自動(dòng)化立體倉庫貨架柱腳力學(xué)分析

程亮

摘? 要：自動(dòng)化立體倉庫在現(xiàn)代物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)中被有效運(yùn)用，在該種全自動(dòng)化貨架中，存取貨活動(dòng)更加便捷，高層倉庫的可靠性與合理性也隨之增強(qiáng)。設(shè)計(jì)貨架時(shí)，必須要把控相應(yīng)的貨位空間與標(biāo)準(zhǔn)尺寸，確保貨架柱腳維持合理的受力狀態(tài)，不會(huì)輕易出現(xiàn)倒塌等危險(xiǎn)事件。文章結(jié)合某市南區(qū)商超自動(dòng)化立體倉庫項(xiàng)目的情況，對(duì)貨架柱腳部分的設(shè)計(jì)工作，展開力學(xué)方面的研究，并建設(shè)相應(yīng)的模型，全面保障該商超內(nèi)部的自動(dòng)化貨架的安全使用。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化立體倉庫貨架;柱腳;力學(xué)設(shè)計(jì);模型

中圖分類號(hào)：F253.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）10-0065-03

Abstract： Automated warehouse is effectively used in modern logistics warehousing system. In this kind of fully automated shelf， it is more convenient to access goods， and the reliability and rationality of high-level warehouse are also enhanced. When designing the shelf， it is necessary to control the corresponding space and standard size of the cargo space to ensure that the base of the shelf column maintains a reasonable stress state and will not easily collapse and other dangerous events. In this paper， combined with the situation of the commercial super-automated warehouse project in the southern district of a city， the design work of the shelf column foot part is studied， and the corresponding model is constructed to ensure the safe use of the automated shelf inside the commercial super-district in an all-round way.

Keywords： automated warehouse shelf; column foot; mechanical design; model

自動(dòng)化立體倉庫貨架的柱腳系統(tǒng)需要保持合理的受力結(jié)構(gòu)，這類貨架的構(gòu)成材料主要為鋼筋混凝土或者鋼材料，建設(shè)貨架時(shí)必須關(guān)注相關(guān)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性，包括柱腳部位以及巷道等。本文參照某項(xiàng)目的情況，從力學(xué)的角度，探討柱腳的受力情況，并建設(shè)相應(yīng)的力學(xué)模型。某市商超運(yùn)用全自動(dòng)化貨架，其柱腳部位的受力情況比較特殊，通過力學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以提升柱腳系統(tǒng)的穩(wěn)定性。力學(xué)分析與設(shè)計(jì)的過程如下：

1 項(xiàng)目概況

2016年11月到2017年10月，嘉興南區(qū)某項(xiàng)目與無錫某商超自動(dòng)化立體倉庫貨架項(xiàng)目均形成了完善的現(xiàn)代化電商倉儲(chǔ)分揀系統(tǒng)，可以全方面地支持顧客退貨處理、配送、包裝與分揀等物流服務(wù)。這兩種項(xiàng)目均能夠滿足未來一段時(shí)期內(nèi)的電商發(fā)展需求，優(yōu)化天貓商超各個(gè)區(qū)域的物流配送中心時(shí)可參照這兩個(gè)項(xiàng)目的倉庫貨架來確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)指標(biāo)。

立體倉庫分別被設(shè)立于嘉興與無錫，兩個(gè)倉庫總建筑面積均為12000m2，項(xiàng)目一的立體倉庫貨架高度達(dá)21m，共有23條巷道，12層，儲(chǔ)位共計(jì)45000個(gè);項(xiàng)目二的貨架高度為21m，層數(shù)為12層，只有22條巷道，儲(chǔ)位為43000個(gè)。現(xiàn)結(jié)合項(xiàng)目中的倉庫貨架的情況，對(duì)柱腳受力情況展開研究，通過建模來確定具體的受力形式以及相關(guān)受力數(shù)據(jù)。

2 自動(dòng)化立體倉庫貨架柱腳工作原理

貨架柱腳主要可支持固定柱構(gòu)件的下端，使其與基礎(chǔ)部位有效連接，將柱身施加的內(nèi)力轉(zhuǎn)移給基礎(chǔ)系統(tǒng)。在鋼材質(zhì)的貨架的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，柱腳節(jié)點(diǎn)發(fā)揮重大作用，其形式種類豐富，結(jié)合現(xiàn)有的柱腳研究理論可知，從柱腳強(qiáng)度的角度對(duì)幾種柱腳形式進(jìn)行對(duì)比，可調(diào)式柱腳的強(qiáng)度最低，預(yù)埋板式柱腳的強(qiáng)度最高，墊片式柱腳與灌漿式柱腳的強(qiáng)度值差異不大。

墊片式柱腳的技術(shù)原理如下：利用化學(xué)螺栓可固定地面系統(tǒng)與底板，添加墊片后可調(diào)整貨架的實(shí)際水平度，這種柱腳更適合具有一定平整性的場(chǎng)地中，如果地面平整度比較低，其應(yīng)用成本也會(huì)隨之升高?？烧{(diào)式柱腳比較靈活，運(yùn)用化學(xué)螺栓可固定其下底板，調(diào)整貨架水平度時(shí)需利用可調(diào)螺母與上底板，這種柱腳在平整度一般的區(qū)域也可被使用，在螺栓可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)調(diào)整柱腳不需增加技術(shù)成本[1]。

如果需將地面當(dāng)做基礎(chǔ)系統(tǒng)，可使用預(yù)埋件式柱腳，在預(yù)埋件上焊接可調(diào)螺栓，通過調(diào)整可調(diào)螺母的位置來控制貨架水平度，完成所有調(diào)試貨架的工作后，直接在可調(diào)螺栓分布區(qū)域展開二次澆筑工作，增強(qiáng)柱腳的穩(wěn)定程度，如果沒有完整的基礎(chǔ)系統(tǒng)可運(yùn)用該種柱腳，實(shí)現(xiàn)貨架與倉庫合一的目的。灌漿型柱腳與預(yù)埋式柱腳的應(yīng)用原理相似，在大多數(shù)場(chǎng)地中可發(fā)揮作用。

3 貨架柱腳力學(xué)計(jì)算

3.1 計(jì)算與設(shè)計(jì)難點(diǎn)

在本次項(xiàng)目?jī)?yōu)化過程中，技術(shù)人員必須參考實(shí)際的貨架建設(shè)條件來完善柱腳設(shè)計(jì)方案，如果單一運(yùn)用傳統(tǒng)化的預(yù)埋板完成柱腳設(shè)計(jì)工作，不僅項(xiàng)目的技術(shù)成本比較高，同時(shí)柱腳施工的難度也會(huì)大幅提升。因此采用建模分析的方法，確定在不同工況條件下柱腳的實(shí)際受力情況，借此獲取上拔力、最大壓力數(shù)值，轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)柱腳的方法，利用化學(xué)螺栓支持的技術(shù)方法固定柱腳。調(diào)整施工方法，與預(yù)埋時(shí)柱腳設(shè)計(jì)相比，成本降低20%，施工方法更加靈活，倉庫貨架建設(shè)區(qū)域的基礎(chǔ)土建施工時(shí)間被縮短，設(shè)計(jì)者優(yōu)化了節(jié)點(diǎn)部位的設(shè)計(jì)工作。

3.2 常規(guī)參數(shù)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目的安全等級(jí)相關(guān)參數(shù)如下：抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地類別為Ⅱ類;設(shè)計(jì)荷載參數(shù)代號(hào)：最大活載PL，活載為LL，地震載荷為EL，恒載為DL。

DL為鋼結(jié)構(gòu)本身的重量，根據(jù)已知項(xiàng)目信息可知，重量為60kg/層;PL為12層貨物載荷：1600kg/層;LL設(shè)置為100%最大活載。

3.3 地震效應(yīng)分析

參考相關(guān)抗震規(guī)范的要求，阻尼比數(shù)值設(shè)定為0.04，該地區(qū)的地震加速度為0.10g，展開貨架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的相關(guān)抗震設(shè)計(jì)工作，只需參照水平地震作用即可，不需計(jì)算豎向地震作用，計(jì)算橫、縱兩個(gè)方向的水地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)可運(yùn)用以下公式：

計(jì)算地震作用時(shí)，還需根據(jù)活載種類設(shè)計(jì)情況，確定相關(guān)的組合值系數(shù)與相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)值，活荷載的組合值系數(shù)為0.5，屋面活荷載的相應(yīng)數(shù)值為0，根據(jù)實(shí)際情況確定貨架各層的活荷載建筑時(shí)，數(shù)值被設(shè)計(jì)為1.0，根據(jù)等效均布荷載確定組合值系數(shù)數(shù)值為0.8。

貨架結(jié)構(gòu)的基本自振周期T1可按下列方法計(jì)算：

經(jīng)過計(jì)算后得到荷載組合（抗震驗(yàn)算）結(jié)果如下：

4 建模分析

借助現(xiàn)有的貨架結(jié)構(gòu)資料確定計(jì)算模型，為了縮減計(jì)算量，直接提取當(dāng)前結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的典型貨架單元展開計(jì)算工作，有限元模型如圖1：

結(jié)構(gòu)模態(tài)可直接反映出結(jié)構(gòu)在受到地震作用影響后形成的反應(yīng)，運(yùn)用模態(tài)分析的方法可確定結(jié)構(gòu)的具體自振周期數(shù)值，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗震性能[2]。

貨架結(jié)構(gòu)在一定的外部荷載作用下會(huì)出現(xiàn)變形的情況，在不同荷載組合的工況條件下，最大側(cè)向位移的情況也存在差異，無論是承載力達(dá)到極限狀態(tài)，還是在正常使用的情況滿足極限狀態(tài)條件，該貨架結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移均不會(huì)超出限制設(shè)置。貨架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)力分布情況被完整地儲(chǔ)存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，校核結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)可運(yùn)用這些數(shù)據(jù)資源，在不同的荷載組合條件下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力分布情況也比較清晰[3]。

分析柱腳節(jié)點(diǎn)的實(shí)際剛度數(shù)值時(shí)，必須有效區(qū)分不同的條件，在常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，底板系統(tǒng)的柱腳節(jié)點(diǎn)會(huì)被直接設(shè)置為鉸接節(jié)點(diǎn)，處理方式也比較簡(jiǎn)單，在鋼材質(zhì)的貨架結(jié)構(gòu)中，這種方法并不能發(fā)揮作用，研究柱腳節(jié)點(diǎn)的受力情況時(shí)，應(yīng)關(guān)注立柱的性能，建設(shè)相應(yīng)的模型進(jìn)行分析，參考柱腳節(jié)點(diǎn)的具體剛度設(shè)定值，計(jì)算立柱的長度。焊接底板與貨架立柱時(shí)，選擇使用的焊接方式也會(huì)影響到最終的節(jié)點(diǎn)彎矩，利用全部焊接的手段處理立柱角部區(qū)域時(shí)，雖然節(jié)點(diǎn)的剛度水平提升得并不明顯，但是可有效預(yù)防建筑焊接撕裂的問題。增加底板的厚度之后，底板具有的抵抗變形與扭曲的能力可被提升，柱腳節(jié)點(diǎn)處的剛度水平也能夠充分增加。

節(jié)點(diǎn)試件采用的立柱為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格截面立柱（長寬均為55mm）。其腹板上有一系列分布規(guī)律的矩形和圓形孔洞，這些孔洞是為了使立柱方便連接橫梁等其他構(gòu)件。采用角焊縫將立柱下端直接焊接在一塊底板上，具體焊接的位置為立柱截面的后翼緣和腹板。試件的變形主要發(fā)生在立柱受拉翼緣附近的柱腳底板上，此處底板被拉起。同時(shí)由于立柱翼緣并沒有與底板焊接，當(dāng)橫向荷載較大時(shí)，受拉力的一側(cè)翼緣與底板間出現(xiàn)縫隙[4]。

在小幅值荷載作用下，一直保持彈性狀態(tài)，直到增加到大幅值荷載時(shí)，才有明顯的塑性變形。螺栓受力前柱腳所承受的彎矩主要是由于軸壓力所產(chǎn)生的，使滯回曲線的形狀發(fā)生變化，這與試驗(yàn)中所得到的結(jié)果吻合較好[4]。

通過建模分析的方法可以獲取以下結(jié)論，立柱軸力給柱腳節(jié)點(diǎn)部位帶去的影響主要體現(xiàn)在極限彎矩與初始抗彎剛度兩個(gè)方面，柱腳底板存在扭曲變形的問題，立柱腹板系統(tǒng)的角焊縫的邊緣在產(chǎn)生明顯的變形后，柱腳等其他的貨架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生撕裂破壞的情況。運(yùn)用有限元模型可直接模擬柱腳節(jié)點(diǎn)相關(guān)抗彎性能;立柱的底板厚度與豎向軸力數(shù)值增加后，立柱節(jié)點(diǎn)的整體抗彎承載力與初始剛度的數(shù)值均有所提升，但是在控制柱腳節(jié)點(diǎn)處的受力情況時(shí)，不可忽視節(jié)點(diǎn)性能受到的立柱軸力的影響，當(dāng)軸力增加之后，節(jié)點(diǎn)性能會(huì)隨之減少。利用化學(xué)螺栓支持結(jié)構(gòu)連接工作，可以充分增強(qiáng)柱腳系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更安全地支撐貨架系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)某市商超使用的自動(dòng)化立體倉庫貨架，對(duì)其柱腳系統(tǒng)展開了研究，從柱腳系統(tǒng)的運(yùn)行原理入手，展開了相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算工作，根據(jù)獲取的計(jì)算數(shù)值建設(shè)了相應(yīng)的力學(xué)模型，確定了不同位置的柱腳的實(shí)際受力狀況，為后續(xù)維持貨架穩(wěn)定的工作做好了數(shù)據(jù)相關(guān)的準(zhǔn)備工作，提升整體貨架的安全性，形成最完善的柱腳受力體系，優(yōu)化柱腳設(shè)計(jì)時(shí)，也縮減了相對(duì)應(yīng)的施工工期，施工者可以更加靈活的方式來應(yīng)對(duì)貨架土建方面的施工問題。

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