THE STRUCTURAL DESIGN OF TALL AND SPECIAL BUILDINGS
Struct. Design Tall Spec. Build. 2015; 24:779–796
Published online 17 February 2015 in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com/journal/tal). DOI: 10.1002/tal.1211
Dynamic response of the high-rise steel tridimensional parking structure for vertical impact excitation of the lifting system
Yongjun He1*, Xuhong Zhou1,2 and Xiaohua Liu1,3
1College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha, China
2Chongqing University, Chongqing, China
3Xirsquo;an Architectural Design-Research Institute, Xirsquo;an, China
SUMMARY
For the vertical lifting high-rise steel tridimensional parking structure, the vertical impact excitation resulting from the repeated acceleration and deceleration of the lifting system is analyzed and obtained according to the operational mode of lifting system. The dynamic model of the parking structure is established, and the structural dynamic response for vertical impact excitation of the lifting system is ana-lyzed by the finite element software ANSYS (Ansys Inc., Cecil Township, Pa, USA). Influence of various factors, such as the lifting height of the lifting cage, structural damping, parking case, speedup mode and abnormal operation of the lifting system, on the structural dynamic response is investigated, and the corre-sponding suggestions on vibration reduction and rational speedup mode are given. Finally, the structural dynamic buckling caused by vertical impact excitation of the lifting system is discussed. The results indicate that the maximum structural vibration response occurs in the acceleration stage after start of the lifting system and depends on the velocity pattern. Additionally, the lifting height and structural damping have not remarkable influence on the maximum structural vibration response. It is suggested that the vehicles be parked in the garage from bottom to top symmetrically, and the abnormal speedup or stop of the lifting system should be avoided. Copyright copy; 2015 John Wiley amp; Sons, Ltd.
Received 27 June 2014; Revised 25 October 2014; Accepted 20 December 2014
KEY WORDS: high-rise tridimensional parking structure; lifting system; velocity pattern; vertical excitation; dynamic response; dynamic amplification coefficient
1. INTRODUCTION
Limited land resources are making the need for increased parking in urban areas a more pressing need. One potential solution that may fill this need is vertical lifting high-rise tridimensional (3D) parking structures. They can significantly increase the ratio of parking spaces to building footprint area. For example, the system in this study has a ratio of 0.58 spaces per square meter, whereas a traditional parking garage would require a larger footprint and would only achieve a ratio of 0.08 spaces per square meter. Moreover, it has high speed and low noise, which meets the city environmental protec-tion requirements (Amott, 2009; Ameacute;lie and Bryan, 2010; Eduardo et al., 2011).
The vertical lifting and horizontal transferring system, which fetches and stores the vehicles safety and quickly, makes this new structural type possible. The available literature (Hu and Zhao, 2002) is focused on the vibration problem of lifting devices and the comfortableness of human-carrying eleva-tors. However, the lifting cage of the vertical lifting high-rise 3D parking structure is used to carry cars rather than humans, and in comparison with the ordinary housing structure, the vertical lifting high-rise steel 3D parking structure is a tall and flexible system without infilled wall and floor slabs (Hyo and Jong, 2000; He and Zhou, 2012). In the process of storing and fetching cars, the repeated acceleration and deceleration of the lifting cage will impart vertical load on the structure, including vertical impact.
*Correspondence to: Yongjun He, College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha, 410082, China.
E-mail: hyj0087@163.com
Copyright copy; 2015 John Wiley amp; Sons, Ltd.
780 Y. HE, X. ZHOU AND X. LIU
Additionally, the operation of cars being transferred horizontally between the parking space and hoisting shaft by the horizontal transferring system at parking level will also impart lateral impact on the structure. The structural vibrations induced from this loading are worthy of further research to understand the safety and design needs of the structure. Nevertheless, the structural vibration caused by the vertical impact of the lifting system is not simultaneous with that caused by the lateral impact of the horizontal transferring system, i.e. the coupled vibrations of these two types of impacts will not take place. Therefore, they can be studied individually. Actually, as a tall and flexible system, the structural vibration under seismic action is also worthy of research (Yun et al., 2002.). It is common to do seismic analysis and design of tall buildings in many regions of moderate and high seismic haz-ard such as Japan, China and some cities on the West Coast of the USA (CTBUH, 2008; PEER TBI, 2009). However, this paper does not deal with the vibration caused by the lateral impact of the hori-zontal transferring system and the seismic vibration, and it is uniquely focused on the dynamic re-sponse of the structure for vertical impact excitation of the lifting system.
By analyzing the operation principle of lifting system of the vertical lifting high-rise steel 3D parking structure, the vertical impact excitation on the parking structure as a result of the repeated acceleration and deceleration of the lifting system is obtained. The dynamic model of the parking structure is established, and the structural dynamic response under the impact excitation is analyzed by the finite element software ANSYS (Ansys Inc., Cecil Township, Pa, USA). Then, the
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高层钢结构三维立体停车结构对升
降系统垂向冲击激励的动力响应
Yongjun He1*, Xuhong Zhou1,2 and Xiaohua Liu1,3
1湖南大学土木工程学院，长沙，中国
2重庆大学，重庆，中国
3西安建筑设计研究院，西安，中国
2015年2月17日在威利在线图书馆上发布。
概要
对于垂直提升高层钢立体停车场结构，根据提升系统的运行方式对提升系统反复加速和减速产生的垂直碰撞激励进行分析和获取。建立了停车结构的动力学模型，利用有限元软件ANSYS（Ansys Inc.，Cecil Township，Pa，USA）对升降系统的垂向冲击激励的结构动力响应进行了分析。研究了提升笼提升高度，结构阻尼，停车箱，提速方式，提升系统异常运行等因素对结构动力响应的影响，并提出了相应的减振理性建议加速模式被给出。最后讨论了升降系统垂直冲击激励引起的结构动力屈曲问题。结果表明，起升系统启动后的加速阶段出现最大结构振动响应，并且取决于速度模式。此外，提升高度和结构阻尼对最大结构振动响应没有显着影响。建议将车辆从下到上对称停放在车库内，避免提升系统异常加速或停车。
关键词：高层立体停车结构; 起重系统; 速度模式; 垂直激励; 动态响应; 动态放大系数
1.引言
有限的土地资源正在迫切需要在城市地区增加停车位。 一种可能满足这种需求的潜在解决方案是垂直提升高层立体（3D）停车结构。 他们可以显着提高停车位与建筑物占地面积的比例。 例如，本研究中的系统每平方米的比例为0.58个空间，而传统的停车场需要更大的占地面积，并且每平方米只能达到0.08个空间的比例。 此外，它具有高速度和低噪音，符合城市环境保护要求（Amott，2009;Ameacute;lie和Bryan，2010; Eduardo等人，2011）。
垂直提升和水平传输系统可以快速获取和存储车辆的安全性，使这种新型结构成为可能。 现有文献（Hu和Zhao，2002）主要关注起重设备的振动问题和人体电梯的舒适性。 然而，垂直提升高层3D停车结构的提升笼用于运载车辆而不是人类，与普通住宅结构相比，垂直提升高层钢结构3D停车结构是一种高而灵活的系统，没有 填充墙和楼板（Hyo和Jong，2000; He和Zhou，2012）。 在储存和取车过程中，吊笼的反复加速和减速会给结构带来垂直负荷，包括垂直冲击。
另外，在停车位通过水平传输系统在停车位和提升竖井之间水平传输的车辆的操作也会对该结构产生横向冲击。由此引起的结构振动值得进一步研究，以了解结构的安全性和设计需求。尽管如此，由升降系统的垂直冲击引起的结构振动与由水平传输系统的侧向冲击引起的结构振动不同步，即不会发生这两种类型冲击的耦合振动。因此，他们可以单独研究。事实上，作为一个高度灵活的系统，地震作用下的结构振动也值得研究（Yun et al。，2002）。在日本，中国和美国西海岸的一些城市（CTBUH，2008; PEER TBI，2009）中，高地震危险区域进行高层建筑的抗震分析和设计是很常见的。然而，本文不涉及水平传输系统的侧向冲击和地震振动引起的振动，而是关注升力系统垂直冲击激励结构的动态响应。
通过分析竖向提升高层钢结构三维停车结构提升系统的工作原理，得到了由于提升系统反复加速和减速导致停车结构的垂直冲击激励。 建立停车结构的动力学模型，利用有限元软件ANSYS（Ansys Inc.，Cecil Township，Pa，USA）对冲击激励下的结构动力响应进行分析。 然后讨论了各种参数，如提升笼提升高度，结构阻尼，停车箱，加速方式等对结构动力响应的影响，并给出了工程设计建议。
2.高层钢结构吊装系统的垂直冲击激励
3D停车结构
2.1。 起重设备的工作原理
垂直提升高层钢结构三维停车结构升降系统的布置主要取决于其驾驶风格。 本文选择图1所示的链轮传动机构作为分析的对象，这种传动机构通常用于较好的稳定性。
电动机启动后逆时针旋转，并通过传动轴驱动驱动轮。 驱动轮上的齿轮咬合在它们周围的传动链（用波浪线表示以区分在右视图中以直线表示的钢丝绳），并且配重与固定在其上的两根钢丝绳一起下落，并且一个 长链拉短链
1.电动机 2.制动器 3.缓速器 4.传动轴 5.驱动轮 6.长传动链 7.导轮
8.短传动链 9.重 10.起重笼 11.钢丝绳 12.前定滑轮 13. 后部固定滑轮
图1. 3D停车结构的链轮驱动的升降系统的示意图
（a）三维图; （b）正确的看法。
固定在升降笼四角的钢丝绳绕过固定滑轮并以相同的速度升起，然后拉动升降笼稳定升起。 长链通过绕过固定滑轮和导轮返回到驱动轮。 在系统中，长短链按照不同的停车等级相互转换，总长度保持不变。 电动机的反向旋转实现了升降笼的下降。 升降笼的加速，恒速和减速运动取决于电动机的旋转。
2.2。 速度模式
对于升降系统，选择合适的升降笼的加速度和速度曲线非常重要，这与升降笼的效率，稳定性和安全性有关。 实际工程中采用三种常见的速度曲，即梯形，正弦和抛物线 - 直线速度曲线，其中抛物直线速度曲线更方便用于分析，也可以 提高升降系统设备的运行效率和稳定性。 因此被广泛应用于高速提升系统。 速度，加速度和冲击时间历程曲线如图2所示，其中vm，am和rho;m分别为提升架的最大速度，加速度和冲击力，加速度反映加速度变化的速度。
通常，加速曲线的形状是等腰梯形，加速和减速阶段的运行时间和距离是相同的。 因此，只有加速阶段的运行时间和距离如下推导。
加速度从零增加到最大值的时间是
(1)
加速度从最大值开始减少的时间是
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(2) |
加速度减小到零的时间，并且提升笼开始以最大速度运行
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(3) |
各种时刻的速度是
（4）
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(5) |
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(6) |
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图2.提升笼的（a）速度，（b）加速度和（c）加速度时间历程曲线。
最后，不同时间间隔的跑步距离为
（7）
（8）
可以看出，到达任何指定停车位的吊具在不同时间间隔内所需的时间和距离可由vm，am和rho;m的值确定。
2.3。 升降系统的冲击激励
由于三维停车场的升降系统的运行过程除了平滑运行阶段外，还包括加速和减速阶段，加速和减速导致的惯性力为系统激励。在升降系统的运动过程中，冲击激励通过固定在升降轴四列顶部的滑轮传递到结构上。考虑到结构对称性，只有一半的结构被用来做分析，并且假设如下。 （a）忽略传动链，钢丝绳和滑轮的质量和重量，这些与吊笼和车辆相比非常小。 （b）不考虑滑轮和轴之间的摩擦。 （c）无论是否拉紧，钢丝绳和链条的长度都保持不变。 （d）吊车和轿厢的总重量按照6：4的比例分配给前后轮附近的钢丝绳。
车辆从地面抬升到停车位（车辆存放）和从停车位下降到地面（取车）的过程是相互对立的，所以只有提升过程 在论文中被考虑。 在提升过程中，提升笼进行升降，加速，匀速，减速四个阶段，不同阶段的长短链应力状态不同。 因此，应详细讨论整个过程的各个阶段，以准确理解激励的变化。
- 当升降笼停在地面时，配重停留在车库顶部，其重量W由两根钢丝绳均匀分布。 由于W = P phi;Q，其中P和Q分别表示轿厢和车辆重量的一半，系数phi;一般约为0.4-0.5，轿厢和轿厢的总重量为 足够大以平衡配重。 另外，此时电机不工作，因此如图3（a）所示，长链和短链是无意义的状态。 因此，在这种情况下，初始垂直方向上的前柱Ff 0 = 1.5W，而后柱Fr 0 = 0.5W。
- 电机启动时，驱动轮逆时针旋转。 经过很短时间后，升降笼刚好离开地面，加速度为零，但小腿向下滑动，导致重量增加。 张力和配重能够平衡吊笼和轿厢的重量，长链的张力为零。 即，如图3（b）所示，Tscne;0且Tlc = 0。 此时，列队的顶端突然发生变化。 通过分析，我们有
图3.起重系统不同阶段的力分析图：（a）包括汽车在内的起重笼停在地面上;
（b）在提升过程中。
其中Tf和Tr分别是前侧和后侧上的钢丝绳的张力; Ffv和Frv分别是前柱顶部和后柱顶部的垂直合力; Tlc和Tsc分别是长链和短链的张力。
- 配重加速下降和提升笼升高的过程中，短链是十分之一，而长链是免费的。 然后，
其中a是升降笼的加速度，g是重力加速度。
- 当升降笼速度达到最大值时，保持匀速运动状态，加速度为零。 该结构的应力状态与升降笼离地时的瞬态状态相同，
- 吊笼开始以变化的加速度进行减速运动，直至其接近指定的停车位。 在这个过程中，长链开始增加张力，使得配重与钢索一起向下减速运动，即Tlcne;0，如图3（b）所示。 然后，
合成升降笼各阶段的运行时间和受力分析，得到如图4和图5所示的作用在升降轴前后柱上的激励时间曲线。 这将为停车结构的动力响应分析提升系统的加速和减速提供准备。
3.垂直冲击激励下结构的动力响应通过举升系统
3.1。 结构配置和计算模型
垂直提升3D停车结构的停车功能使其成为与普通住宅结构不同的新结构系统。如图6所示，吊轴两侧有两个停车位。在停车过程中，轿厢通过升降轴被垂直升降机升高到停车位的高度，然后通过水平过渡装置转移到停车位的停车板。平面尺寸取决于汽车的尺寸。它实际上是一个四边形管状结构，由四个平面框架组成，沿周边有少量内部水平构件，如图6所示。没有填充墙和楼板，其层高也相对较小。通过加强结构整体性来改善结构性能和满足功能要求，将膈b支撑系统和桁架结构的加强层设置在沿结构高度的适当位置。如图6（e，f和g）所示，加固层中的带桁架由外围梁，立柱和布置在其中的垂直支撑系统组成，膈板支撑系统由梁和水平X轴组成，除了起重区域之外，设置在故事的上部和下部停车层上的形状支架。显然，加强层不占用结构内部空间，对正常吊装和停车功能没有影响。
图4.提升轴前柱顶部激振的时程曲线。
图5.提升轴后立柱顶部激振的时程曲线
图6.具有加强层的高层垂直吊装3D停车结构：（a）三维图形;
（b）前/后架; （c）侧架; （d）平面布局; （e）加强故事的示意图;
（f）强化层的带桁架; （g）加强层的上下膈肌支撑系统。
如图6所示，采用加固故事的14层钢结构3D停车结构进行分析。沿结构的X方向的跨度为6.0m，沿Y方向的各个间隔的跨度分别为2.5m，3.0m和2.5m。故事高度为2.2米。柱和横梁由H形部分H-250times;300times;8times;10（其中，250,300,8和10是横截面的高度，凸缘的宽度，腹板的厚度和）和H-125times;125times;6.5times;9，侧面对角线和垂直支撑分别为圆形钢管phi;152times;5，而前后对角支撑以及水平支撑为phi;121times;4。另外，钢号为Q235，其屈服强度和杨氏模量分别为235N / m2和2.1times;105N / m2。加强故事的安排是通过优化结构的稳定性来确定的。
起重吊笼的重量和配重在两侧的总重量分别为10 kN和20 kN，吊具的额定载荷为20 kN。运行参
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