狭窄空间空中停车安全技术研究及应用

孙尚贞 姚爱民 田静

摘 要：车库承重主体为两侧悬臂载车板，通过计算主体和载车板的抗风及抗震能力，并对其进行有限元分析，保证车库安全性能。选用载车板的材料时，可以选取轻量化的材料，但强度必须可靠。同时分析了车库在安全保护功能的各方面需求，简述了各类型的安全保护传感器及装置在车库上的应用。保证行人及车辆在停车时的安全。

关键词：立体停车;材料的轻量化;安全保护;安全技术

中图分类号：TU248.3                               文獻标识码：A                                    文章编号：2096-6903（2022）05-0112-06

0 引言

在城市闹市区及老旧巷道等狭窄空间停车，早期的规划很少有充足的停车位，车辆大概率会被停到道路的单侧或两侧，造成狭窄的地方巷道，变得更加拥堵[1-6]。在此基础上考虑，结合大树的空间结构，设计一种类似树状机械式立体车库，在地面只引出一个占面积很小的框架向上方延伸，地面向上至少2.5 m空间内不设任何装置，高处空间载车板两侧悬臂空中停车解决停车问题。对安全性要求极高，车库主体高达23 m，横向载车板悬臂长度达2.4 m，每个载车板载重额定3 t，所以运用的材料均要求高强轻型，结构设计符合最佳理论力学特性;车库的运行频率很高，对于安全保护功能要求齐全可靠，考虑一切可能发生的事情，做到安全防护到位[7]。

1 主框架结构安全计算

1.1 材料及许用应力

整机钢结构主要材料为Q235B，根据GB/T3811-2008《起重机设计规范》中的规定，钢材的基本许用应力为            。安全系数n取1.5，材料的基本许用应力值[σ] = 156.67MPa[8]。

1.2 理论计算分析

按照设计该停车库可以停放20辆汽车，载车板连同车辆在一起时3 000 kg，车辆与载车板的重心落在中轴线上。车辆和载车板放在一起的重心距离立柱的中性轴的距离应为1.9 m从而一辆车对立柱的力偶Me为：

Me=1.9×30000=57000N·m

依据现在国内大部分车辆的高度每层之间的间隔暂时定为f=2.1 m，其中包括了停放车辆时所预留出来的宽度，从地面到第一层的高度暂时定为f1=2.1 m。故立柱总的高度为：

H=2.1×10=21 m                                                （1）

式中：H为立柱的高度。

由材料力学挠曲线微分方程及叠加原理可以计算出立柱在极限偏载情况下顶端的位移量：

（2）

式中：ωB为悬臂梁端部受力偶作用端部的挠度;Me为力偶大小;L为悬臂梁长度;E为弹性模量;I为截面惯性矩。

端部转角：

（3）

式中：Me为力偶大小;L为悬臂梁长度;E为弹性模量;I为截面惯性矩，其中位移是以立柱的惯性矩为变量的函数记为：W（IZ）。

如图1所示为立柱的受力简图，从左到右分别记他们为M1、M2…M10。每一个力偶都是由车辆和载车板的自重引起的，他们都相等。每一个力偶对立柱产生的挠度记为ωj，j=1，2…11。端部扭转角所造成的剩余部分立柱的端部所产生的位移记为Sk，k=1、2…11.每一个力偶所引起的端面的转角记为θk，k=1、2…11。规定从地面开始每去掉一层的立柱余下的部分称之为剩余长度Li，其中i为去掉的层数。

Li=H-2.1×i                                                          （4）

总的挠度为：

（5）

各截面转角为：

（6）

转角引起的挠度为：

Sk=sinθk×Li                                                              （7）

故端部的挠度为：

（8）

起重机设计规范（GB/T 3811-2008）里对于立柱这类起重设备其端部的位移应不大于高度的1.34%也就是：

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

根据图纸尺寸计算得出Iz：

（10）

求三层车库变形量，代入数据得：

（11）

1.3 有限元分析

1.3.1 模型建立原则

主框架结构主要为矩形管焊接结构。前后框架通过横梁、拉杆等焊接连接。主框架结构通过地脚螺栓连接在地基基础上。建立有限元模型所遵循的原则如下：主框架模型建立采取简化处理，对于整体结构性能影响不大的零件不予考虑;对模型采用六面体进行网格划分;为保证焊接工艺而设计的板边缘对计算结果影响很小，建立模型时不予考虑。

1.3.2 有限元模型及边界条件

有限元模型，见图2。节点数：248 451个，单元数：73 620。

边界条件，见图3。在主框架两块地板施加UX、UY、UZ、RX、RY、RZ约束。

图4中A为固定约束，E为引力，B、C、D、F、G、H为两侧载车板及车辆的质量，I为前侧旋转臂质量。

1.3.3 工况计算及结果分析

工况一：立体车库满载应力分布见图5，满载位移分布见图6。最大应力值为37.151 MPa，符合设计要求。最大位移量为0.85199 mm，刚度变形小，整体刚度较好。满足要求。

工况二：立体车库一侧偏载应力分布见图7，偏载位移分布见图8。最大应力值为152.32 MPa，符合设计要求。最大位移量为16.078 mm，刚度变形较小，整体刚度较好。满足要求。

2 安全保护传感器及装置的应用

新型的立体停车库的构造及其停车方式可满足狭窄空间的基本要求，运用人体检测，车牌识别、车身检测、地感线圈、红外射线、接近感应以及各类机械式保护机关，组成安全防护的系统。

2.1 空中停车库的基本防护需求

一般可设立在单向或双向车道的顺行侧向位置，由于采取无底层机械栅栏的开放式结构（或采用电子栅栏），为保障车库安全运行和存取车辆的有序进行，应设置必要的环境限制标示和防护装置，避免车俩和人员的伤害[9]。

根据车库结构和工作原理，当车辆进入停车等待区时，地感线圈感应并提醒乘员是否存车，若确定存车（按键或遥控器指令），当车库收到存车指令后，车辆限位指示牌（或限位道闸）工作指示，然后车库自动运行，当载车板接近地面2 m时（参考）下降探测器工作，检测载车板下方区域是否有人员和物体存在，如环境没有障碍，载车板自主下降，下限位器工作，载车板就位;此时等待区道闸或指示牌工作指示，车辆驶入载车板，限位器警示就位，当人员离位，并检测环境安全后，触发车库工作，自主停放车辆，完成存车，指示牌提醒车位号，提示人员离开。需要取车时人员按下取车键号，库自动检测环境（同上）运行到位，人员取车后，载车板自动复位;若同时有存车指令，车库等待存车。

2.2 机械式空中停车库的运行安全检测防护要点

机械式空中停车库主要采取自动检测环境、自动警示人员和自动控制车库运行的防护策略，利用声、光、电、磁检测技术和自动控制技术，实现人机系统结合，优化和完善车库运行步骤程序，提高防护能力和可靠性[10-11]。

车辆入库过程与防护车辆入库等待位置检测、载车板下降环境检测、载车板位置检测、车辆进入载车板就位检测、人员离开车辆检测、环境安全监测、车库运行检测。

车辆出库过程与防护载车板下降环境检测、载车板位置检测、人员和车辆离开载车板检测、环境安全监测、车库运行检测、载车板复位检测。

静态常规防护。明确、醒目的警示牌和地标指示。

车辆正常通过道路时如不需要存车指示牌警示“车库位置，尽快离开”。当取车付费和存车指令同步时，应取车指令优先执行。车辆排队与通行，载车板升起到2 m后，通行车辆可放行，存车车辆待车区等待。

紧急异常状态防护与恢复。紧急情况下，应具有应急停车装置按钮，应急状态消除后车库可自动恢复正常工作。具备传感器异常状态检测报警指示，车辆存取状态显示等功能。

中断与延时状态检测，系统自检与复位。

突然停电情况下不影响道路的正常通行。（载车板处于地面位置时道路通行不受影响）。

2.3 机械式空中停车库安全装置与控制过程研究应用

超声波或光电传感器安装与检测。环境与装置安装见示意图9。

载车板运行中下行过程中下方物体人员检测可以采用红外或雷达传感器，车辆位置检测，可采用单向漫反射传感器，以及限高检测，具体安装方式根据现场环境和车库机构动作位置轨迹确定。

探测器A、B可安装于转台托臂上，探测器C、D可利用梁架安装，以减少传感器数量和移动电缆，并避免环境探测和车辆死区。应选择工作可靠的抗环境干扰能力较好的户外工业传感器。感应线圈可采用限速带式或侧位式。

平台闭锁装置。升降平台与滑轨防坠闭锁，链条连接器被动式重力闭锁器（见图10），失测速防链条断裂电磁闭锁器（或采用链式柔性自涨紧器，见图11）以及钢架预应力阻尼稳定器（见图12）。

3 结论

本文从狭窄空间空中停车库的主体框架的安全计算和安全保护传感器及装置两方面，进行论述安全技术研究及应用。通过建模及工况计算结果，经简化过后的模型整体应力值分布均匀，均在许可应力156.67 MPa以下，整体刚度变形较小，满足设计要求。将停车库在狭窄拥堵的空间安全保护功能全面考虑，并设置相应传感器及装置，最大化的保证停车技术的有效应用。

参考文献

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[2] 吴兴陆.对当前住宅小区“停车难”问题的剖析[J].现代物业，2007（6）：10-11.

[3] 张东辉，张少峰.居住小区停车问题研究[J].中外建筑，2004（2）： 5-7.

[4] 王国平.谈住宅小区的规划创新设计[J].建材技术与应用， 2005（4）：33-34.

[5] 林东杰.关于住宅小区停车问题探讨[J].福建建设科技，2005 （4）：27-28.

[6] 莫曼春，邓明.住宅小区内停车方式的思考[J].山西建筑，2000 （5）：12-18.

[7] 任伯森.机械式立体停车库[M].北京：海洋出版社，2001.

[8] 徐灏.机械强度设计中的安全系数和许用应力[J].机械强度， 1981（2）：39-45.

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[10] 谢帥.祝雯豪.段锐.等.侧方无避让式多连杆双层立体车库的设计[J].机械，2019.46（5）：58-61.

[11] 陈红艳.王建波.刘鹏.等.升降横移式立体车库钢结构安全评估[J].机械强度，2019，41（5）：1260-1265.