立體車庫鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

屈意和

摘 要：隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越的汽車進(jìn)入家庭，使得我國城市停車難問題日益加劇。立體車庫成為目前解決停車難問題的重要方式之一，其中以升降橫移式立體車庫應(yīng)用最為廣泛。本次設(shè)計的主要內(nèi)容是小區(qū)自動立體車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計。而自動立體車庫按結(jié)構(gòu)可分為升降橫移類、垂直循環(huán)類、水平循環(huán)類、平面移動類、巷道堆垛類、垂直升降類、簡易升降類等。本文主要對兩層式升降橫移自動立體車庫進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和對關(guān)鍵部位受力分析并校核。四柱結(jié)構(gòu)型式鋼結(jié)構(gòu)車庫由于其結(jié)構(gòu)較為簡單有較大使用范圍，本文對其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。文中主要對自動立體車庫的橫梁，縱梁，支撐柱以及載車板進(jìn)行詳細(xì)的受力分析和校核。另外，本文中的自動立體車庫采用了液壓系統(tǒng)進(jìn)行傳動，區(qū)別與采用電動機(jī)驅(qū)動的自動車庫。由于液壓傳動的優(yōu)點，車庫在升降或是橫移過程中會更加穩(wěn)定，減少了運動中所產(chǎn)生的噪音，使其適用于更多場合。在車庫的設(shè)計中還介紹了車庫運行中重要的安全防護(hù)裝置。

關(guān)鍵詞：立體車庫；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；校核

1.1 本課題研究的內(nèi)容及意義

本課題研究的內(nèi)容是：自動立體車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括自動立體車庫的總體方案設(shè)計，有關(guān)零件部件的選型計算，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核及液壓系統(tǒng)設(shè)計。

本課題研究的意義是：自動立體車庫是我國的新興產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，城市交通擁堵和停車難的問題成了影響城市發(fā)展的重要因素之一，傳統(tǒng)的車庫己經(jīng)不能適應(yīng)城市發(fā)展的要求，再加上我國汽車保有量的不斷增加，自動立體車庫成為解決這一問題的必然途徑[1]。機(jī)械式立體車庫具有空間利用率高，節(jié)省城市有限的土地資源；具有建造成本較低、建造周期較短；車輛停放入車庫快速便捷、自動車庫更加安全，還具有節(jié)約能源等優(yōu)點。同時自動立體車庫還可以在有限的土地上停放更多的車輛，便于集中管理，減少管理費用和人員等的優(yōu)勢，在各個小區(qū)或空地都可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況進(jìn)行立體車庫的建設(shè)，可大大緩解這些地方停車難的問題，這對現(xiàn)在車庫緊張的小區(qū)和其他人員較多的公共場所提供了很好的解決方法。因此，機(jī)械式立體車庫具有廣闊的應(yīng)用前景。

而自動立體車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計是車庫建設(shè)及運行的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計水平與質(zhì)量直接影響到用戶的安全和建造成本。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可最大限度的利用有限的土地空間，緩解城市中停車難的問題。機(jī)械式自動立體車庫種類較多，按照現(xiàn)在立體車庫的發(fā)展，可將它分為巷道堆垛式立體車庫，垂直升降式立體車庫，垂直循環(huán)式立體車庫，圓形水平循環(huán)式立體車庫等。

根據(jù)運行方式和結(jié)構(gòu)特點可分為：升降橫移式立體車庫，水平循環(huán)式立體車庫，垂直循環(huán)式立體車庫，多層循環(huán)式立體車庫，堆垛式立體車庫，平面移動式立體車庫，垂直升降式立體車庫，簡易升降式立體車庫等九大類[2]。

1.2國內(nèi)外的發(fā)展概況

1.2.1 國外的發(fā)展?fàn)顩r

立體車庫存取車機(jī)械裝置使用最廣泛的是日本，因為日本土地可用面積比較小，所以對生活占地面積的規(guī)劃也有很深入的研究，在這個基礎(chǔ)商上就發(fā)明了立體車庫存取車機(jī)械裝置這種占地面積小，可停放車輛多的裝置。如今的日本在立體車庫存取車機(jī)械裝置方面的研究也算是全世界前幾名了。日本國家目前采用的普遍是升降橫移式的立體車庫存取車機(jī)械裝置。受到日本立體車庫存取車機(jī)械裝置發(fā)展的印象，韓國在這方面的研究也是名列前茅的，在上個世界九十年代韓國的立體車庫存取車機(jī)械裝置就已經(jīng)是大規(guī)模的使用了。主要原因還是因為韓國政府對立體車庫存取車機(jī)械裝置的大力支持。

但是立體車庫存取車機(jī)械裝置最早被發(fā)明，還是在美國，在20世紀(jì)二十年代的時候，美國就發(fā)明出了地球上第一個立體車庫存取車機(jī)械裝置。隨著時間的慢慢推移，科技技術(shù)的先進(jìn)發(fā)展進(jìn)步中，立體車庫存取車機(jī)械裝置在全世界的使用范圍也越來越廣泛了。并且對立體車庫存取車機(jī)械裝置形成了一個行業(yè)化的趨勢。

1.2.2 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國在立體車庫存取車機(jī)械裝置方面得而房展也是近幾年才開始嶄露頭角的。在大城市里，因為私家車的數(shù)量越來越多，也引發(fā)了停車位嚴(yán)重不夠用的現(xiàn)象，所以我國也引入了立體車庫存取車機(jī)械裝置來解決這樣的問題。但是我國的立體車庫存取車機(jī)械裝置研究技術(shù)比起國外發(fā)達(dá)國家而言，還是比較落后的，而且只能依靠自己的力量來研究，所以起步還是比較苦難的。

盡管如此，我國目前的立體車庫存取車機(jī)械裝置發(fā)展還是不夠完善，因為立體車庫存取車機(jī)械裝置都是引進(jìn)國外技術(shù)，并沒有自己掌握其中的技術(shù)，所以種類也很單一，不能改善成符合我國自己國情的改造。而且一些企業(yè)為了自身利益，在市場進(jìn)行惡性競爭，導(dǎo)致我國在立體車庫存取車機(jī)械裝置的研究只停留在金錢方面，在技術(shù)方面沒有明確的進(jìn)步現(xiàn)象。

2 自動立體車庫的總體設(shè)計方案

目前，立體車庫主要有以下幾種形式：升降橫移式、垂直循環(huán)式、簡易升降式、垂直升降式、平面移動式、巷道堆垛式[14]。而在中國使用較多的是升降橫移式自動立體車庫和簡易升降式車庫，升降橫移式自動立體車庫具有存取車快捷便利，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。而簡易升降式車庫所能停車輛數(shù)量較少不適合較大規(guī)模應(yīng)用，無法滿足較大空間的大規(guī)模布置。此次論文主題是以巷道堆垛式立體車庫進(jìn)行設(shè)計。

2.1 巷道堆垛自動立體車庫選型

按車位布置形式分可分為全地上布置，半地下布置，重列式布置。全地上布置：有二層、三層、四層、五層，一般不超過五層，但也七層以上的，有的還做到了18層，但相對于低層提升速度要提高以保證客戶使用要求。半地下布置：這種布置形式比全地上布置能多建車位，空間利用率高，但土建投資大。重列式布置：（對于只能設(shè)置一個車道，或設(shè)置兩個車道太浪費，但有能停放兩排或兩排以上車輛長度的停車位時，可用這種方式布置）這種布置可充分利用平面減少車道占地，但進(jìn)出車較麻煩一些。

由于車庫要求結(jié)構(gòu)簡單充分利用土地，所以選擇第四柱結(jié)構(gòu)型式的兩層立體車庫進(jìn)行設(shè)計。

2.2 自動立體車庫提升方式的選擇

立體車庫的提升方式有六種：

（1）鋼絲繩式提升型式

（2）鏈條式提升型式

（3）液壓式提升型式

（4）螺桿式提升型式

（5）液壓馬達(dá)、鋼絲繩組合提升型式

（6）鏈條、鋼絲繩組合提升型式

而車庫選用液壓馬達(dá)、鋼絲繩組合提升型式，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、低速平穩(wěn)性好，并且產(chǎn)生噪音低。

2.3 自動立體車庫的設(shè)計參數(shù)

（1）停車位設(shè)計最大尺寸5200mm×2250mm×1600mm；

（2）最大停車質(zhì)量為1800kg；

（3）車庫共兩層上成層可停放3輛車，下層可停放2輛車，車庫使用PLC進(jìn)行控制；

（4）車庫載車板提升時間 10s；

（5）下層載車板橫移時間 10s。

自動立體車庫主體框架鋼結(jié)構(gòu)由前、后支撐柱，前、后橫梁，縱梁等組成。傳動系統(tǒng)安裝在主體框架的縱梁與后立柱上，包含液壓缸，傳動的鏈條鏈輪，鏈條張緊裝置和鋼絲繩。載車板與鋼絲繩相連進(jìn)行提升，而下層載車板通過電機(jī)和導(dǎo)軌進(jìn)行橫移。自動立體車庫必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，才能安全穩(wěn)定工作。升降橫移式自動立體車庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括：主體框架、傳動系統(tǒng)、載車板及安全防護(hù)裝置。

3自動立體車庫結(jié)構(gòu)分析

3.1自動立體車庫鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

立體車庫一般主要以鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土為主，在車庫中可選用鋼架結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土。鋼架結(jié)構(gòu)與其它建筑結(jié)構(gòu)相比，具有可靠性高，材料的強(qiáng)度高，鋼結(jié)構(gòu)自重小，材料的塑性和韌性好，鋼結(jié)構(gòu)制造簡便，施工工期短等優(yōu)點。而使用鋼筋混凝土建設(shè)車庫，建設(shè)周期過長同時也無法滿足其精度要求。由于自動立體車庫對其結(jié)構(gòu)精度要求比較高，所以選用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

3.1.1支撐柱設(shè)計

1.支撐柱受力分析

車庫停放車輛最大質(zhì)量為1800kg，

其車輛前后輪載荷以3：2分布進(jìn)行計算；

載車板質(zhì)量約為600kg；

每個車位滿載為2400kg；

式為車庫受力計算；

其中 為前支撐柱所受的力；

其中 為前支撐柱所受的力。

當(dāng)車庫滿載時支撐柱的受力：

式為車庫受力計算。

，所以對前支撐柱進(jìn)行校核。

由于支撐柱主要受壓應(yīng)力和剪切力作用，而支撐柱受剪切力影響較小，所以主要對支撐柱的壓應(yīng)力進(jìn)行校核和穩(wěn)定性分析。

2.支撐柱的材料選擇和校核

根據(jù)《材料力學(xué)》附錄Ⅱ表4，選用20a熱軋工字鋼（GB 706—88）[15]，材料使用Q235A；

式為支撐柱屈服強(qiáng)度公式。

支撐柱屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于7.08Mpa，所以符合屈服強(qiáng)度要求。

支撐柱的穩(wěn)定性校核：

壓桿的長度因數(shù) ，由于壓桿的約束條件是一端固定一端自由，所以 ；

慣性半徑 ；

支撐柱長度 ；

支撐柱的柔度：

式為支撐柱的柔度計算公式。

根據(jù)《材料力學(xué)》表9.2：

式為直線公式的最小柔度計算公式。

支撐柱的柔度 大于 和 ， ，則前立柱屬于細(xì)長桿，應(yīng)按歐拉公式計算臨界載荷 。

立柱的工作載荷 ；

由歐拉公式求得臨界壓力；

金屬結(jié)構(gòu)中的壓桿安全系數(shù)

式 為臨界壓力計算公式。

前支撐柱的穩(wěn)定安全系數(shù)

式安全系數(shù)計算公式。

所以滿足穩(wěn)定要求。

3.1.2橫梁受力分析

橫梁主要受載車板和汽車重量所產(chǎn)生的拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用，根據(jù)《材料力學(xué)》附錄Ⅱ表4，選用20a熱軋工字鋼（GB 706—88），材料使用Q235A

橫梁圖紙所示其總長度為 ，縱梁以 的間距分別連接與橫梁上，通過螺栓進(jìn)行連接。對橫梁進(jìn)行受力分析，并繪制受力簡化圖，如圖所示。

根據(jù)圖所示由靜力平衡方程式求出A，B兩點處的支反力 和 ：

前橫梁受力：

式為前橫梁受力計算公式。

后橫梁受力：

式為后橫梁受力計算公式。

由于前橫梁所受的力大于后橫梁所受的力，所以對前橫梁進(jìn)行校核。

式為AB兩點支反力計算公式。

四個集中力作用在截面上的彎矩分別為

式為橫梁彎矩計算公式。

從圖中可得最大彎矩

式為橫梁彎曲許用應(yīng)力計算公式。

符合彎曲許用應(yīng)力條件。

校核梁的切應(yīng)力

查表得 ； 。

由剪力圖得：，代入切應(yīng)力強(qiáng)度條件，

式為橫梁切許用應(yīng)力計算公式。

進(jìn)過校核橫梁滿足正應(yīng)力和切應(yīng)力強(qiáng)度條件。

3.1.3載車板受力分析校核

根據(jù)《材料力學(xué)》附錄Ⅱ表4，選用14b熱軋槽鋼（GB 706—88），材料使用Q235A；

載車板的總長度為5.5m，而載車板受到力為 ，受力的長度為 。對載車板進(jìn)行彎曲變形校核。

對載車板受力分析，如圖所示：

上層載車板使用鋼絲進(jìn)行固定升降，其載重后不能變形過大，

否則會影響其正常運行，對車輛安全產(chǎn)生影響。所以對載車板進(jìn)行校核。

根據(jù)材料力學(xué)書，

撓曲方程為：

式為撓曲計算公式。

最大撓度為：

式為最大撓曲計算公式。

其中彈性模量 ；

慣性矩 ， ， ；

受力長度 ；

計算得： ；

經(jīng)校核后載車板的變形量僅為 ，滿足要求。

載車板的強(qiáng)度校核：

式為彎矩計算公式。

查材料力學(xué)附錄表3，

最大應(yīng)力為：

式為載車板強(qiáng)度校核計算公式。

所以載車板使用14b熱軋槽鋼滿足強(qiáng)度要求，同時也滿足撓度要求。

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作者簡介

劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ[M].北京：高等教育出版社，2004.

（作者單位：機(jī)械與材料工程學(xué)院）