某超高层塔式立体车库力学性能分析

解健钊

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

自改革开放以来，我国经济水平迅速发展，拥有车辆的人群比例急速升高，与此同时，停车难的问题愈发严峻起来[1]，在各大城市建造塔式立体车库应当提上城市建设规划的日程。由于塔式立体车库可以建成高层甚至是超高层，因此空间的利用率极高，停车位不足的问题将得到极大的缓解。此外，塔式立体车库的控制系统智能先进，运转效率高，运行平稳，司机存取车也更加方便快捷，提车停车也无需掉头，可以更加方便的停车取车[2]。

自动立体车库系统在全球的各个国家发展程度不一，主要体现为发达国家居于领先地位，发展中国家较为落后。发达国家中以德国和日本为首，其中德国在多层(包括2层)立体车库的基础上研发了包括H型，V型额U型不同类型的车库[3]。步入新世纪以来，在国内开始举办停车系统类的展览。2006年在上海举办的智能系统展览会上展出的设备，引来了来自全球各个发达国家的知名设备商并获得广泛的认可。虽然目前国内的建设处于发展中阶段，但是已经有很多种国外的立体车库装备出现在国内[4]。目前国内的车库类型主要分为3种：建筑式，机械式，建筑机械混合式。其中机械式立体停车库又衍生出多重类型：垂直循环式[5]，多层循环式[6]，水平循环式[7]，升降横移式[8]，升降导轨式[9]。

这些立体车库也有自己的不足，归纳如下:①设备复杂成本太高。②由于设备太大只能用于大型停车场，面积较小的地方不能使用。面临着停车难愈发严峻的问题和土地资源紧缺的情况下，使用高层立体停车库装备是经济的、妥善的选择，同样的其发展前景将是无限乐观的。

1 塔库模型及荷载条件

1.1 塔库模型

塔式立体车库在型钢的选择上可以多种多样，可以选用工字钢、H型钢、槽刚、方钢等，本文塔式车库的立柱和横梁选用的是热轧H型钢，这是由于H型钢腹板厚度相对较薄，抗弯强度较大，其结构在X、Y轴方向上也是对称的，在截面惯性矩相差不大的情况下，H型钢比其他类型的钢材可以更加节约钢材，此外，H型钢也与其他构件连接安装也比较方便。斜撑辅助立柱支持整个结构压力，同时具有防止结构变形的作用，考虑诸多综合因素，选用槽钢较为合适。钢材选用Q345低合金高强度钢材，许用应力为290MPa。本文中的塔式车库是用来停放小型轿车及轻型车，其基本尺寸及自重如表1所列。

表1 车辆基本尺寸及自重

由表1可见，车辆最大长度为5.08m，最大宽度为1.85m，同时考虑车辆在载车板前后左右的方向各留下0.1m的安全空间，载车板的长宽尺寸即可确定，如图1所示。

图1载车板尺寸

图2 塔式车库有限元网格模型

塔式立体车库分为4个模块：地下安装层、出入车辆层、存放车辆层、顶层。本文设计中地下安装层设置为1.5m，出入车辆层设置为2.2m，存放车辆层设置为1.7m，顶层模块存放载车板的起升装置，设置为2.0m。此次建模采用实体单元，采用自由划分四面体单元。单元类型为C3D10M，单元数1779625个，节点数为3580909。有限元网格模型如图2所示。

1.2 荷载条件及约束

塔式车库主要受自重恒载，车辆活载，风荷载等载荷的作用，其中车辆和载车板的重量之和通过表1可取为1800kg，模型中将此荷载均分到四个立柱，每个立柱承受450kg的车辆活载。风荷载大小取八级风力，作为水平方向荷载施加在车库结构上。车库底部有1.2m埋入土体内与下部基础相连接，所以将车库模型下1.2m设置为固定约束。

本次采用的3种工况分别为：(工况1).自重荷载+满活载+风荷载。(工况2).自重荷载+风荷载。(工况3).自重荷载+偏活载(即将一半的荷载施加在与风荷载施加面不相邻的另一半上)+风荷载。

2 力学性能分析

通过ABAQUS计算分析得到3种工况下总的应力云图如图3所示。

图3 3种工况应力云图

表2 三种工况下最大应力

通过对上述计算结果分析发现：工况1即施加自重荷载+风荷载+满活载所受应力较另外2种情况下应力更大，所以满载情况下车库受力最危险。从这3张图中可以看出，应力较为集中的地方为风荷载作用面对面处的立柱，越向下受力越大。风荷载作用侧面的斜撑较正面斜撑受力大。而靠近顶部的地方受力明显偏小。为了更加直观看出3种工况下结构的应力情况，将3种工况下最大应力列出如表2所列。

通过以上分析可知，3种荷载组合的工况下的应力大小均小于许用值，说明塔式立体车库结构设计方案在可以满足结构强度要求。

3 结 论

本文使用ABAQUS软件计算分析了超高层塔式立体车库在3种工况下的应力情况，得出的结论如下：①3种荷载组合的工况下最大应力均出现在底层的立柱与横梁的连接处，此处节点在车库正常使用过程中安全检测时应特别注意。②针对塔式立体车库，偏载对框架变形与应力影响显著，因此当较多的车辆进入车库时，应尽量对称布置，避免停车聚集于一侧。③从应力云图可以清晰地看出，在各种工况的荷载组合作用下，越往塔式车库底层方向结构所受应力越大，因此塔式立体车库的结构设计可以考虑底部钢材强度需要更大，上层钢材强度可以酌情减小。