狹窄空間空中停車安全技術(shù)研究及應(yīng)用

孫尚貞 姚愛民 田靜

摘 要：車庫承重主體為兩側(cè)懸臂載車板，通過計算主體和載車板的抗風(fēng)及抗震能力，并對其進行有限元分析，保證車庫安全性能。選用載車板的材料時，可以選取輕量化的材料，但強度必須可靠。同時分析了車庫在安全保護功能的各方面需求，簡述了各類型的安全保護傳感器及裝置在車庫上的應(yīng)用。保證行人及車輛在停車時的安全。

關(guān)鍵詞：立體停車;材料的輕量化;安全保護;安全技術(shù)

中圖分類號：TU248.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）05-0112-06

0 引言

在城市鬧市區(qū)及老舊巷道等狹窄空間停車，早期的規(guī)劃很少有充足的停車位，車輛大概率會被停到道路的單側(cè)或兩側(cè)，造成狹窄的地方巷道，變得更加擁堵[1-6]。在此基礎(chǔ)上考慮，結(jié)合大樹的空間結(jié)構(gòu)，設(shè)計一種類似樹狀機械式立體車庫，在地面只引出一個占面積很小的框架向上方延伸，地面向上至少2.5 m空間內(nèi)不設(shè)任何裝置，高處空間載車板兩側(cè)懸臂空中停車解決停車問題。對安全性要求極高，車庫主體高達23 m，橫向載車板懸臂長度達2.4 m，每個載車板載重額定3 t，所以運用的材料均要求高強輕型，結(jié)構(gòu)設(shè)計符合最佳理論力學(xué)特性;車庫的運行頻率很高，對于安全保護功能要求齊全可靠，考慮一切可能發(fā)生的事情，做到安全防護到位[7]。

1 主框架結(jié)構(gòu)安全計算

1.1 材料及許用應(yīng)力

整機鋼結(jié)構(gòu)主要材料為Q235B，根據(jù)GB/T3811-2008《起重機設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，鋼材的基本許用應(yīng)力為 ? ? ? ? ? ?。安全系數(shù)n取1.5，材料的基本許用應(yīng)力值[σ] = 156.67MPa[8]。

1.2 理論計算分析

按照設(shè)計該停車庫可以停放20輛汽車，載車板連同車輛在一起時3 000 kg，車輛與載車板的重心落在中軸線上。車輛和載車板放在一起的重心距離立柱的中性軸的距離應(yīng)為1.9 m從而一輛車對立柱的力偶Me為：

Me=1.9×30000=57000N·m

依據(jù)現(xiàn)在國內(nèi)大部分車輛的高度每層之間的間隔暫時定為f=2.1 m，其中包括了停放車輛時所預(yù)留出來的寬度，從地面到第一層的高度暫時定為f1=2.1 m。故立柱總的高度為：

H=2.1×10=21 m ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：H為立柱的高度。

由材料力學(xué)撓曲線微分方程及疊加原理可以計算出立柱在極限偏載情況下頂端的位移量：

（2）

式中：ωB為懸臂梁端部受力偶作用端部的撓度;Me為力偶大小;L為懸臂梁長度;E為彈性模量;I為截面慣性矩。

端部轉(zhuǎn)角：

（3）

式中：Me為力偶大小;L為懸臂梁長度;E為彈性模量;I為截面慣性矩，其中位移是以立柱的慣性矩為變量的函數(shù)記為：W（IZ）。

如圖1所示為立柱的受力簡圖，從左到右分別記他們?yōu)镸1、M2…M10。每一個力偶都是由車輛和載車板的自重引起的，他們都相等。每一個力偶對立柱產(chǎn)生的撓度記為ωj，j=1，2…11。端部扭轉(zhuǎn)角所造成的剩余部分立柱的端部所產(chǎn)生的位移記為Sk，k=1、2…11.每一個力偶所引起的端面的轉(zhuǎn)角記為θk，k=1、2…11。規(guī)定從地面開始每去掉一層的立柱余下的部分稱之為剩余長度Li，其中i為去掉的層數(shù)。

Li=H-2.1×i ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

總的撓度為：

（5）

各截面轉(zhuǎn)角為：

（6）

轉(zhuǎn)角引起的撓度為：

Sk=sinθk×Li ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

故端部的撓度為：

（8）

起重機設(shè)計規(guī)范（GB/T 3811-2008）里對于立柱這類起重設(shè)備其端部的位移應(yīng)不大于高度的1.34%也就是：

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

根據(jù)圖紙尺寸計算得出Iz：

（10）

求三層車庫變形量，代入數(shù)據(jù)得：

（11）

1.3 有限元分析

1.3.1 模型建立原則

主框架結(jié)構(gòu)主要為矩形管焊接結(jié)構(gòu)。前后框架通過橫梁、拉桿等焊接連接。主框架結(jié)構(gòu)通過地腳螺栓連接在地基基礎(chǔ)上。建立有限元模型所遵循的原則如下：主框架模型建立采取簡化處理，對于整體結(jié)構(gòu)性能影響不大的零件不予考慮;對模型采用六面體進行網(wǎng)格劃分;為保證焊接工藝而設(shè)計的板邊緣對計算結(jié)果影響很小，建立模型時不予考慮。

1.3.2 有限元模型及邊界條件

有限元模型，見圖2。節(jié)點數(shù)：248 451個，單元數(shù)：73 620。

邊界條件，見圖3。在主框架兩塊地板施加UX、UY、UZ、RX、RY、RZ約束。

圖4中A為固定約束，E為引力，B、C、D、F、G、H為兩側(cè)載車板及車輛的質(zhì)量，I為前側(cè)旋轉(zhuǎn)臂質(zhì)量。

1.3.3 工況計算及結(jié)果分析

工況一：立體車庫滿載應(yīng)力分布見圖5，滿載位移分布見圖6。最大應(yīng)力值為37.151 MPa，符合設(shè)計要求。最大位移量為0.85199 mm，剛度變形小，整體剛度較好。滿足要求。

工況二：立體車庫一側(cè)偏載應(yīng)力分布見圖7，偏載位移分布見圖8。最大應(yīng)力值為152.32 MPa，符合設(shè)計要求。最大位移量為16.078 mm，剛度變形較小，整體剛度較好。滿足要求。

2 安全保護傳感器及裝置的應(yīng)用

新型的立體停車庫的構(gòu)造及其停車方式可滿足狹窄空間的基本要求，運用人體檢測，車牌識別、車身檢測、地感線圈、紅外射線、接近感應(yīng)以及各類機械式保護機關(guān)，組成安全防護的系統(tǒng)。

2.1 空中停車庫的基本防護需求

一般可設(shè)立在單向或雙向車道的順行側(cè)向位置，由于采取無底層機械柵欄的開放式結(jié)構(gòu)（或采用電子?xùn)艡冢?，為保障車庫安全運行和存取車輛的有序進行，應(yīng)設(shè)置必要的環(huán)境限制標(biāo)示和防護裝置，避免車倆和人員的傷害[9]。

根據(jù)車庫結(jié)構(gòu)和工作原理，當(dāng)車輛進入停車等待區(qū)時，地感線圈感應(yīng)并提醒乘員是否存車，若確定存車（按鍵或遙控器指令），當(dāng)車庫收到存車指令后，車輛限位指示牌（或限位道閘）工作指示，然后車庫自動運行，當(dāng)載車板接近地面2 m時（參考）下降探測器工作，檢測載車板下方區(qū)域是否有人員和物體存在，如環(huán)境沒有障礙，載車板自主下降，下限位器工作，載車板就位;此時等待區(qū)道閘或指示牌工作指示，車輛駛?cè)胼d車板，限位器警示就位，當(dāng)人員離位，并檢測環(huán)境安全后，觸發(fā)車庫工作，自主停放車輛，完成存車，指示牌提醒車位號，提示人員離開。需要取車時人員按下取車鍵號，庫自動檢測環(huán)境（同上）運行到位，人員取車后，載車板自動復(fù)位;若同時有存車指令，車庫等待存車。

2.2 機械式空中停車庫的運行安全檢測防護要點

機械式空中停車庫主要采取自動檢測環(huán)境、自動警示人員和自動控制車庫運行的防護策略，利用聲、光、電、磁檢測技術(shù)和自動控制技術(shù)，實現(xiàn)人機系統(tǒng)結(jié)合，優(yōu)化和完善車庫運行步驟程序，提高防護能力和可靠性[10-11]。

車輛入庫過程與防護車輛入庫等待位置檢測、載車板下降環(huán)境檢測、載車板位置檢測、車輛進入載車板就位檢測、人員離開車輛檢測、環(huán)境安全監(jiān)測、車庫運行檢測。

車輛出庫過程與防護載車板下降環(huán)境檢測、載車板位置檢測、人員和車輛離開載車板檢測、環(huán)境安全監(jiān)測、車庫運行檢測、載車板復(fù)位檢測。

靜態(tài)常規(guī)防護。明確、醒目的警示牌和地標(biāo)指示。

車輛正常通過道路時如不需要存車指示牌警示“車庫位置，盡快離開”。當(dāng)取車付費和存車指令同步時，應(yīng)取車指令優(yōu)先執(zhí)行。車輛排隊與通行，載車板升起到2 m后，通行車輛可放行，存車車輛待車區(qū)等待。

緊急異常狀態(tài)防護與恢復(fù)。緊急情況下，應(yīng)具有應(yīng)急停車裝置按鈕，應(yīng)急狀態(tài)消除后車庫可自動恢復(fù)正常工作。具備傳感器異常狀態(tài)檢測報警指示，車輛存取狀態(tài)顯示等功能。

中斷與延時狀態(tài)檢測，系統(tǒng)自檢與復(fù)位。

突然停電情況下不影響道路的正常通行。（載車板處于地面位置時道路通行不受影響）。

2.3 機械式空中停車庫安全裝置與控制過程研究應(yīng)用

超聲波或光電傳感器安裝與檢測。環(huán)境與裝置安裝見示意圖9。

載車板運行中下行過程中下方物體人員檢測可以采用紅外或雷達傳感器，車輛位置檢測，可采用單向漫反射傳感器，以及限高檢測，具體安裝方式根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和車庫機構(gòu)動作位置軌跡確定。

探測器A、B可安裝于轉(zhuǎn)臺托臂上，探測器C、D可利用梁架安裝，以減少傳感器數(shù)量和移動電纜，并避免環(huán)境探測和車輛死區(qū)。應(yīng)選擇工作可靠的抗環(huán)境干擾能力較好的戶外工業(yè)傳感器。感應(yīng)線圈可采用限速帶式或側(cè)位式。

平臺閉鎖裝置。升降平臺與滑軌防墜閉鎖，鏈條連接器被動式重力閉鎖器（見圖10），失測速防鏈條斷裂電磁閉鎖器（或采用鏈?zhǔn)饺嵝宰詽q緊器，見圖11）以及鋼架預(yù)應(yīng)力阻尼穩(wěn)定器（見圖12）。

3 結(jié)論

本文從狹窄空間空中停車庫的主體框架的安全計算和安全保護傳感器及裝置兩方面，進行論述安全技術(shù)研究及應(yīng)用。通過建模及工況計算結(jié)果，經(jīng)簡化過后的模型整體應(yīng)力值分布均勻，均在許可應(yīng)力156.67 MPa以下，整體剛度變形較小，滿足設(shè)計要求。將停車庫在狹窄擁堵的空間安全保護功能全面考慮，并設(shè)置相應(yīng)傳感器及裝置，最大化的保證停車技術(shù)的有效應(yīng)用。

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