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多层的钢结构立体车库对升降系统垂直冲击的的动态响应
摘要:
对于垂直升降的高层钢结构立体车库，根据提升系统的操作模式，产生自升降系统反复加速和减速的垂直影响激励被分析和获得。停车场的动态模型已经被建立了，同时通过ANSYS软件对垂直影响激励的升降系统的机构动态响应进行了分析。影响的因素有很多，比如：吊笼升降高度、结构阻尼、停车情况、加速模式以及升降系统的不正常操作。论文建立在结构动态响应已经被研究的基础上，给出了相应的减振建议及合理的加速模式。最终，讨论了由垂直影响激励下的升降系统造成的结构动态弯曲。结果表明最大的结构振动发生在启动后的加速阶段，取决于速度的模式。另外，升降高度和结构阻尼对最大的结构振动响应有着巨大的影响。因此建议被停在车库里的汽车在从底部到达顶部的过程中应该保持平稳，同时升降系统的不正常加速和急停应该被避免。
1.简介
有限的土地资源使得在城市不断增加的停车问题更加紧迫。一种潜在的解决方案是垂直升降高层立体车库。它能显著的提高停车空间占建筑占地面积的比例。举个例子，在本论文中设计的系统有0.58的比例，然而一个传统的停车场需要一个巨大的占地面积以及它只能达到0.08的比例。除此之外，立体车库有较高的停车效率和较低的噪音，这符合城市环境保护的需要。
用来安全快速地运送和存储汽车的垂直升降和水平传送系统使得这种新的结构形式成为可能。得到的文献已经关注于升降设备的振动问题载人电梯的舒适性。然而，垂直升降三维车库的升降吊笼被用于运载汽车而不是人类，它和普通家用设备的比较，更加灵活的，没有安装墙壁和地板。在存车和取车的过程中，吊笼的重复加速和减速将影响对结构的垂直方向上的负载，包括垂直应力。另外，汽车在起重竖井和车位之间被水平传送系统传送也将施加横向应力在结构上。这些由载重引起的结构振动值得更深入的研究，去了解结构的安全和设计需要。不过，如果由垂直升降系统引起的结构振动，与由水平传送系统横向冲击产生的结构振动不是同时发生的，那么由着两种影响产生的联合振动将不会发生。因此，它们可以被单独地研究。事实上，作为一种高，灵活的系统，这种在地震情况下的结构振动是值得研究的。做地震分析和高楼的设计，在许多地壳平稳地区和高危地区例如日本、中国和美国西海岸的一些城市等是共通的。然而，这篇论文不是解决那些由水平系统的横向应力或地震引起的振动，它独一无二地关注于结构由升降系统垂直方向应力引起的动态响应。
通过分析垂直升降钢结构立体车库升降系统的操作原则，车库因在垂直方向上反复加速和减速产生冲击的规律已经获得。车库的立体模型已经被建立，以及通过ANSYS软件分析了在冲击影响下的的结构力学响应。然后，对多种影响因素，例如：吊笼升降高度、结构阻尼、停车情况、加速模式等，进行了讨论，并给出了工程设计的建议。
2 由高层钢结构立体车库的升降系统引起的垂直冲击激励
2.1 升降设备的操作原理
垂直升降立体车库的升降系统的范围主要决定于它的运行方式。一种链轮驱动装置如图一所示，它因为更好的稳定性而得到广泛的应用，本文选择这种装置去做分析。
电动机在启动后逆时针旋转然后通过传动轴驱动驱动轮。驱动轮上的齿轮与齿轮传动链咬合在一起。平衡块和固定在上面的两条钢丝绳一起下落，长的链条通过短的链条拉动。
四条钢丝绳固定在吊笼的四个角上，通过固定的滑轮以相同的速度拉吊笼使其平稳的上升。长链条通过固定的滑轮和导向轮回到驱动轮。在这个系统中，短链条与长链条根据不同的停车层相互转化，它们的总长度保持不变。电机反转实现吊笼的下落。吊笼的加速、匀速和减速运动取决于电动机的转向。
2.2 速度模式
作为一个升降系统，为吊笼选择一个合适的加速度和速度曲线很重要，这将关系到吊笼的效率、稳定性和安全性。实际上有三种通用的速度曲线在工程中被采用，有梯形、正弦和抛物线型速度曲线，其中，抛物线能更加方便地被用于分析也能提高系统的的效率和稳定性。因此，它被广泛的用在高速升降系统中。速度、加速度、加加速度随时间变化的曲线如图二所示。图中，、、是最大速度、加速度以及加加速度，分别地，加加速度反映了加速度的变化快慢。
通常来说，加速度曲线的形状是一个等腰梯形，运行时间和距离在加速阶段和减速阶段是一样的。因此，只有加速阶段的运行时间和距离在接下来进行了推导。
加速度从零增加到最大值的时间为：
加速度从最大值开始减少的时间为：
加速度减少到零和吊笼开始在最大速度运行的时间为：
各个时刻的速度为：
最终，不同时间间隔内运行的距离为：
综上所述，吊笼到达特殊层数时，所需要的时间和距离是可以通过最大速度、加速度及加加速度推算出来的。
2.3 提升系统施加的垂直冲击
由于三维停车结构提升系统的运行过程包括加速和加速减速阶段包括平稳运行的阶段和加速的惯性力经济减速是系统的激励。在升降系统的运动过程中，冲击激励是通过滑轮固定在对重四柱顶部转移到结构竖井。考虑到结构的对称性，仅对结构的一半进行了分析，假设如下。（a）忽略齿轮传动链的质量和重量，钢丝绳和滑轮，这些跟吊笼和汽车相比很小。（b）不考虑滑轮和轴之间的摩擦。（c）钢丝绳的长度链的不变不论其张紧与不。（d）吊笼和汽车的总重量是由6:4的比例分配在前轮和后轮的钢丝绳。
起重的过程中，车辆从地面举升到停车位（存放的车辆）和从停车位降到地面（取车）是互相逆，因此，本论文只考虑上升过程。在起重过程中，吊笼运动分为四个阶段，如举起，加速，恒速和减速，长链和短链的应力状态在不同的阶段是不同的。因此，整个过程的各个阶段应详细的讨论，以准确了解变化的激励。
- 当吊笼停在地面上，配重停留在车库顶上，其重量W均匀地分布在两根钢丝绳上。由于W= P phi;Q，其中P和Q表示一半的吊笼和所载的车辆的重量，分别地，系数ϕ通常约0.4–0.5，汽车的总重量和吊笼足够平衡配重。此外，电机在这一刻不工作，因此，长链和短链是在无张力状态，如图3（a）所示。因此，在这种情况下，初始在前柱Ff 0=1.5W顶垂直力，而在后柱Fr 0=0.5W。
- 当电机启动时，它带动驱动轮逆时针旋转。在一个非常短的时间之后，起升的笼子刚离地面有一个加速零，但短链有向下运动的趋势，导致张力拉配重。张力和配重平衡吊笼和小车的重量，以及长链的拉力为零。即，Tscne;0和Tlc = 0如图3（b）。在这一刻，在柱的顶部的力突然变化。通过分析，我们有
在Tf和Tr是钢丝绳在前后两侧的张力，分别，Ffv和Frv是在前柱和后柱上的顶部的垂直合力；Tlc和Tsc的长链和短链的张力。
- 在配重的加速下降和吊笼的提升过程中，短链张紧，而长链是松弛的。然后，
其中a是吊笼的加速度，g是重力加速度。
- 当吊笼的速度达到最大时，它保持恒定的速度运动状态，其加速是零。结构的应力状态与当起升的笼子在地上瞬态相同，即，
- 吊笼开始减速运动，直到它与指定的停车位。在这个过程中，长链开始获得张力，使配重与钢丝绳做向下的减速运动，即Tlcne;0如图3（b）显示。然后，
综合吊笼各阶段的运行时间及受力分析，起升轴前、后柱顶部的激励随时间变化曲线如图4和5，分别地。这将为动态分析提供准备提升系统加速和减速停车结构的响应。
3由升降系统垂直冲击激励下结构动力响应分析
3.1. 结构构型及计算模型
垂直升降式立体停车库的停车功能，使其成为一种不同于普通车库结构的新结构体系。在吊轴两侧有两个停车的空间如图6所示。在停车过程中，通过垂直电梯将汽车吊到停车位的高度，然后由水平过渡装置将车停入停车位。这个平面尺寸取决于汽车的尺寸。它实际上是一个四边形的管状结构在外围有四个平面的框架中，很少有内部水平的结构如图6所示。没有填充墙和地板，它的结构层高度相对较小。通过加强结构的完整性改善结构，满足其功能要求，加强了膜片支撑系统和带式桁架的存车结构高度。如图6，在一个加强层的带桁架在外周梁、柱和垂直支撑系统中设置的支撑系统由梁、横向X形支撑设置在上部和下部除吊装区外的停车位。显然，加强的层并不占据结构的内空间，不影响正常起升和停车功能。
以一个14层的钢结构三维停车结构(如图6所示）做分析。沿结构的X方向的跨度是6米，和各种单元沿Y方向2.5m，3.0m和2.5m，加强层的高度采用2.2m，柱和梁采用H型截面h-250times;300times;10（其中8times;，300、250、8和10为截面高度，翼缘宽度，型钢腹板厚度和翼缘的厚度。）和h-125times;125times;6.5times;9，侧斜和垂直支撑圆钢管为ϕ152times;5，而前方和后方斜支撑和水平支撑为ϕ121times;4。此外，钢材料是Q235钢，其屈服强度和弹性模量分别为235 N /平方米和2.1times;105 N /平方米。通过优化结构的稳定性，确定了加强层的布置范围。
在吊笼的重量和两侧的配重的总重量分别为10kN，20kN，吊笼额定载荷为20 kN。运行参数vm=1m/s, am=1m/s2 及 rho;m=2m/s3。采用瑞利阻尼模型，参照国家规中国高层建筑钢结构技术规范（JGJ99，2012），阻尼比在弹性阶段采用0.02。为明确激励对结构的影响，假定车库里没有车辆，即结构处于无载状态。结构动态响应曲线，包括自由振动阶段的持续时间为3秒后，起重笼到达指定的级别。根据上述参数和公式得出的公式，在前面2.3节中，顶部和后柱的冲击激励随时间变化曲线可以分别被确定为图7和8。明显地，起升时的恒速运行时间系统取决于到达的车位的层数号码，即，t4=2.2n;( 1; 2; 3;hellip;; 14)。
根据动力学理论，高层钢结构三维停车结构动力学方程在垂直冲击激励可以形成如下。 在[ M ]、[ C ]和[ k ]分别为结构质量、阻尼和刚度矩阵；{（T）}，{（T）}{ U（T）}分别为结构的加速度、速度和位移；{F(t)}是上面所描述的顶部起升轴的垂直激励。
结构的有限元模型，利用ANSYS参数化设计语言建立（APDL）。所有的梁、柱采用BEAM188单元模拟，而支撑采用LINK8单元模拟。Beam188是基于Timoshenko梁理论，包括剪切变形的影响。该元素适用于细长到中等粗短的梁结构。此外，它非常适合于线性，大旋转或大应变非线性应用。在BEAM188中提供的应力刚度项使元素可以分析弯曲，横向和扭转稳定性问题。LINK8是一个双端三维杆单元节点。该元素是一个单轴拉伸压缩元件，具有三个自由度，它可以用来模拟桁架，链接，和其他。几何的影响在这类高、长结构的动态过程分析中已经被采取考虑了。
3.2. 结构位移响应
假设汽车和电梯从地面到第七层车位，对吊笼进行结构瞬态响应分析。前、后起升轴柱的轴向位移和结构的X向和Y向位移分别显示在图9到12中。
显然，这2个柱的轴向振动的形状相似，取决于激励。在吊笼升降机离地那一刻，在柱上的顶部的激励突然增加F0到Fc的恒速运行状态。然后，有0.5的变加速阶段荷载增加Fc 到 Fmax.。虽然激发负荷随时间变化，时间短。在阶跃载荷和瞬间逐渐的负载联合作用下，，形成对结构的剧烈冲击。此结果在最大提升机加速阶段的结构响应。此外，冲击激励的振幅不同，但两者都是小的，而且结构在弹性状态。此外，响应振幅的列的轴向位移几乎成比例激发的幅度
结果表明，结构的侧向位移模式基本上沿X和Y方向基本由对应方向的第一模式响应。因此，最大横向位移发生在顶部的结构，这分别显示在图11和12。很明显，沿X方向的结构的侧向位移远大于沿Y方向，前者倾向一侧，整体上，后者稍微振动对称。这是由于不同的激励，即前柱比后柱承担较大的力，然后整个结构的弯曲方向与较大的轴向弯曲柱轴变形的方向一致。
3.3 结构中柱的轴力响应
起升式下柱底部力的响应曲线如图13和14。可以看出，在电机开始0.36秒后，对前、后柱的轴力分别达到最大值20千牛，10.2千牛。与相应的作用下14.2kn和6.1kn轴向力的比较静态荷载对结构的动力放大系数分别为1.41千牛和1.67千牛。在这里，动态放大系数被定义为动态内部的比率结构受力的竖向冲击激励下的起升系统对应的静态的起重系统的总重量，包括起重笼、载车和配重。当吊笼减速开始公园，前面的轴向力和后柱分别减少了50%，60%，但仍然在压缩。总之，影响负载的结构达到最大的提升阶段的提升笼，和恒定提升系统的速度和减速运动对结构没有显著的不利影响。因此，起步和加速阶段对结构的安全性起着调节作用。
4. 各种因素对结构动力响应的影响
显然，车库的停车场有很大的随机性。这个结果在吊笼的运行距离和荷载分布的结构有很大的差异，从而不同的结构有不同的响应。为提高汽车库的运行效率，缩短存放车的时间我们经常调整运行机制，提高提升机的速度。在这些方面的研究是非常稀缺的。因此，各种参数如停车位的吊笼达到的层数，结构阻尼，停车情况和加速模式变化的影响等作为在本节的结构动力响应研究。
此外，对于这种立体停车结构，结构布局，平面尺寸和故事高度基本保持不变。此外，车辆负荷的差异不显着。以及，同一停车位的结构刚度和周期差异不显著。本文研究的目的是该结构在垂直下的动态响应提升系统的冲击激励。因此，结构刚度和周期的变化是本文不讨论。
4.1提升高度的影响
取结构如图6所示进行动态分析，结构参数跟在3.1节所描述的一致。汽车的存取是一个随机事件。因此，三种典型的案件，分别吊笼从地面到二层、七层到十四层。分别考虑了动态时程响应分析的结果显示在图15。
它可以看出，发生的
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