垂直升降類機械式停車設備的安全評估

蔣 瑜 金 彥 龔 文

上海市特種設備監督檢驗技術研究院 上海 200062

0 引言

近年來，我國經濟飛速發展，2020年人均GDP超過了1萬美元的門檻，居民收入也隨之快速增加，私家車逐漸從高檔消費品降級到普通消費品，成為家庭必備的交通工具，公安部數據顯示2020年全國機動車保有量達3.72億輛，其中汽車2.81億輛，2020年全國新注冊登記機動車3 328萬輛。全國有70個城市的汽車保有量超過百萬輛，同比增加4個城市，31個城市超200萬輛，13個城市超300萬輛，其中北京、成都、重慶超過500萬輛，蘇州、上海、鄭州超過400萬輛，西安、武漢、深圳、東莞、天津、青島、石家莊等7個城市超過300萬輛。隨之而來的就是城市交通擁堵及停車難的問題，而機械式停車設備可以很好地解決停車難的問題。因此，近年來機械式停車設備行業發展迅猛，特別是在一二線城市（上海），已經逐漸成為新樓盤的標配，不論是居民小區，亦或是商業地產，乃至寫字樓。

機械式停車設備按照工作結構及形式劃分為九大類，即升降橫移類、垂直循環類、巷道堆垛類、水平循環類、多層循環類、平面移動類、汽車專用升降機、垂直升降類、簡易升降類[1]。其中升降橫移類(PSH)應用最為廣泛，每類產品各有不同的優缺點，垂直升降類機械式停車設備由于空間利用率更高，結構復雜，造價高，適于城市中心繁華地帶，主要定位高端，是未來高端產品的發展方向[2]。

上海市中心某垂直升降類機械式停車設備已使用20多年，零部件損耗嚴重，且運行故障率較高，故需要進行大修，而鋼結構是垂直升降類機械式停車設備的主要受力結構[3]，故在大修前需對鋼結構進行安全評估。

本文通過ProE軟件建立該垂直升降類機械式停車設備鋼結構的三維模型，導入到Ansys進行網格劃分等前處理，模擬靜載荷試驗，進行靜力學分析，對鋼結構的強度進行校核。通過對鋼結構進行現場應力測試，與有限元分析結果進行對比，綜合評估該垂直升降類機械式停車設備鋼結構的安全性。

1 鋼結構有限元分析

1.1 ProE建立三維模型

依據該垂直升降類機械式停車設備鋼結構的設計圖紙和改造圖紙，鋼結構材料為日標碳素鋼STK400、SM490A，分別相當于國標Q235、Q345碳素鋼，其結構型式為空間桁架結構，各零部件由H形鋼、槽鋼等型鋼構成。在此基礎上進行一定的簡化，在ProE內建立三維模型，如圖1所示。

圖1 鋼結構的三維模型

1.2 Ansys靜力學分析

導入所建立的三維模型的IGS格式文件到Ansys中，首先進行前處理，由于鋼結構都是比較簡單的型鋼，故選擇Ansys內的第一類型實體單元（六面體單元）Solid 185。

網格劃分的類型和數量對有限元仿真的結果影響很大，網格數量越大，仿真的準確性就越高，但對計算機的要求也越高。綜合考慮所需的計算精度和計算規模。本文使用自由網格劃分，劃分好的模型網格如圖2所示。

圖2 模型網格圖

劃分好網格后施加約束，立柱底面通過高強度螺栓與地面固定，側面通過螺栓與建筑物連接，有一定的支撐作用，在模型底面施加全約束，側面螺栓連接處也施加對應方向的約束。

按照最危險工況施加載荷，鋼結構計算的荷載信息包含所有作用在鋼結構上的恒載荷和活載荷。恒載荷包括鋼結構的自重、載車板的自重、卷筒的自重、電機的自重等；活載荷包括汽車的質量、地震載荷等。

恒載荷主要是自重，Ansys中可通過鋼結構的幾何特性、材料屬性獲取鋼結構的質量，然后通過施加相應的重力加速度添加鋼結構的自重，載車板的自重、卷筒的自重、電機的自重等，通過相應的計算轉化成力的常數施加在對應節點上。

活載荷中，汽車的質量按設計載荷的最大值計算，每輛車的質量為2 t，前后按6:4的比例分配，施加在對應節點上；地震載荷的抗震設防烈度取7度，根據GB 50011—2016《建筑抗震設計規范》[4]可知，地面峰值加速度0.1g，地震水平方向影響系數最大值αmax取0.08，結構自振周期T取1.28，阻尼比ζ取0.035，地震豎直方向影響系數α為0.048 2。因此，由地震引起的水平和豎直方向的載荷為其他載荷乘以相應方向的影響系數。

Ansys運行結束后對模型進行后處理，其應力結果直接通過Von Mises等效應力云圖表示。在只考慮自重工況下，有限元分析的結果如圖3所示。在滿載工況下，即考慮自重、汽車質量、地震載荷的工況下，有限元分析的結果如圖4所示。

圖3 自重工況的應力云圖

圖4 完全載荷工況的應力云圖

該鋼結構在自重作用下的最大等效應力約為15.1 MPa，滿載工況下最大等效應力約為84.99 MPa，變形量很小。該鋼結構主要部件的材料相當于國標Q235，其相應的許用應力為235 MPa，則其安全系數達到2.77，故該鋼結構滿足強度要求。

2 應力測試

應力測試的一般步驟：1）設定一個最危險的極端工況進行應力測試；2）選取能產生最大應力的測量點；3）貼片；4）數據采集；5）數據分析；根據鋼結構受力分析與Ansys有限元仿真結果選擇了4個應力測試點如圖5所示。

圖5 應力測試點

本文采用半橋接法，通過無線傳感器采集數據，在滿載工況（即該機械式停車設備停滿汽車的工況下），待信號穩定后，記錄應力數據，重復3次。

2號測試點的應力值最大，為62.63 MPa。由于自重應力難以通過應力測試得到，故依據有限元分析得到自重應力[5]。將應力測試最大應力和有限元分析的自重應力相加與有限元滿載工況下最大應力進行對比（見表1），可知誤差為9.34%，小于10%，考慮到鋼結構模型做了一定的簡化，邊界約束條件和載荷與實際情況并不完全符合，以及應力測試帶有系統誤差和隨機誤差等因素，該誤差在可接受范圍，故應力測試與有限元分析兩者的結果可以互相印證。

表 1 應力測試與有限元分析結果對比 MPa

3 結論

本文對某垂直升降類機械式停車設備的鋼結構進行了安全評估，首先基于ProE建立了鋼結構的三維模型，導入到Ansys中進行了靜力學分析，得到鋼結構在最危險工況下的最大應力值，與應力測試得到最大應力值對比，誤差不到10%，驗證了有限元分析與應力測試結果的可靠性，得到了該鋼結構安全的評估結果。