）