机械式立体车库结构性能优化与受力特性研究

引言：

随着城市化进程的加速，城市汽车保有量迅速增长，停车难问题日益突出。机械式立体车库作为一种高效利用空间的停车解决方案，在城市中得到了广泛应用。深圳宝安新桥新二立体车库便是其中之一，对其横移框及钢架选型进行深入研究，对于优化立体车库结构性能、提高其安全性和稳定性具有重要意义。通过对该立体车库的研究，不仅能为其自身的建设和运营提供科学依据，还能为其他类似立体车库的设计和建设提供参考，推动机械式立体车库行业的发展。

1 深圳宝安新桥新二立体车库项目概述

1.1 项目背景与意义

深圳作为我国经济发达的一线城市，人口密集，汽车保有量持续攀升。宝安新桥新二区域的停车需求尤为迫切，传统的平面停车场已无法满足日益增长的停车需求。机械式立体车库的建设成为解决该区域停车难题的关键举措。新桥新二立体车库的建设，能有效缓解周边居民和商业区域的停车压力，提升城市空间利用率，改善城市交通环境，对促进区域经济发展和提升居民生活质量具有重要意义。

1.2 车库基本信息

该立体车库采用升降横移类机械式停车设备，共5 层，设备设计耐久年限为30 年，防火分类为Ⅳ类，耐火等级不低于Ⅲ级，结构形式为钢结构。车库主要由钢结构框架、横移框架、纵移框架、载车台、提升装置、电气及自动控制系统、自动检测系统等部分组成。

2 横移框及钢架选型的重要性

2.1 对车库整体性能的影响

横移框及钢架作为车库的关键结构部件，其选型直接影响车库的整体性能。合理的横移框及钢架选型能够确保车库在承受车辆荷载、风荷载、地震作用等各种外力时，结构稳定，不发生变形、破坏等情况，从而保证车库的正常运行和使用寿命。若横移框及钢架选型不当，可能导致结构刚度不足，在车辆频繁进出和外力作用下产生过大变形，影响载车板的正常运行，甚至引发安全事故。此外，选型不合理还可能导致结构强度不够，无法承受设计荷载，危及车库和车辆安全。因此，科学合理地选择横移框及钢架对于提高车库整体性能、保障其安全可靠运行具有重要意义。

2.2 在满足安全与功能需求中的作用

在安全方面，合适的横移框及钢架能够有效分散和承受各种荷载，避免结构局部应力集中，防止结构破坏和倒塌，为车辆和人员提供安全的停放和操作环境。在功能方面，其选型应满足车库的存取车效率要求，确保载车板能够平稳、快速地升降和横移，提高停车周转率。例如，选用高强度、轻质的钢材制作横移框和钢架，既能保证结构安全，又能减轻结构自重，降低传动系统的负荷，提高设备运行效率。同时，合理的结构设计还能优化车库内部空间布局，增加停车位数量，提高空间利用率，更好地满足停车需求。

3 机械式立体车库结构性能优化

3.1 结构优化的必要性

传统的机械式立体车库结构在实际使用中可能存在一些问题，如空间利用率不高、结构稳定性不足、材料浪费等。随着技术的发展和需求的提高，对立体车库结构进行优化势在必行。优化后的结构可以提高空间利用率，增加停车数量；增强结构的稳定性和安全性，减少事故隐患；降低材料消耗和建造成本，提高经济效益。

3.2 优化目标与原则

优化目标主要包括提高结构的承载能力、增强结构的稳定性、降低结构自重、提高空间利用率等。在优化过程中，遵循安全性、经济性、实用性和环保性原则。安全性是首要原则，确保结构在各种工况下都能安全可靠运行；经济性要求在满足安全和使用要求的前提下，尽量降低成本；实用性保证结构便于安装、维护和使用；环保性注重减少对环境的影响，如降低能耗、减少废弃物等。

3.3 具体优化措施

3.3.1 材料选择优化

选用高强度、轻质的钢材，如Q345B 等低合金高强度钢代替普通碳素结构钢 Q235B 。Q345B 钢具有更高的屈服强度和抗拉强度，在相同承载能力要求下，可减少钢材用量，降低结构自重。同时，这种钢材的耐腐蚀性和疲劳性能也较好，能延长车库的使用寿命。

3.3.2 截面形状优化

对于立柱、横梁等主要受力构件，采用合理的截面形状。如将矩形管、方管优化为异形截面管，增加截面的惯性矩和抵抗矩，提高构件的抗弯和抗扭能力。对于承受较大压力的立柱，采用圆形截面管，可使应力分布更加均匀，提高立柱的稳定性。

3.3.3 连接方式优化

采用先进的连接技术，如高强度螺栓连接代替部分焊接连接。高强度螺栓连接施工方便，质量易于控制，且具有较好的延性和耗能能力，能提高结构的抗震性能。在一些重要部位，如立柱与基础的连接，采用锚栓连接，并增加垫板和螺母的数量，提高连接的可靠性。

4 机械式立体车库受力特性研究

4.1 车库在不同工况下的受力分析

在恒载工况下，车库结构主要承受自身结构重量和载车板上车辆的重量。立柱、横梁和纵梁等构件主要承受压力和弯矩，结构的变形主要表现为竖向位移。在活载工况下，考虑车辆的进出、停放等动态作用，结构会产生额外的动荷载。动荷载会使结构的应力和变形增大，尤其是在车辆启动和停止的瞬间，对结构的冲击力较大。风荷载作用下，车库结构会受到水平方向的风力。迎风面的立柱和横梁承受压力，背风面的立柱和横梁承受拉力，结构会产生水平位移和扭转。风荷载的大小和方向会随着风速和风向的变化而变化，对结构的影响较为复杂。地震作用下，车库结构会受到惯性力的作用。结构的各个构件会产生较大的内力和变形，尤其是在地震波的作用下，结构会发生共振，导致结构的破坏。地震作用是车库结构设计中需要重点考虑的荷载工况之一。

4.2 关键构件的受力特性与失效模式

立柱是车库结构的主要承重构件，承受着上部结构传来的竖向荷载和水平荷载。立柱的失效模式主要有压弯破坏和失稳破坏。当立柱承受的压力和弯矩超过其承载能力时，会发生压弯破坏；当立柱的长细比过大，在压力作用下会发生失稳破坏。横梁主要承受竖向荷载和水平荷载，其失效模式主要有弯曲破坏和剪切破坏。当横梁承受的弯矩超过其抗弯能力时，会发生弯曲破坏；当横梁承受的剪力超过其抗剪能力时，会发生剪切破坏。纵梁主要承受纵向的拉力和压力，其失效模式主要有拉伸破坏和压缩破坏。当纵梁承受的拉力或压力超过其承载能力时，会发生相应的破坏。载车板主要承受车辆的重量和动荷载，其失效模式主要有局部屈曲和疲劳破坏。在长期的车辆荷载作用下，载车板的局部区域会发生屈曲变形；同时，由于车辆的频繁进出，载车板会受到反复的冲击荷载，容易产生疲劳裂纹，最终导致疲劳破坏。

4.3 结构整体稳定性分析

采用有限元分析方法，对车库结构的整体稳定性进行分析。通过施加竖向荷载和水平荷载，模拟结构在实际受力状态下的稳定性。计算结构的屈曲荷载和屈曲模态，评估结构的整体稳定性。根据计算结果，当结构承受的荷载达到屈曲荷载时，结构会发生失稳现象。屈曲模态主要表现为整体弯曲屈曲和扭转屈曲。整体弯曲屈曲是指结构在竖向荷载和水平荷载作用下，发生整体的弯曲变形，导致结构失稳；扭转屈曲是指结构在扭矩作用下，发生扭转变形，导致结构失稳。为提高结构的整体稳定性，采取增加支撑、加强节点连接等措施。增加支撑可以提高结构的抗侧力能力，减小结构的变形；加强节点连接可以提高结构的整体性，增强结构的传力性能。

5 深圳宝安新桥新二立体车库横移框及钢架选型分析

5.1 横移框及钢架选型的影响因素

横移框及钢架的选型受到多种因素的影响，包括车库的结构形式、荷载条件、使用要求、经济成本等。车库的结构形式决定了横移框及钢架的布置方式和受力特点。不同的结构形式对横移框及钢架的要求不同，例如，升降横移类车库和垂直循环类车库的横移框及钢架选型就存在差异。荷载条件是选型的重要依据，包括恒载、活载、风荷载、地震作用等。横移框及钢架需要承受这些荷载的作用，因此其选型要满足承载能力和变形要求。使用要求也是影响选型的因素之一，例如，车库的停车效率、车辆进出的便利性等。一些车库对横移框及钢架的移动速度和精度有较高要求，这就需要选择合适的结构形式和材料。经济成本是选型时需要考虑的重要因素，包括材料成本、加工成本、安装成本等。在满足结构性能和使用要求的前提下，要选择成本较低的横移框及钢架方案。

5.2 不同类型横移框及钢架的性能比较

对常见的几种横移框及钢架类型进行性能比较，包括型钢框架、焊接框架、装配式框架等。型钢框架具有强度高、刚度大、施工方便等优点，但成本较高。焊接框架的整体性好，承载能力高，但焊接质量难以保证，容易出现焊接缺陷。装配式框架施工速度快，现场工作量小，但节点连接的可靠性需要进一步验证。在力学性能方面，型钢框架的抗弯和抗扭能力较强，能够承受较大的荷载；焊接框架的整体性使其在承受复杂荷载时表现较好；装配式框架的力学性能则取决于节点的连接方式和质量。在经济性方面，焊接框架的材料成本相对较低，但加工成本较高；装配式框架的施工成本较低，但材料成本可能较高；型钢框架的成本相对较高，但综合性能较好。

5.3 新桥新二立体车库横移框及钢架的选型依据与结果

根据深圳宝安新桥新二立体车库的结构形式、荷载条件和使用要求，综合考虑各种因素，选择合适的横移框及钢架类型。车库的结构形式为升降横移类，荷载条件较为复杂，需要横移框及钢架具有较高的承载能力和稳定性。使用要求方面，要求车库具有较高的停车效率和车辆进出的便利性。经过对不同类型横移框及钢架的性能比较和分析，最终选择了型钢框架作为新桥新二立体车库的横移框及钢架。型钢框架具有强度高、刚度大、施工方便等优点，能够满足车库的结构性能和使用要求。同时，通过合理的设计和优化，控制了型钢框架的成本，使其在经济上也具有可行性。在实际应用中，型钢框架表现出良好的性能，为车库的安全运行提供了可靠保障。

6 深圳宝安新桥新二立体车库横移框及钢架选型方案

6.1 初选方案

6.1.1 横移框选型

在深圳宝安新桥新二立体车库横移框选型中，初步考虑采用矩形钢管和H 型钢两种方案。矩形钢管横移框具有截面惯性矩较大、抗弯和抗扭性能较好的特点，能够有效承受车辆在横移过程中产生的各种荷载。同时，矩形钢管的外观整齐，便于安装和连接，可提高车库的整体美观度。H 型钢横移框则具有材料利用率高、制作成本相对较低的优势，其截面形状适合承受较大的弯矩作用，在一些对成本控制较为严格的项目中应用广泛。经过初步计算和分析，矩形钢管横移框在满足结构性能要求方面表现更为突出，但其成本相对较高；H 型钢横移框成本较低，但在抗扭性能方面略逊一筹。

6.1.2 钢架选型

对于钢架选型，初选方案包括格构式钢架和实腹式钢架。格构式钢架由角钢或槽钢等组成，通过缀条或缀板连接形成空间结构。这种钢架结构自重较轻，节省钢材，且具有较好的稳定性，适用于大跨度、高耸的结构。但格构式钢架制作工艺相对复杂，节点连接较多，施工难度较大。实腹式钢架则采用钢板焊接而成，截面为实心，具有强度高、刚度大、制作简单、施工方便等优点。然而，实腹式钢架自重大，钢材用量较多，成本相对较高。在新桥新二立体车库项目中，考虑到车库的规模和场地条件，实腹式钢架在施工便利性和结构性能方面更具优势，但其成本因素也需要进一步权衡。

6.2 方案优化

6.2.1 基于结构性能分析的优化

通过有限元软件对初选方案进行结构性能分析，包括应力分析、变形分析和稳定性分析等。在应力分析中，详细计算横移框和钢架在各种荷载组合作用下的应力分布情况，找出应力集中区域和薄弱环节。例如，在矩形钢管横移框的有限元模型中，发现其与载车板连接部位在车辆荷载作用下应力较大，通过优化连接方式，增加连接强度，降低了该部位的应力集中程度。在变形分析中，模拟横移框和钢架在荷载作用下的变形情况，根据分析结果调整构件的截面尺寸和布置方式，以减小变形。对于钢架，通过增加支撑或调整支撑位置，提高其整体刚度，使变形满足设计要求。在稳定性分析中，对可能出现的失稳模式进行研究，采取相应措施提高结构的稳定性。如在实腹式钢架设计中，合理设置加劲肋，增强腹板和翼缘的稳定性，防止局部失稳的发生。

6.2.2 考虑成本因素的优化

在保证结构性能满足要求的前提下，对选型方案进行成本优化。对于横移框，在满足强度、刚度和稳定性要求的基础上，适当调整矩形钢管的规格，选择经济合理的尺寸，避免过度设计造成材料浪费。同时，与供应商协商，争取更优惠的采购价格，降低材料成本。对于钢架，在实腹式钢架方案中，通过优化截面形状和尺寸，在不影响结构性能的前提下，减少钢材用量。例如，采用变截面设计，在受力较小的部位减小截面尺寸，在受力较大的部位适当增加截面尺寸，使钢材得到更合理的利用。此外，优化施工工艺，提高施工效率，降低施工成本。如采用先进的焊接技术和设备，减少焊接缺陷，提高焊接质量，同时缩短施工周期，降低人工成本和设备租赁成本。

6.3 最终选型方案确定

综合考虑结构性能和成本因素，确定深圳宝安新桥新二立体车库横移框采用矩形钢管，这种规格的矩形钢管在满足结构性能要求的同时，成本也控制在合理范围内。钢架选用实腹式钢架，采用Q345B 钢材，通过优化截面设计和施工工艺，在保证结构安全可靠的前提下，有效降低了成本。最终选型方案在满足车库安全和功能需求的基础上，实现了结构性能和经济效益的平衡。经实际运行验证，该方案能够保证车库稳定运行，存取车效率高，同时降低了建设成本和运营成本，为类似项目提供了可借鉴的经验。

结语：

综上所述，通过本次对深圳宝安新桥新二立体车库横移框及钢架选型的研究，进一步验证了结构性能优化与受力特性分析在机械式立体车库设计中的重要性。合理的选型不仅能够满足车库的安全性和功能需求，还能显著提升经济效益，为类似工程提供了宝贵的实践经验。未来，在机械式立体车库的设计与建设中，应更加注重多因素综合考量，结合新材料、新技术的应用，不断推动行业技术进步与创新发展。同时，应加强实际运行数据的收集与分析，为进一步优化设计提供科学依据。

参考文献：

[1]蒋于龙，付振明，马培栋. 立体车库双扣推送链自动连接接头研究及优化设计[J].机械传动，2025，49（08）：146-153.DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.08.018.