托盤橫梁式鋼貨架結構概述

張衛(wèi)國

摘要：托盤橫梁式鋼貨架結構主要構件的強度、剛度及穩(wěn)定性與設計、制造、安裝等方面相互關聯(lián)，在進行系統(tǒng)規(guī)劃設計時，需要將理論分析與模擬試驗手段相結合，并結合用戶實際加以考慮。

關鍵詞：托盤貨架系統(tǒng)、貨架鋼結構、規(guī)劃設計

托盤橫梁式鋼貨架結構主要由立柱、橫梁等主要承載構件及其附屬配套件構成，橫梁與立柱的連接多采用機械式的鎖扣結構，可隨意拆裝組合。在貨架系統(tǒng)的選用和設計規(guī)劃過程中，要綜合考慮相應國家和地區(qū)的貨架鋼結構設計規(guī)范、標準及已驗證的貨架組件產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)和設計參數(shù)，并結合貨架的使用要求、搬運設備的性能及控制方式、存儲單元的規(guī)格參數(shù)特性及荷載類別、制作材料的供應及加工工藝、安裝條件等因素，合理選擇材料、結構形式、連接方式和構造加固措施，并對貨架鋼結構及其單元體進行強度、剛度及穩(wěn)定性的校核與設計，確保結構合理、外形美觀及經(jīng)濟性好，以滿足客戶的實際需要。

主要零部件的特點

1托盤橫梁式鋼貨架的立柱結構

在托盤橫梁式鋼貨架結構體系中，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構。在貨架立柱的開發(fā)設計過程中，既要考慮貨架立柱的承載力、截面力學特性、冷加工工藝及生產(chǎn)制造精度等要求，還要考慮荷載特性、截面回轉半徑、節(jié)點節(jié)距等參數(shù)對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，國內外很多學者針對不同的貨架立柱結構和零部件進行了大量的試驗、數(shù)值分析及理論研究，也制定了一系列的規(guī)范和標準，但至今還沒有切實可行的通用程序和理論來精確、有效地計算貨架立柱結構的承載力。目前可以通過有限元方法實現(xiàn)貨架立柱在特定力學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，并且我國貨架類規(guī)范及其他國家和地區(qū)的貨架規(guī)范均建議采用試驗的方法來確定貨架立柱的力學特性。

本文利用SOLIDWORK2007軟件自帶的COSMOSXpress設計分析工具，對某類托盤橫梁式鋼貨架立柱進行了簡單分析，采用貨架立柱為3000mm長的13個折面的冷彎薄壁多孔的型材結構實體網(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；類比可分析其他設定長度的貨架立柱，結果基于線性靜態(tài)分析，材料設想為同象性。其中貨架立柱的材料特性假設為：彈性模量2.1e+011N／m²，泊松比0.28 NA，抗剪模量7.9e+010 N／m²，質量密度7800kg／m³，張力強度3.9983e+008 N／m²，屈服強度2.206e+008 N／m²，見圖1、圖2?；旧峡梢阅M計算出相應的屈服力、位移量。并根據(jù)設計計算中的安全系數(shù)獲得相應的約束及約束力、外加載力等，為實際的試驗模擬和數(shù)據(jù)驗證提供科學依據(jù)。

2托盤橫梁式鋼貨架立柱片的支撐結構

立柱通過橫斜撐連接構成立柱片，并形成貨架結構承載的主體骨架結構。由于貨架立柱橫截面的對稱性與開口冷彎薄壁多孔的特點，其在X-Y兩個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)點節(jié)距并通過設置支撐體系的方式來加強承載能力，以減少貨架冷彎薄壁多孔立柱的計算長度。也有廠商根據(jù)貨架承載的特點布置支撐，如形成上疏下密的符合力學特點的優(yōu)化布置特點，但不利于生產(chǎn)的標準化和批量化，貨架的安裝與調整也存在一定難度。支撐多采用C型截面冷彎鋼或矩形截面管制作。筆者在《貨架鋼結構系統(tǒng)的分析》(《物流技術與應用》2007年10期)中用三角幾何不變體原理說明了布置支撐結構的方法，貨架的絎架特性更加突出、整體穩(wěn)定性更強，同理對貨架結構體的跨度、高度、長度等方面進行優(yōu)化研究和分析，分析貨架立柱的邊界約束、細長比的影響因素等，分析構件間的內力分布及大小，對貨架整體穩(wěn)定性分析及提高貨架立柱的承載力均提供了科學依據(jù)。

3托盤橫梁式鋼貨架的橫梁結構

橫梁作為托盤橫梁式鋼貨架結構系統(tǒng)中支承貨物的主要受力部件，通過特定的梁柱節(jié)點形式(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、螺栓接點、機械式節(jié)點)構成貨架框架結構，此處多采用半剛性節(jié)點進行處理，這也是托盤橫梁式鋼貨架區(qū)別于一般鋼結構的特征之一。根據(jù)現(xiàn)有的《鋼結構設計規(guī)范》提出的半剛接的可行性，可通過試驗獲得梁柱節(jié)點的彎矩一轉角關系曲線，即節(jié)點的轉動剛度，以研究、設計和計算貨架梁柱間的半剛性連接。歐洲規(guī)范EC4規(guī)定：當節(jié)點的轉動剛度小于梁的線剛度的0.5倍時，可視為鉸接；當節(jié)點轉動剛度大干梁的線剛度的25倍時，可視為剛接；兩者之間為半剛接。AISC規(guī)范1994年版把傳遞20％以下構件抗彎能力的連接稱為鉸接，傳遞20％～90％構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)《鋼貨架結構設計規(guī)范CECS23:90》推薦的橫梁試驗方法獲得的數(shù)據(jù)、理論推導數(shù)據(jù)及經(jīng)驗、相應的設計規(guī)范和標準及客戶的個性化要求，選擇不同規(guī)格型號的橫梁結構和系列，來滿足客戶的實際承載和多種物料的儲存要求，為企業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)和創(chuàng)新提供理論分析依據(jù)。

由于橫梁的結構和實際的受力情況比較復雜，計算過程比較繁瑣，容易造成計算不準確，導致貨架的強度或剛度不足，給貨架使用留下安全隱患。同時，橫梁可選用的冷彎截面的形狀多種多樣，其設計支持理論較多，且比較復雜，在設計上主要考慮同等耗材條件下負載能緩沖沖擊載荷，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。在進行托盤橫梁式鋼貨架規(guī)劃時，國內外規(guī)范上均建議采用試驗的方法來確定橫梁的強度、剛度和穩(wěn)定性參數(shù)，以及梁柱節(jié)點的強度、剛度、梁柱節(jié)點的彎矩一轉角關系等，并考慮橫梁的短期應力、長期應力、立柱變形對橫梁的影響、橫梁本身的自重、不同材料下的橫梁特性研究試驗、批量材料性能上的波動誤差及地震載荷作用下的貨架性能試驗等，以避免根據(jù)橫梁的實際模擬試驗結果來考慮橫梁結構上存在的局限性，大大縮短物流系統(tǒng)的設計規(guī)劃周期，提高設計規(guī)劃效率和質量。

托盤橫梁式鋼貨架結構件的失效分析

冷彎薄壁型鋼構件作為托盤橫梁式鋼貨架結構的主體，在應

用環(huán)境中，其周邊的應力狀態(tài)是復雜、多變的，構成的破壞形式也是復雜而且多樣的。由于冷彎薄壁型鋼構件多孔性特征，《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》只能適用于規(guī)范標準化截面構件，需要結合貨架的體系結構特征、貨架鋼結構體系的應用場合和試驗數(shù)據(jù)、國內外相應規(guī)范進行失效試驗分析。

同時，貨架鋼結構中還存在大量的焊接構件，需要對貨架構件做焊接工藝適應性試驗及殘余應力的失效試驗，也要考慮其他殘余應力的失效分析處理。例如。托盤貨架橫梁的主要失效影響來源于焊接、冷彎加工工藝中形成的殘余應力，以及實際反復承載中形成的撓度變形及疲勞破壞等，對貨架構件的生產(chǎn)制造、安裝等精度的控制造成一定影響，對貨架結構體的強度、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、變形等失效性試驗研究對貨架鋼結構的安全性起著關鍵作用。

試驗方法

《鋼貨架結構設計規(guī)范CECS23:90》規(guī)定了四種試驗方法：短柱試驗、托盤橫梁試驗、測定梁一柱和柱腳轉動剛度的門架試驗、組裝式貨架單元的整體試驗。歐標規(guī)范中(FEM標準與規(guī)范)中還涉及到材料試驗、立柱的受壓試驗、扭轉屈曲檢驗、柱卡彎曲試驗、柱卡松動試驗、柱卡剪切試驗、框架剪切剛度試驗、柱截面彎曲試驗、梁彎曲試驗、柱連接試驗、撞擊試驗、整體試驗等，并對各試驗作了規(guī)程說明和要求，同時對試驗的結果偏差也進行了規(guī)定，其試驗結果自然更具有科學性，與我國的貨架規(guī)范也形成了比較大的差異和互補性。因此，有必要對不同國家和地區(qū)的托盤橫梁式鋼貨架系統(tǒng)規(guī)范進行對比分析，以期獲得對托盤橫梁式鋼貨架系統(tǒng)的精確認識。

托盤橫梁式鋼貨架系統(tǒng)的規(guī)劃設計與選擇

在進行托盤橫梁式鋼貨架系統(tǒng)設計時，要根據(jù)客戶倉庫尺寸說明、結構說明繪制設計規(guī)劃用平面CAD圖紙和平面介紹文件，從倉庫可利用的凈高、托盤單元尺寸及貨物的尺寸、貨物及托盤重量、出入庫作業(yè)時間與吞吐量、倉庫儲存總量、儲存品種與規(guī)格、貨物分類情況與包裝、貨物庫存周期、作業(yè)班次、使用何種倉儲管理軟件、儲存有無特殊要求、單托盤是否混載、搬運儲存系統(tǒng)、選用的叉車型號或參數(shù)、叉車存取貨物時的進又方向、其他設計需求說明等方面進行綜合考慮，并選擇合適的貨架單元及組合結構；同時，還要結合建筑物內部的高度或空間限制、地面狀況、倉庫門及物流走向分布和防火噴淋系統(tǒng)、倉庫功能及目前或將來倉庫作業(yè)流程的描述，進貨、出貨、存儲及揀選作業(yè)區(qū)尺寸及分布，以及客戶的有關擬建倉庫的其他信息，以便準確采用平面CAD圖紙和平面介紹文件進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)的設置，如一般物流作業(yè)區(qū)、退貨物流作業(yè)區(qū)、換貨補貨作業(yè)區(qū)、流通加工作業(yè)區(qū)、物料配合作業(yè)區(qū)、倉儲管理作業(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)特點和管理模式?jīng)Q定取舍，然后根據(jù)庫區(qū)的作業(yè)吞吐能力、具體貨物單元的分類與作業(yè)特點進行貨架功能區(qū)域系統(tǒng)的細分和設計規(guī)劃，并選擇合適的貨架單元與結構組合，根據(jù)項目的進展分階段逐步完善。

貨物單元化處理的依據(jù)來源于用戶的倉庫管理模式與優(yōu)化結構、貨物特點、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、貨架附件的設計、用戶要求和貨架結構的要求、貨架立柱的孔位分布規(guī)律等，從根本上保證貨架結構的穩(wěn)定性和整體結構的裝配功能的實現(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，并由此確定相關的技術參數(shù)和要求；并就整體規(guī)劃中可能需要其他類別貨架進行補充規(guī)劃設計和優(yōu)化改進，或提出有建設性的建議，不能就托盤橫梁式鋼貨架系統(tǒng)規(guī)劃來代替一切可能的貨架設計與規(guī)劃。

值得注意的是，托盤橫梁式鋼貨架結構主要構件的強度、剛度及穩(wěn)定性的設計、制造與安裝等方面實際上是相互關聯(lián)并且比較復雜的，難以進行理論化模型分析或通過實際模擬試驗獲得理想的設計依據(jù)，要經(jīng)濟地并采用合理技術來提高貨架的整體穩(wěn)定性，顯得比較困難。為此需要從多方面進行分析和簡化，將理論分析與模擬試驗手段相結合，并結合用戶實際加以考慮，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構體。