張衛(wèi)國(guó)

摘要：托盤橫梁式鋼貨架結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)、制造、安裝等方面相互關(guān)聯(lián)，在進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需要將理論分析與模擬試驗(yàn)手段相結(jié)合，并結(jié)合用戶實(shí)際加以考慮。

關(guān)鍵詞：托盤貨架系統(tǒng)、貨架鋼結(jié)構(gòu)、規(guī)劃設(shè)計(jì)

托盤橫梁式鋼貨架結(jié)構(gòu)主要由立柱、橫梁等主要承載構(gòu)件及其附屬配套件構(gòu)成，橫梁與立柱的連接多采用機(jī)械式的鎖扣結(jié)構(gòu)，可隨意拆裝組合。在貨架系統(tǒng)的選用和設(shè)計(jì)規(guī)劃過(guò)程中，要綜合考慮相應(yīng)國(guó)家和地區(qū)的貨架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及已驗(yàn)證的貨架組件產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合貨架的使用要求、搬運(yùn)設(shè)備的性能及控制方式、存儲(chǔ)單元的規(guī)格參數(shù)特性及荷載類別、制作材料的供應(yīng)及加工工藝、安裝條件等因素，合理選擇材料、結(jié)構(gòu)形式、連接方式和構(gòu)造加固措施，并對(duì)貨架鋼結(jié)構(gòu)及其單元體進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的校核與設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)合理、外形美觀及經(jīng)濟(jì)性好，以滿足客戶的實(shí)際需要。

主要零部件的特點(diǎn)

1托盤橫梁式鋼貨架的立柱結(jié)構(gòu)

在托盤橫梁式鋼貨架結(jié)構(gòu)體系中，多采用冷彎薄壁多孔型鋼柱作為貨架立柱主體的垂直向受力承載結(jié)構(gòu)。在貨架立柱的開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要考慮貨架立柱的承載力、截面力學(xué)特性、冷加工工藝及生產(chǎn)制造精度等要求，還要考慮荷載特性、截面回轉(zhuǎn)半徑、節(jié)點(diǎn)節(jié)距等參數(shù)對(duì)貨架立柱承載性的影響；既要考慮冷彎薄壁型鋼的彎扭屈曲特性，還要考慮冷彎薄壁型鋼貨架立柱上的多孔削弱性因素、偏載因素；既要考慮貨架系統(tǒng)的抗震性影響，還要考慮貨架立柱系統(tǒng)的其他水平向的抗受力的疊加性影響。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)不同的貨架立柱結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行了大量的試驗(yàn)、數(shù)值分析及理論研究，也制定了一系列的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，但至今還沒(méi)有切實(shí)可行的通用程序和理論來(lái)精確、有效地計(jì)算貨架立柱結(jié)構(gòu)的承載力。目前可以通過(guò)有限元方法實(shí)現(xiàn)貨架立柱在特定力學(xué)作用下的承載力影響模擬和破壞模態(tài)模擬，為理論研究提供有效參考，并且我國(guó)貨架類規(guī)范及其他國(guó)家和地區(qū)的貨架規(guī)范均建議采用試驗(yàn)的方法來(lái)確定貨架立柱的力學(xué)特性。

本文利用SOLIDWORK2007軟件自帶的COSMOSXpress設(shè)計(jì)分析工具，對(duì)某類托盤橫梁式鋼貨架立柱進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，采用貨架立柱為3000mm長(zhǎng)的13個(gè)折面的冷彎薄壁多孔的型材結(jié)構(gòu)實(shí)體網(wǎng)格，單元大小為11.364mm，公差為0.56821mm，單元數(shù)為64555，節(jié)數(shù)為135249；類比可分析其他設(shè)定長(zhǎng)度的貨架立柱，結(jié)果基于線性靜態(tài)分析，材料設(shè)想為同象性。其中貨架立柱的材料特性假設(shè)為：彈性模量2.1e+011N／m²，泊松比0.28 NA，抗剪模量7.9e+010 N／m²，質(zhì)量密度7800kg／m³，張力強(qiáng)度3.9983e+008 N／m²，屈服強(qiáng)度2.206e+008 N／m²，見(jiàn)圖1、圖2。基本上可以模擬計(jì)算出相應(yīng)的屈服力、位移量。并根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算中的安全系數(shù)獲得相應(yīng)的約束及約束力、外加載力等，為實(shí)際的試驗(yàn)?zāi)M和數(shù)據(jù)驗(yàn)證提供科學(xué)依據(jù)。

2托盤橫梁式鋼貨架立柱片的支撐結(jié)構(gòu)

立柱通過(guò)橫斜撐連接構(gòu)成立柱片，并形成貨架結(jié)構(gòu)承載的主體骨架結(jié)構(gòu)。由于貨架立柱橫截面的對(duì)稱性與開口冷彎薄壁多孔的特點(diǎn)，其在X-Y兩個(gè)方向的慣性矩差別比較大，為充分發(fā)揮貨架冷彎薄壁多孔立柱的承載能力，通常根據(jù)一定的節(jié)點(diǎn)節(jié)距并通過(guò)設(shè)置支撐體系的方式來(lái)加強(qiáng)承載能力，以減少貨架冷彎薄壁多孔立柱的計(jì)算長(zhǎng)度。也有廠商根據(jù)貨架承載的特點(diǎn)布置支撐，如形成上疏下密的符合力學(xué)特點(diǎn)的優(yōu)化布置特點(diǎn)，但不利于生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和批量化，貨架的安裝與調(diào)整也存在一定難度。支撐多采用C型截面冷彎鋼或矩形截面管制作。筆者在《貨架鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析》(《物流技術(shù)與應(yīng)用》2007年10期)中用三角幾何不變體原理說(shuō)明了布置支撐結(jié)構(gòu)的方法，貨架的絎架特性更加突出、整體穩(wěn)定性更強(qiáng)，同理對(duì)貨架結(jié)構(gòu)體的跨度、高度、長(zhǎng)度等方面進(jìn)行優(yōu)化研究和分析，分析貨架立柱的邊界約束、細(xì)長(zhǎng)比的影響因素等，分析構(gòu)件間的內(nèi)力分布及大小，對(duì)貨架整體穩(wěn)定性分析及提高貨架立柱的承載力均提供了科學(xué)依據(jù)。

3托盤橫梁式鋼貨架的橫梁結(jié)構(gòu)

橫梁作為托盤橫梁式鋼貨架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中支承貨物的主要受力部件，通過(guò)特定的梁柱節(jié)點(diǎn)形式(橫梁與立柱多采用掛鉤、銷釘、螺栓及焊接等連接，形成焊接節(jié)點(diǎn)、螺栓接點(diǎn)、機(jī)械式節(jié)點(diǎn))構(gòu)成貨架框架結(jié)構(gòu)，此處多采用半剛性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，這也是托盤橫梁式鋼貨架區(qū)別于一般鋼結(jié)構(gòu)的特征之一。根據(jù)現(xiàn)有的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》提出的半剛接的可行性，可通過(guò)試驗(yàn)獲得梁柱節(jié)點(diǎn)的彎矩一轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，即節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，以研究、設(shè)計(jì)和計(jì)算貨架梁柱間的半剛性連接。歐洲規(guī)范EC4規(guī)定：當(dāng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度小于梁的線剛度的0.5倍時(shí)，可視為鉸接；當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度大干梁的線剛度的25倍時(shí)，可視為剛接；兩者之間為半剛接。AISC規(guī)范1994年版把傳遞20％以下構(gòu)件抗彎能力的連接稱為鉸接，傳遞20％～90％構(gòu)件抗彎能力的連接定義為半剛接，傳遞全部彎矩的為剛接。根據(jù)《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范CECS23:90》推薦的橫梁試驗(yàn)方法獲得的數(shù)據(jù)、理論推導(dǎo)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)、相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)及客戶的個(gè)性化要求，選擇不同規(guī)格型號(hào)的橫梁結(jié)構(gòu)和系列，來(lái)滿足客戶的實(shí)際承載和多種物料的儲(chǔ)存要求，為企業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)和創(chuàng)新提供理論分析依據(jù)。

由于橫梁的結(jié)構(gòu)和實(shí)際的受力情況比較復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程比較繁瑣，容易造成計(jì)算不準(zhǔn)確，導(dǎo)致貨架的強(qiáng)度或剛度不足，給貨架使用留下安全隱患。同時(shí)，橫梁可選用的冷彎截面的形狀多種多樣，其設(shè)計(jì)支持理論較多，且比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)上主要考慮同等耗材條件下負(fù)載能緩沖沖擊載荷，并盡可能在多方向上產(chǎn)生最小的撓曲變形，以提高承載能力。在進(jìn)行托盤橫梁式鋼貨架規(guī)劃時(shí)，國(guó)內(nèi)外規(guī)范上均建議采用試驗(yàn)的方法來(lái)確定橫梁的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性參數(shù)，以及梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度、梁柱節(jié)點(diǎn)的彎矩一轉(zhuǎn)角關(guān)系等，并考慮橫梁的短期應(yīng)力、長(zhǎng)期應(yīng)力、立柱變形對(duì)橫梁的影響、橫梁本身的自重、不同材料下的橫梁特性研究試驗(yàn)、批量材料性能上的波動(dòng)誤差及地震載荷作用下的貨架性能試驗(yàn)等，以避免根據(jù)橫梁的實(shí)際模擬試驗(yàn)結(jié)果來(lái)考慮橫梁結(jié)構(gòu)上存在的局限性，大大縮短物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃周期，提高設(shè)計(jì)規(guī)劃效率和質(zhì)量。

托盤橫梁式鋼貨架結(jié)構(gòu)件的失效分析

冷彎薄壁型鋼構(gòu)件作為托盤橫梁式鋼貨架結(jié)構(gòu)的主體，在應(yīng)

用環(huán)境中，其周邊的應(yīng)力狀態(tài)是復(fù)雜、多變的，構(gòu)成的破壞形式也是復(fù)雜而且多樣的。由于冷彎薄壁型鋼構(gòu)件多孔性特征，《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》只能適用于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化截面構(gòu)件，需要結(jié)合貨架的體系結(jié)構(gòu)特征、貨架鋼結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用場(chǎng)合和試驗(yàn)數(shù)據(jù)、國(guó)內(nèi)外相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行失效試驗(yàn)分析。

同時(shí)，貨架鋼結(jié)構(gòu)中還存在大量的焊接構(gòu)件，需要對(duì)貨架構(gòu)件做焊接工藝適應(yīng)性試驗(yàn)及殘余應(yīng)力的失效試驗(yàn)，也要考慮其他殘余應(yīng)力的失效分析處理。例如。托盤貨架橫梁的主要失效影響來(lái)源于焊接、冷彎加工工藝中形成的殘余應(yīng)力，以及實(shí)際反復(fù)承載中形成的撓度變形及疲勞破壞等，對(duì)貨架構(gòu)件的生產(chǎn)制造、安裝等精度的控制造成一定影響，對(duì)貨架結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性造成直接影響，特別是橫梁連接件掛鉤的斷裂、變形等失效性試驗(yàn)研究對(duì)貨架鋼結(jié)構(gòu)的安全性起著關(guān)鍵作用。

試驗(yàn)方法

《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范CECS23:90》規(guī)定了四種試驗(yàn)方法：短柱試驗(yàn)、托盤橫梁試驗(yàn)、測(cè)定梁一柱和柱腳轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的門架試驗(yàn)、組裝式貨架單元的整體試驗(yàn)。歐標(biāo)規(guī)范中(FEM標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范)中還涉及到材料試驗(yàn)、立柱的受壓試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)屈曲檢驗(yàn)、柱卡彎曲試驗(yàn)、柱卡松動(dòng)試驗(yàn)、柱卡剪切試驗(yàn)、框架剪切剛度試驗(yàn)、柱截面彎曲試驗(yàn)、梁彎曲試驗(yàn)、柱連接試驗(yàn)、撞擊試驗(yàn)、整體試驗(yàn)等，并對(duì)各試驗(yàn)作了規(guī)程說(shuō)明和要求，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果偏差也進(jìn)行了規(guī)定，其試驗(yàn)結(jié)果自然更具有科學(xué)性，與我國(guó)的貨架規(guī)范也形成了比較大的差異和互補(bǔ)性。因此，有必要對(duì)不同國(guó)家和地區(qū)的托盤橫梁式鋼貨架系統(tǒng)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析，以期獲得對(duì)托盤橫梁式鋼貨架系統(tǒng)的精確認(rèn)識(shí)。

托盤橫梁式鋼貨架系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)與選擇

在進(jìn)行托盤橫梁式鋼貨架系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)客戶倉(cāng)庫(kù)尺寸說(shuō)明、結(jié)構(gòu)說(shuō)明繪制設(shè)計(jì)規(guī)劃用平面CAD圖紙和平面介紹文件，從倉(cāng)庫(kù)可利用的凈高、托盤單元尺寸及貨物的尺寸、貨物及托盤重量、出入庫(kù)作業(yè)時(shí)間與吞吐量、倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存總量、儲(chǔ)存品種與規(guī)格、貨物分類情況與包裝、貨物庫(kù)存周期、作業(yè)班次、使用何種倉(cāng)儲(chǔ)管理軟件、儲(chǔ)存有無(wú)特殊要求、單托盤是否混載、搬運(yùn)儲(chǔ)存系統(tǒng)、選用的叉車型號(hào)或參數(shù)、叉車存取貨物時(shí)的進(jìn)又方向、其他設(shè)計(jì)需求說(shuō)明等方面進(jìn)行綜合考慮，并選擇合適的貨架單元及組合結(jié)構(gòu)；同時(shí)，還要結(jié)合建筑物內(nèi)部的高度或空間限制、地面狀況、倉(cāng)庫(kù)門及物流走向分布和防火噴淋系統(tǒng)、倉(cāng)庫(kù)功能及目前或?qū)?lái)倉(cāng)庫(kù)作業(yè)流程的描述，進(jìn)貨、出貨、存儲(chǔ)及揀選作業(yè)區(qū)尺寸及分布，以及客戶的有關(guān)擬建倉(cāng)庫(kù)的其他信息，以便準(zhǔn)確采用平面CAD圖紙和平面介紹文件進(jìn)行貨物單元化處理與貨架功能區(qū)的布局規(guī)劃。

在托盤貨架系統(tǒng)的布局規(guī)劃中，還需要考慮各功能區(qū)的設(shè)置，如一般物流作業(yè)區(qū)、退貨物流作業(yè)區(qū)、換貨補(bǔ)貨作業(yè)區(qū)、流通加工作業(yè)區(qū)、物料配合作業(yè)區(qū)、倉(cāng)儲(chǔ)管理作業(yè)區(qū)、廠房使用配合作業(yè)區(qū)等，并根據(jù)用戶的具體作業(yè)特點(diǎn)和管理模式?jīng)Q定取舍，然后根據(jù)庫(kù)區(qū)的作業(yè)吞吐能力、具體貨物單元的分類與作業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行貨架功能區(qū)域系統(tǒng)的細(xì)分和設(shè)計(jì)規(guī)劃，并選擇合適的貨架單元與結(jié)構(gòu)組合，根據(jù)項(xiàng)目的進(jìn)展分階段逐步完善。

貨物單元化處理的依據(jù)來(lái)源于用戶的倉(cāng)庫(kù)管理模式與優(yōu)化結(jié)構(gòu)、貨物特點(diǎn)、貨位存貨方式和密度、貨物單元裝載、包裝形式、貨架單元深度的選擇、貨位尺寸的規(guī)劃決定貨位的凈寬、貨位的凈空高度及貨物的層數(shù)、貨架系統(tǒng)的總高、貨位的層承載、貨架立柱片的承載、貨架附件的設(shè)計(jì)、用戶要求和貨架結(jié)構(gòu)的要求、貨架立柱的孔位分布規(guī)律等，從根本上保證貨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體結(jié)構(gòu)的裝配功能的實(shí)現(xiàn)；根據(jù)用戶要求和行業(yè)規(guī)則選擇貨架的表面處理方式、顏色，并由此確定相關(guān)的技術(shù)參數(shù)和要求；并就整體規(guī)劃中可能需要其他類別貨架進(jìn)行補(bǔ)充規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)，或提出有建設(shè)性的建議，不能就托盤橫梁式鋼貨架系統(tǒng)規(guī)劃來(lái)代替一切可能的貨架設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

值得注意的是，托盤橫梁式鋼貨架結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)、制造與安裝等方面實(shí)際上是相互關(guān)聯(lián)并且比較復(fù)雜的，難以進(jìn)行理論化模型分析或通過(guò)實(shí)際模擬試驗(yàn)獲得理想的設(shè)計(jì)依據(jù)，要經(jīng)濟(jì)地并采用合理技術(shù)來(lái)提高貨架的整體穩(wěn)定性，顯得比較困難。為此需要從多方面進(jìn)行分析和簡(jiǎn)化，將理論分析與模擬試驗(yàn)手段相結(jié)合，并結(jié)合用戶實(shí)際加以考慮，以期獲得比較滿意的解決方案和合理的托盤橫梁式鋼貨架結(jié)構(gòu)體。