基于Workbench的立体车库钢架稳定性分析

韩兵兵, 张功学, 贾争宪

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

立体车库是随着经济的发展，城市人口和车辆增多，停车问题出现后的新型车库，它有着占地少、停车多、投资少、停车方式先进等优点，但其整体为桁架结构，各杆件均承受拉力或压力的作用，在外界扰动作用下很容易发生失稳[1-4].失稳现象会出现在各种承受压力的杆件或桁架系统中，包括立体车库的钢架结构，当钢架中的某个支撑杆或拉杆失稳时，将影响整体的稳定性，甚至导致整体的破坏.因此，在对车库钢架结构进行设计过程中，若不考虑细长杆的失稳现象是很危险的，以往的设计通过经验判断或简单的弯曲刚度计算，但对不同类型钢材的特性来估测使用，并没有详尽的分析与依据[5].对整体进行有限元屈曲分析，可以找出容易失稳部位与失稳的先后顺序，根据失稳规律可以对钢架的局部进行强化或结构改进，从而增加车库的稳定性，因此这样的分析是十分必要的.

1 立体车库车架有限元模型的建立

1.1 结构数据采集

以普通立体车库车架为参考，取载车量为五层六列，车架由6根立柱、20根横梁、10根纵梁和数个拉杆组成，省略车架外围部件、联接部位螺栓、构件倒角等细节，建立立体车库车架模型.车架各构件的具体参数如表1所示.

表1 车架主要部件参数

1.2 有限元模型

利用三维建模软件建立简化后模型如图1所示.

图1(a) 矩形立柱车架简化模型

图1(b) H型车架 简化模型图1 利用三维建模软件建立简化后模型

模型材料为Q235，材料属性如表2所示.

表2 车架材料属性

2 车架稳定性分析

2.1 网格划分及载荷的定义

对整体结构选用三维有限元单元，根据划分网格时规则构件采用六面体单元，不规则形状采用四面体的原则进行网格划分，矩形立柱的节点数和单元数为：549 279 Nodes， 277 454 Elements.矩形立柱车架的网格划分如图2所示.

图2 矩形立柱车架的网格划分

对车架进行载荷的定义，采集的载荷参数如下：系统总承重2 000 kg×30 =60 000 kg，托盘重量2 000×30=60 000 kg，总自重约58 000 kg .载荷加载在车轮所在的横梁对应的四点处，均布载荷.分析过程中考虑风载荷对车架的影响，取十级风速为28 m/s，加载到车架的正面，根据伯努力方程及流体力学知识得风压：

其中：W表示风压；r表示空气的重度，r=ρ×g；v表示风速.

将十级风速28 m/s代入得风压为481 Pa，取车架的正面面积为112 m2得风载荷53.872 KN.

由于车架和底面采用地脚螺栓联接，设置约束时定义为固定约束[6,7].

汇总载荷及约束参数如表3所示.

表3 载荷及约束汇总表

综合上述载荷参数加载方式如图3所示.

图3 载荷及约束定义

图4(a) H型纵向 图4(b) H型横向图4 H型立柱不同布局形式图

2.2 车架屈曲模态分析

在上述载荷及约束的条件下，对矩形立柱、H型(纵)立柱车架(如图4(a)所示)、H型(横)立柱车架(如图4(b)所示)3种形式进行屈曲模态分析和比较.不同类型立柱的车架在相同载荷作用下会产生不同的效果，分析过程中，我们可以得出相同载荷作用下不同立柱车架的载荷因子μ，以此来对不同立柱进行评价[8,9].

Fs=F×μ

(2)

式中Fs表示临界载荷，F为加载的实际载荷，μ为载荷因子.

通过分析，得出载荷因子汇总如表4所示.

表4 不同立柱车架的载荷因子汇总表

分析H型钢纵向放置形式的屈曲模态如图5所示.

图5 纵向H型钢立柱车架1～8阶模态云图

分析H型钢横向放置形式的屈曲模态如图6所示.

图6 横向H型立柱布置1～8阶模态云图

图中标识位置为屈曲位置，Max标识为钢架外前面和左面，max表示钢架后侧面和右面，通过载荷因子汇总表和各阶不同模态云图，我们可以观察车架的屈曲位置和安全系数[10].

2.3 屈曲分析结果

通过分析得出不同屈曲模态的阶数下的变形位置如图5、6所示，并得出结果：

(1)分析各种立柱车架的共同失稳规律，发现车架的主要失稳部位有：前后面中间立柱、中间立柱附近拉杆和两侧面的拉杆.共同失稳有两种趋势，随着载荷的增加，前后中立柱及其附近拉杆自上而下逐步发生失稳，而车架两侧的拉杆自下而上发生失稳.

(2)两种失稳趋势先出现在前后面，随后出现侧面失稳.

(3)通过对比可以发现

①在竖直方向的负载和正面风载荷的作用下，纵向H型钢的立柱表现最好，矩形立柱次之，横向H型立柱最差.

②在正面的风载荷作用下，在立柱上会产生弯矩，纵向安装的立柱更能抵抗弯矩，故正面自上向下失稳得到抑制，而两侧自下而上的失稳提前出现; 绘制不同类型立柱的屈曲曲线图如图7所示.

图7 不同立柱屈曲频率曲线图

通过图7中对比曲线可以看出，不同类型的立柱的钢架结构稳定性是不同的.设计时需谨慎使用.

③矩形立柱的综合性能较好，正面和侧面的失稳交替出现.

④横向安装的H型立柱在侧面抗弯能力较强，正面抗弯能力差，故在正面风载作用下失稳主要出现在正面.

注：不同立柱的截面积近似相等，矩形截面积6 144 mm2，H型截面积6 040 mm2.

3 结束语

论文对立体车库的钢架结构进行了稳定性分析，通过对屈曲频率、屈曲位移和屈曲位置的分析得知：车架的主要失稳部位发生在前后面中间立柱、中间立柱附近拉杆和两侧面的拉杆；共同失稳有两种趋势，随着载荷的增加，前后中立柱及其附近拉杆自上而下逐步发生失稳，而车架两侧的拉杆自下而上发生失稳；对于迎面向，纵向H型立柱表现最优，矩形次之，横向H型最差；对于方形立体车库，矩形最优.这些结论在车库钢架设计中可以起到很好的辅助和指导作用.

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