王素玉，鹿國慶，曹沖振，許彤然，徐 杰

WANG Suyu,LU Guoqing,CAO Chongzhen,XU Tongran,XU Jie

（山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590）(College of Transportation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

1 倉庫概述

某整體式立體倉庫位于我國西北地區(qū)，存放貨物的形式為箱式貨物。倉庫的允許建筑面積為45畝，即建筑面積為29 700m2，其基本建筑類型為鋼結(jié)構(gòu)建筑，立體庫貨架所采用的鋼結(jié)構(gòu)材料為Q235。貨架縱向（沿巷道）總長度為96.1m，總寬度為36.5m，總高度為21.8m。其中單排高密度貨架寬度為1m，巷道寬度為4m。

2 貨架結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)設計的核心問題就是圍繞著如何設計、制造、安裝一個高精度的貨架、以保證貨架在長期使用下保證具有一定的剛度、強度和穩(wěn)定性之外，還需滿足精度要求而展開的[1]。整體式立體倉庫貨架的主要功能是對貨物進行存儲，它的存儲單元均為托盤系輸送單元，對于立體倉庫的貨架，應以保證高保有量原則為主，所以立體倉庫貨架應采用多排的高密度貨架，使用雙托盤位的存放方法，既增加了保有量又減少了貨架材料的使用。

綜合立體倉庫貨架的設計與布局、對所有的貨架布置進行整體規(guī)劃和對貨架整體運用三維軟件進行建模如圖1所示。

對立體倉庫貨架參數(shù)進行標定，具體設計技術(shù)參數(shù)如表1。

圖1 貨架整體三維建模

3 貨架載荷分析

庫內(nèi)選用整體式高密度貨架，其基本建筑類型為鋼結(jié)構(gòu)建筑。立體庫貨架鋼結(jié)構(gòu)材料采用Q235，鋼結(jié)構(gòu)建筑在設計過程中的穩(wěn)定性問題、強度問題極為重要。全載荷指貨架受貨物載荷、風載、雪載以及地震載荷等組合載荷，對于所選貨架進行靜力學全載荷分析，能有效判斷其剛度強度。

該立體倉庫每列貨架頂部用橫梁與每個立柱通過4個高強度螺栓連接，如圖2，橫梁的尺寸為方鋼110mm×110mm×7mm；橫梁上端的豎直梁通過2個高強度螺栓固定在橫梁上。斜梁H型鋼與每個豎直梁用2個高強度螺栓連接，豎直梁尺寸為方鋼80mm×80mm×5mm，斜梁H型鋼尺寸為 100mm×50mm×5mm。

圖2 整體式立體倉庫貨架局部結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)貨格的承載要求，每個貨格承載兩托貨物，重量共為1 500kg。如圖3，單個貨格有4個承載節(jié)點，所以滿載時每個節(jié)點承載375kg。但是考慮到相鄰兩個貨格共用兩個立柱，故此時兩個立柱上的節(jié)點承載應為375×2=750kg，且節(jié)點兩側(cè)所產(chǎn)生的彎矩互相抵消。如圖4，立體庫的第一列和最后一列的外側(cè)承載節(jié)點由于只承受一個貨格的承載重量，所以承載節(jié)點承受貨物重量375kg，且承載節(jié)點還受彎矩的作用。

圖3 中間貨格受力圖

圖4 兩端貨格受力圖

（1）中間貨格載荷計算

式中：F1—中間節(jié)點載荷，N；γQ—可變載荷的分項系數(shù)，取值為1.4；m1—承載節(jié)點承受貨物重量，kg；g—重力加速度，m/s。

（2）兩端貨格載荷計算

式中：F2—兩端節(jié)點載荷，N；γQ—可變載荷的分項系數(shù)，取值為1.4；m2—承載節(jié)點承受貨物重量，kg；g—重力加速度，m/s。

（3） 兩端彎矩計算

式中：F2—第一列與最后一列的外側(cè)承載節(jié)點所受彎矩，N·mm；l—橫梁的長度，mm。

3.1 風載能力計算

所設計的立體倉庫地處西北地區(qū)，風沙現(xiàn)象較為嚴重，風壓系數(shù)為0.35kN/m2，整體式立體倉庫可能承受風載的面有3個，計算時選取兩個面積較大的迎風面進行計算，其中一個是選取貨架的第一排迎風面，另外一個是貨架的第一列迎風面。

垂直于建筑物表面上的風載荷標準值計算公式[2]為：

式中：Wki—風載荷標準值（N/m）；βz—高度z處的風振系數(shù)（根據(jù)貨架鋼結(jié)構(gòu)的外形尺寸，可以不考慮風振系數(shù)，故取值為1）[3]；μs—風載荷體型系數(shù)（鋼結(jié)構(gòu)的類型為封閉式單坡屋面，風載荷體型系數(shù)為0.8）[4]；μzi—風壓高度變化系數(shù)；W0—基本風壓，N/m（基本風壓為350）。

垂直于建筑物表面上的不同高度區(qū)域風載荷標準值計算結(jié)果如表2：

（1）第一排迎風面各節(jié)點風載

表2 不同高度區(qū)域風載荷標準值計算結(jié)果

由于風載荷標準值隨著高度的變化而變化，所以要計算在不同高度區(qū)域的受力節(jié)點的載荷值。

式中：Fi—第一排迎風面計算區(qū)域各節(jié)點的平均風載—可變載荷的分項系數(shù)，取值為1.4；H—計算區(qū)域的高度，m；L—立體庫的總長度，m；N—不同計算區(qū)域的節(jié)點總數(shù)。第一排迎風面不同高度計算區(qū)域各節(jié)點的平均風載計算結(jié)果如表3：

表3 第一排迎風面不同高度計算區(qū)域各節(jié)點的平均風載計算結(jié)果

（2）第一列迎風面各節(jié)點風載

當離地面的高度低于10m時：

式中：Fi—第一列迎風面計算區(qū)域各節(jié)點的平均風載，N， （i=7、8、9、10 ）；γQ—可變載荷的分項系數(shù)，取值為1.4；H—計算區(qū)域的高度，m；K—立體庫的寬度，m；N—不同計算區(qū)域的節(jié)點總數(shù)。

第一列迎風面不同高度計算區(qū)域各節(jié)點的平均風載計算結(jié)果如表4：

表4 第一列迎風面不同高度計算區(qū)域各節(jié)點的平均風載計算結(jié)果

3.2 雪載計算

立體倉庫所在地區(qū)冬季下雪較多，積雪會對屋頂施加壓力，所以在計算時需要考慮雪載因素，雪載是作用在立體庫頂端的載荷，由于倉庫遮板與各貨架在頂端節(jié)點連接，所以在加等效載荷時只需要加在各貨架的頂端節(jié)點上。

根據(jù)立體倉庫所放置的地理位置確定基本雪壓為0.25kN/m2，頂端各節(jié)點的平均雪載[2]：

式中：F11—頂端各節(jié)點的平均屋面雪載，N；γQ—可變載荷的分項系數(shù)，取值為1.4；L—立體庫的總長度，m；K—立體庫的側(cè)面寬度，m；J—屋頂載荷系數(shù)，N/m2；N—貨架頂端節(jié)點數(shù)（480個）。

3 .3 地震載荷

根據(jù)我國主要城鎮(zhèn)抗震設防烈度、實際基本地震加速度和設計地震分組查得設計地區(qū)為Ⅱ類場地、設計地震第一組，設計特征周期為0.36s[5]，設計地區(qū)地震基本烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，所以貨架地震載荷為0.20mg。

4 基于ANSYS的單排貨架偏移結(jié)果分析

（1）立體庫貨架鋼結(jié)構(gòu)載荷

在貨架結(jié)構(gòu)設計中，貨架的變形問題尤為重要[1]，即較嚴格的精度問題。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》要求，立體倉庫貨架鋼結(jié)構(gòu)所承受的載荷分為兩類：一類為永久載荷，只有結(jié)構(gòu)自重；另一類為可變載荷，包括貨物載荷、風載、雪載及地震載荷等[2]。由于該貨架是框架結(jié)構(gòu)，載荷效應組合可采用簡化規(guī)則，并應按下列組合值中取最不利值確定：

式中：S—最不利載荷效應值；γG—永久載荷的分項系數(shù)[6]，取值為1.2；γQ—可變載荷的分項系數(shù)，取值為1.4；SGK—按永久載荷標準值計算的載荷效應值；SQK—按可變載荷標準值計算的載荷效應值。

（2） ANSYS模型建立

由于貨架的連接處和集中力處需要設置節(jié)點，而且節(jié)點的分布規(guī)則不均，故使用ANSYS的APDL模塊（鋼結(jié)構(gòu)貨架模塊）對貨架建立有限元模型，為了計算方便，建模時只對單排高密度貨架以及倉庫的連接最高點貨架結(jié)構(gòu)進行了建模，模型如圖5為X-Z面建模，圖7為Y-Z面建模。

圖5 X-Z面建模

圖6 X-Z面仿真結(jié)果

圖7 Y-Z面建模

圖8 Y-Z面仿真結(jié)果

（3）偏移仿真結(jié)果分析

在計算偏移時，貨架鋼結(jié)構(gòu)受貨物載荷、結(jié)構(gòu)自重、風載、雪載以及地震載荷等的作用，按組合載荷來施加載荷，約束貨架底端節(jié)點的所有自由度。有限元仿真結(jié)果如圖6、圖8，對于X—Z面來說，最大偏移點出現(xiàn)在第10層高位置，偏移量為17.814mm，距離地面高度為19 810mm，同樣在Y—Z面的相同位置，貨架在承受所有載荷的共同作用時，偏移向Y方向約17.814mm。

鋼結(jié)構(gòu)的許用撓度如表5[7]，表中L代表受彎構(gòu)件的跨度，由于貨架鋼結(jié)構(gòu)約束了貨架底端所有節(jié)點的自由度，故把結(jié)構(gòu)近似認為是一個懸臂梁[4]，L取值為貨架的高度21 500mm。按照最不利值計算L/1 000=21.5mm來判斷。貨架的最大偏移值19.704mm小于許用撓度21.5mm。由此可以確定貨架鋼結(jié)構(gòu)的剛度滿足要求。

表5 鋼結(jié)構(gòu)設計撓度允許值

5 結(jié)論

本文簡單闡述整體式立體倉庫貨架結(jié)構(gòu)；并對貨架結(jié)構(gòu)進行靜力分析、載荷分析與理論計算；通過ANSYS對單排高密度貨架偏移結(jié)果進行仿真分析，得出該貨架結(jié)構(gòu)在正常工作載荷、風載、雪載和地震載荷等全載荷共同作用下，貨架鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的偏移量未超出許用值，可以確定貨架鋼結(jié)構(gòu)的剛度滿足要求。