某超高層塔式立體車庫力學性能分析

解健釗

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

自改革開放以來，我國經濟水平迅速發展，擁有車輛的人群比例急速升高，與此同時，停車難的問題愈發嚴峻起來[1]，在各大城市建造塔式立體車庫應當提上城市建設規劃的日程。由于塔式立體車庫可以建成高層甚至是超高層，因此空間的利用率極高，停車位不足的問題將得到極大的緩解。此外，塔式立體車庫的控制系統智能先進，運轉效率高，運行平穩，司機存取車也更加方便快捷，提車停車也無需掉頭，可以更加方便的停車取車[2]。

自動立體車庫系統在全球的各個國家發展程度不一，主要體現為發達國家居于領先地位，發展中國家較為落后。發達國家中以德國和日本為首，其中德國在多層(包括2層)立體車庫的基礎上研發了包括H型，V型額U型不同類型的車庫[3]。步入新世紀以來，在國內開始舉辦停車系統類的展覽。2006年在上海舉辦的智能系統展覽會上展出的設備，引來了來自全球各個發達國家的知名設備商并獲得廣泛的認可。雖然目前國內的建設處于發展中階段，但是已經有很多種國外的立體車庫裝備出現在國內[4]。目前國內的車庫類型主要分為3種：建筑式，機械式，建筑機械混合式。其中機械式立體停車庫又衍生出多重類型：垂直循環式[5]，多層循環式[6]，水平循環式[7]，升降橫移式[8]，升降導軌式[9]。

這些立體車庫也有自己的不足，歸納如下:①設備復雜成本太高。②由于設備太大只能用于大型停車場，面積較小的地方不能使用。面臨著停車難愈發嚴峻的問題和土地資源緊缺的情況下，使用高層立體停車庫裝備是經濟的、妥善的選擇，同樣的其發展前景將是無限樂觀的。

1 塔庫模型及荷載條件

1.1 塔庫模型

塔式立體車庫在型鋼的選擇上可以多種多樣，可以選用工字鋼、H型鋼、槽剛、方鋼等，本文塔式車庫的立柱和橫梁選用的是熱軋H型鋼，這是由于H型鋼腹板厚度相對較薄，抗彎強度較大，其結構在X、Y軸方向上也是對稱的，在截面慣性矩相差不大的情況下，H型鋼比其他類型的鋼材可以更加節約鋼材，此外，H型鋼也與其他構件連接安裝也比較方便。斜撐輔助立柱支持整個結構壓力，同時具有防止結構變形的作用，考慮諸多綜合因素，選用槽鋼較為合適。鋼材選用Q345低合金高強度鋼材，許用應力為290MPa。本文中的塔式車庫是用來停放小型轎車及輕型車，其基本尺寸及自重如表1所列。

表1 車輛基本尺寸及自重

由表1可見，車輛最大長度為5.08m，最大寬度為1.85m，同時考慮車輛在載車板前后左右的方向各留下0.1m的安全空間，載車板的長寬尺寸即可確定，如圖1所示。

圖1載車板尺寸

圖2 塔式車庫有限元網格模型

塔式立體車庫分為4個模塊：地下安裝層、出入車輛層、存放車輛層、頂層。本文設計中地下安裝層設置為1.5m，出入車輛層設置為2.2m，存放車輛層設置為1.7m，頂層模塊存放載車板的起升裝置，設置為2.0m。此次建模采用實體單元，采用自由劃分四面體單元。單元類型為C3D10M，單元數1779625個，節點數為3580909。有限元網格模型如圖2所示。

1.2 荷載條件及約束

塔式車庫主要受自重恒載，車輛活載，風荷載等載荷的作用，其中車輛和載車板的重量之和通過表1可取為1800kg，模型中將此荷載均分到四個立柱，每個立柱承受450kg的車輛活載。風荷載大小取八級風力，作為水平方向荷載施加在車庫結構上。車庫底部有1.2m埋入土體內與下部基礎相連接，所以將車庫模型下1.2m設置為固定約束。

本次采用的3種工況分別為：(工況1).自重荷載+滿活載+風荷載。(工況2).自重荷載+風荷載。(工況3).自重荷載+偏活載(即將一半的荷載施加在與風荷載施加面不相鄰的另一半上)+風荷載。

2 力學性能分析

通過ABAQUS計算分析得到3種工況下總的應力云圖如圖3所示。

圖3 3種工況應力云圖

表2 三種工況下最大應力

通過對上述計算結果分析發現：工況1即施加自重荷載+風荷載+滿活載所受應力較另外2種情況下應力更大，所以滿載情況下車庫受力最危險。從這3張圖中可以看出，應力較為集中的地方為風荷載作用面對面處的立柱，越向下受力越大。風荷載作用側面的斜撐較正面斜撐受力大。而靠近頂部的地方受力明顯偏小。為了更加直觀看出3種工況下結構的應力情況，將3種工況下最大應力列出如表2所列。

通過以上分析可知，3種荷載組合的工況下的應力大小均小于許用值，說明塔式立體車庫結構設計方案在可以滿足結構強度要求。

3 結 論

本文使用ABAQUS軟件計算分析了超高層塔式立體車庫在3種工況下的應力情況，得出的結論如下：①3種荷載組合的工況下最大應力均出現在底層的立柱與橫梁的連接處，此處節點在車庫正常使用過程中安全檢測時應特別注意。②針對塔式立體車庫，偏載對框架變形與應力影響顯著，因此當較多的車輛進入車庫時，應盡量對稱布置，避免停車聚集于一側。③從應力云圖可以清晰地看出，在各種工況的荷載組合作用下，越往塔式車庫底層方向結構所受應力越大，因此塔式立體車庫的結構設計可以考慮底部鋼材強度需要更大，上層鋼材強度可以酌情減小。