电梯升降式立体停车库钢结构骨架的结构分析

2022-09-10

车库钢结构骨架起着支承停放车辆载荷和分担提升机构载荷的作用, 因此对车库钢结构骨架进行合理的结构分析和设计就显得特别重要。

1 电梯升降式立体停车库钢结构骨架基本结构的设计

立体停车库钢结构承载框架与外表装饰材料构成停车库主体。钢结构由底部、中部和顶部结构架组成。底部为车辆进出车库和车辆调头之用, 高度最大为2.6m。中部为标准层, 高度为2.2m, 用来停放车辆, 它由标准单元组成, 可以根据实际车库容盘来适当加减层数。顶部用来安装滑轮组并留有检修滑轮组及其他设备的空间, 因此高度最小, 为1.5rn。车库设计容量为20辆, 需要10层停车标准单元, 这样车库总层数为12层, 总高度为H=2.6+10×2.2+1.5=26.1m。升降吊笼导轨设计为两根, 作对角布置, 固定在立柱6上。钢结构分段制造, 用高强度螺栓在现场拼装。

2 电梯升降式立体停车库钢结构骨架的结构分析

2.1 电梯升降式立体停车库钢结构骨架的模型化

应用有限单元法进行分析, 对整个停车库钢结构骨架的受力进行了分析。有限元分析的基础就是弹性连续体的离散化, 即把整个连续停车库钢结构骨架分割成由限个单元组成的集合体。这些单元仅仅在节点处连接, 单元之间的载荷也仅由节点传递, 所有的计算分析都将在这个模型上进行。停车库钢结构骨架主要由一些型钢通过螺栓连接或焊接而成, 对它进行单元划分时比较容易, 通常以连接点作为节点。

停车库钢结构骨架由柱、梁和杆组成。采用三维梁单元和杆单元模拟实际结构, 用固定约束边界条件模拟结构在基础上的安装情况。梁单元具有拉伸、压缩、扭转和弯曲能力;每个节点有6个自由度, 杆单元为单向拉压单元, 每个节点有3个移动自由度。所建立的钢结构力学模型如图1所示 ( (a) 钢结构侧视图 (b) 钢结构正视图。 (1) 底层侧面K形斜杆。 (2) 标准层侧面K形斜杆。 (3) 标准层侧面K形横杆。 (4) 立柱。 (5) 底层立柱。 (6) 标准层正面K形横杆。 (7) 标准层正面K形斜杆。 (8) 井道立柱) , 整个车库钢结构骨架共有330个单元, 172个节点。除考虑停车库钢结构骨架自重和机械传动系统的重量外, 还考虑每个车位均受额定车辆载荷的作用情况。所研究的停车库共有20个车位, 额定车辆载荷为1600kg。

2.2 电梯升降式钢结构骨架的受力情况

钢结构受力主要包括:钢结构本身自重, 结构架上各停车位的车辆及固定叉梳重量, 提升系统制动所产生的惯性力, 驱动装置的重力, 顶部梁架所受滑轮组和配重的重力, 整体结构所受的风力、地展载荷以及由于外界环境温度变化而引起的温度应力等, 它们以集中或均布方式作用。

2.3 进行受力分析的基本假设

由于车库的实际受力情况很复杂, 必须对它进行必要的简化和假设后才能进行进一步的受力分析, 基本假设如下: (1) 停车库单独建立, 不与其它建筑物相接; (2) 不计由于结构阴面与阳面温差引起的热应力: (3) 整体结构无初始变形和缺陷; (4) 按可能是最危险的x, y以及对角线方向3种工况计算风载荷; (5) 地震载荷按与风载作用方向一致的工况进行计算。该立体车库承载框架是由型钢经高强度螺栓连接而成, 整个车库框架连接并调整好尺寸后再对连接节点焊接起来。这样, 各杆件可承受轴向力、剪力和弯矩, 在用有限元软件进行受力分析时, 此种结构属于梁单元, 按空间6个自由度梁单元进行处理。

2.4 电梯升降式钢结构骨架的受力分析

各工况钢结构骨架均在前轮放置一侧两边立柱与下方横梁交点处产生最大压应力, 其中对称载荷工况压应力最大。4种工况分别在钢结构骨架后轮放置一侧立柱与基础连接点处产生最大拉应力, 其中非对称载荷工况拉应力最大, 并且其绝对值大于对称满载荷工况的最大拉应力。各工况钢结构骨架的杆单元均受压, 其中左右两侧杆单元压应力最大, 而前后两侧杆单元压应力最小。在前后两侧杆单元中, 下部单元的压应力均大于上部单元的压应力, 并且前侧最下面两个单元压应力最大。在各种工况载荷作用下, 钢结构骨架的工作应力均小于许用应力, 钢结构有足够的强度和稳定性, 能够保证停车库安全可靠地工作。

2.5 电梯升降式钢结构骨架的变形分析

根据计算, 在工况1的情况下, 车库钢结构骨架的变形很小:在其它3种工况的载荷作用下, 钢结构骨架节点x, y向位移比较小, z向位移比较大。除工况1外, 其它3种工况钢结构骨架节点x, y向最大位移发生在第1层横梁上 (横梁层数由下往上计) 。该层前、后横梁中部y向位移较大, 梁向内侧变形。z向最大位移和总位移最大值发生在上支承梁上, 梁向下弯曲变形。在4个工况, 非对称工况节点x向位移最大, 对称满载荷工况节点z向位移和总位移最大。对称满载荷工况上支承梁中点挠度为-1.2161mm, 小于许用值, 支承梁能满足驱动装置和传动系统正常工作的需要。

3 电梯升降式钢结构骨架结构的优化

为保证停车库栩结构骨架具有足够的强度、刚度和稳定性, 以结构应力和节点位移不大于许用值作为减轻结构重童设计的约束条件, 即:

式中σmax (X) 、Umax (X) 一结构中的最大应力和最大节点位移, [σ]、[Ux]一结构的许应力和许用节点位移。

对20车位机械式立体停车库钢结构骨架进行了优化设计。设计采用的许用应力为100MPa, 许用位移为4mm。对钢结构骨架角柱、前后侧中间立柱、左右横梁、前后横梁、上下支承梁、左右腹杆、前后腹杆的截面积进行了优化, 可使结构重量降低30%左右。

摘要：设计了立体车库的钢结构骨架, 运用有限元方法对钢结构骨架进行模型化, 按照实际要求对车库的受力情况进行假设, 找出了立体车库的钢结构骨架的最大应力单元和最大变形单元, 它们都小于许用应力和许用变形量, 验证结构设计的可靠性。为进一步降低钢结构骨架的重量, 建立了钢结构骨架的数学模型, 对钢结构骨架进行了优化设计, 使钢结构骨架的整体重量减轻许多, 并提高了电梯升降式车库的经济性。

关键词：电梯车库,钢结构,优化设计,提升系统