立体车库钢结构骨架的受力分析与结构优化

作者：荆友录,山东交通学院汽车工程系。国兴玉，山东交通学院工程机械系。

　　立体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,对车库钢结构骨架进行合理的分析和结构优化特别重要。

　　1.立体车库钢结构骨架基本结构
　　立体停车库钢结构承载框架(见图1、图2)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量来适当加减层数。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,高度为1.5m。本课题的车库设计容量为20辆,需要10层停车标准单元,车库总层数为12层,总高度为26.1m。2根升降吊笼导轨作对角布置,固定在立柱6上。钢结构分段制造,现场用高强度螺栓拼装。

　　2.立体停车库钢结构骨架的结构分析
　　2.1立体停车库钢结构骨架的模型化
　　整个停车库钢结构骨架复杂,很难准确地建立其受力情况的基本方程。应用有限元法可以对整个停车库钢结构骨架的受力做出正确的分析。有限元分析的基础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有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而成,对它进行单元划分比较容易,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钢结构的安装情况。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。建立的钢结构力学模型如图1所示,整个车库钢结构骨架共有330个单元,172个节点。
　　2.2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、地震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。按基本载荷作用情况,将停车库钢结构骨架结构分析的计算工况分为表1所示的4种工况。
　　2.3进行受力分析的基本假设
　　……
　　2.4钢结构骨架的受力分析
　　……
　　2.5钢结构骨架的变形分析
　　……

　　3.钢结构骨架结构的优化
　　3.1结构优化设计模型的建立
　　停车库钢结构骨架结构由许多构件组成,为简化计算和减小构件尺寸规格,将结构分为7组单元,其中梁单元5组,杆单元2组,同一组单元截面积相等。优化设计变量为构件面积,并按型钢规格取离散值。设计变量为Ｘ=[ｘ1,ｘ2,ｘ3,ｘ4,ｘ5,ｘ6,ｘ7],
式中ｘ1～ｘ5为第1～5组梁单元的截面积,ｘ6～ｘ7为第1,2组杆单元的截面积。
　　……

　　3.2优化结果及分析
　　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。
优化设计与原设计方案结果比较见表4。表中ｘ1～ｘ7分别为钢结构骨架角柱、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。从表4可以看出,应用增广乘子法得到的优化设计方案较原方案有很大的改进,可使结构重量降低30%左右。