貨架安全典型問題分析

王拓

上海穩(wěn)圖貨架安全檢測技術(shù)有限公司 江蘇蘇州 215332

貨架作為一種物流存儲(chǔ)設(shè)備，在物流的倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)發(fā)揮了重要作用。當(dāng)前物流業(yè)在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速成熟，為了充分利用倉儲(chǔ)空間，貨物一般通過高位貨架存儲(chǔ)，少則5-10 米，多則20-30 米的立體貨架成為市場主流。在高度越來越大的同時(shí)，貨架的安全問題也日益顯現(xiàn)。貨架屬于存儲(chǔ)設(shè)備，需要配套專門的搬運(yùn)設(shè)備進(jìn)行貨物的存取。搬運(yùn)設(shè)備運(yùn)行過程中，不可避免地同貨架發(fā)生相互作用，比如碰撞，會(huì)導(dǎo)致貨架構(gòu)件的損壞，從而導(dǎo)致貨架的承載力降低，穩(wěn)定性變差，甚至發(fā)生倒塌。貨架的倒塌一旦發(fā)生，會(huì)引起連鎖反應(yīng)形成連續(xù)性倒塌。最近幾年國內(nèi)貨架產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督抽查中，出現(xiàn)不合格的原因主要集中在原材料不合格、產(chǎn)品抗壓性能不符合標(biāo)準(zhǔn)方面，并且全國范圍內(nèi)也發(fā)生過多起貨架倒塌致人傷亡事件[1]。

1 貨架連續(xù)性倒塌

貨架是與搬運(yùn)設(shè)備配合使用的。大部分貨架都配備叉車，由于誤操作導(dǎo)致叉車撞擊貨架幾乎是不可避免的。但是叉車撞擊引起的偶然荷載，在貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中卻沒有考慮（比較成熟的歐洲貨架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)EN15512 中，給出的叉車存取貨時(shí)的放置動(dòng)載，反映的是叉車操作良好的情況。對(duì)于配備叉車作業(yè)的貨架，其設(shè)計(jì)中并未考慮叉車的撞擊作用），原因在于貨架的立柱與橫梁等主要受力構(gòu)件為冷彎薄壁型鋼構(gòu)件，根本不能抵抗如此大的水平力（EN1991-1-7 中規(guī)定的倉庫建筑立柱必須能承受的叉車撞擊水平力約250kN）。到目前為止，所有貨架設(shè)計(jì)都不考慮此撞擊力，也就是說，貨架是不抗叉車撞擊的。如果考慮的話，那么結(jié)果就是單個(gè)儲(chǔ)位的貨架造價(jià)直線上升，勢(shì)必對(duì)倉儲(chǔ)物流行業(yè)造成嚴(yán)重影響。因此，一撞就倒的貨架，設(shè)計(jì)不一定是不足的，設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的貨架，一撞也有可能倒。受到撞擊而不倒的貨架，設(shè)計(jì)也不一定就符合標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)不足的貨架受到撞擊也可能不倒。

1.1 什么情況下貨架受到撞擊會(huì)/不會(huì)倒塌？

立柱受到撞擊發(fā)生破壞失效，才會(huì)引起貨架倒塌。問題轉(zhuǎn)化為，什么情況下撞擊會(huì)導(dǎo)致立柱破壞失效？任何撞擊變形都會(huì)造成立柱承載力一定程度的降低，從而降低安全水平。

但是實(shí)際中存在有利因素可以減緩立柱破壞失效：

貨架構(gòu)件的鋼材實(shí)際強(qiáng)度大于由規(guī)定的鋼材等級(jí)要求的最小值（設(shè)計(jì)采用的鋼材強(qiáng)度）（比如高達(dá)15%）；

實(shí)際總的托盤荷載小于規(guī)定的設(shè)計(jì)值，某些情況下相差很大，即儲(chǔ)位使用率未達(dá)到100%，抑或單托盤承重遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值；

制造與安裝精度優(yōu)于規(guī)定值；

選材時(shí)的承載力計(jì)算人為偏于保守。

對(duì)于一根符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的立柱，當(dāng)發(fā)生有限的撞擊變形時(shí)，其承載力可能會(huì)降低40%，撞擊后的安全系數(shù)計(jì)算示意如下：

(撞擊后的承載力)×(設(shè)計(jì)荷載分項(xiàng)系數(shù))×(提升的鋼材強(qiáng)度)/(撞擊后的實(shí)際承受荷載)

因此，撞擊后的安全系數(shù)=（1.0-0.4）×1.4×1.15/0.8=1.21。撞擊后的安全系數(shù)1.21 小于原設(shè)計(jì)安全系數(shù)：（荷載分項(xiàng)系數(shù)）×（材料系數(shù)）=1.4×1.0=1.4，但是仍然大于1.0，立柱不會(huì)立即破壞失效。然而，如果減緩立柱破壞的有利因素沒有同時(shí)出現(xiàn)，那么撞擊后的安全系數(shù)大約為：（1.0-0.4）×1.4=0.84，小于1.0，因此立柱很可能會(huì)發(fā)生破壞從而失效[2]。

1.2 貨架倒塌為什么是連續(xù)性的？有沒有什么阻斷措施？

結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌是指結(jié)構(gòu)因偶然荷載造成結(jié)構(gòu)局部破壞失效，繼而引起失效破壞構(gòu)件相連的構(gòu)件連續(xù)破壞，最終導(dǎo)致相對(duì)于初始局部破壞更大范圍的倒塌破壞。連續(xù)性倒塌的后果很嚴(yán)重，起因與損失不成比例。貨架結(jié)構(gòu)，由于自身特點(diǎn)，易發(fā)生連續(xù)性倒塌。

首先，貨架結(jié)構(gòu)冗余度較低，沒有多余構(gòu)件，單根立柱失效后，沒有形成新的可靠的傳力路徑，荷重從失效立柱向相鄰立柱傳遞，馬上超載嚴(yán)重引起新的立柱失效，然后通過橫梁擴(kuò)展開來。其次，貨架都是密集布置（貨架高度相對(duì)巷道寬度大很多），一列貨架的倒塌很難不波及相鄰列的貨架，掉落的貨物成為新的撞擊荷載。

連續(xù)性倒塌在建筑結(jié)構(gòu)中研究得較為深入。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有所謂的“保險(xiǎn)絲”概念，即讓特定的構(gòu)件在特定的條件下發(fā)生破壞，退出結(jié)構(gòu)體系，從而阻斷破壞的發(fā)展。對(duì)于貨架結(jié)構(gòu)而言，能起到保險(xiǎn)絲作用的可能是橫梁與立柱連接的位置，即梁柱節(jié)點(diǎn)。如果某座貨架倒塌時(shí)，橫梁與立柱能及時(shí)分離，那么就有可能阻斷連續(xù)性倒塌。當(dāng)然這僅僅存在于理論層面，實(shí)際設(shè)計(jì)還達(dá)不到如此精準(zhǔn)。

2 貨架梁柱節(jié)點(diǎn)安全插銷設(shè)計(jì)

對(duì)于橫梁式貨架，叉車搬運(yùn)存儲(chǔ)單元時(shí)，如果提升太高就會(huì)碰到其上層橫梁，從而對(duì)橫梁施加向上的推力。橫梁式貨架設(shè)計(jì)中，要求在梁端掛片與立柱間設(shè)置一個(gè)安全插銷，當(dāng)偶然推力傳遞到梁柱節(jié)點(diǎn)時(shí)，由安全插銷的抗剪切力抵抗，從而防止橫梁從立柱孔中脫出。

安全插銷設(shè)計(jì)為抗剪件，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)至少能抵抗0.5 噸的剪力。而實(shí)際上，大多數(shù)生產(chǎn)制造商的產(chǎn)品的抗剪力基本都在0.5 噸到1.0噸之間?？紤]到大部分叉車施加的偶然向上力引起的剪力都會(huì)超過此值，安全插銷的設(shè)計(jì)理念是在偶然超標(biāo)力的作用下允許其剪斷或失效，橫梁從立柱孔中脫出。這樣事故的后果就會(huì)僅限于一組存儲(chǔ)單元的塌落。如果橫梁不能從立柱孔脫出，那么后果就是將立柱孔壁撕裂，從而導(dǎo)致整根立柱的破壞，接著引起與該立柱相連的所有橫梁的垮塌，再傳到相鄰的立柱繼而沿巷道方向整列貨架倒塌形成連續(xù)性倒塌。

因此，安全插銷的抗剪能力既要滿足標(biāo)準(zhǔn)的最低要求以保證橫梁不能隨意脫出，又要滿足在較大偶然力作用下能保證橫梁脫出避免破壞立柱。各貨架供應(yīng)商應(yīng)保證自己產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)、構(gòu)造滿足要求。貨架安全檢測發(fā)現(xiàn)安全插銷缺失后，應(yīng)使用貨架供應(yīng)商的原裝安全插銷，而不建議使用其他廠商的安全插銷甚至是螺栓代替。

3 貨架節(jié)點(diǎn)疲勞

鋼貨架結(jié)構(gòu)的承載橫梁兩端一般通過焊接掛片，掛片上的掛齒插入立柱孔與立柱連接。由于此類節(jié)點(diǎn)的重要性，加工工藝的多樣性以及理論設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，一般是通過測試確定其承載能力與特性，安全儲(chǔ)備較大（按照安全系數(shù)來講，可能達(dá)到2.0）。然而在實(shí)際中，經(jīng)常遇到橫梁破壞前無任何征兆，在某次操作過程中突然發(fā)生摔貨的現(xiàn)象。當(dāng)然，引起破壞的原因可能有材料問題、加工工藝問題、安裝造成損壞、設(shè)計(jì)不足、超載以及操作不當(dāng)?shù)鹊?。然而本文要討論的是排除所有這些非正常原因后，還可能產(chǎn)生的破壞：疲勞破壞[3]。

根據(jù)材料破壞前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)(即壽命)以及疲勞荷載的應(yīng)力水平，疲勞又可以分為高周疲勞、低周疲勞和亞臨界疲勞。高周疲勞是材料所受的最大交變應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的極限強(qiáng)度，甚至只有極限強(qiáng)度的二分之一左右，破壞前的循環(huán)次數(shù)大于10^3 次，通常用S-N 曲線描述材料高周疲勞特性。低周疲勞是指材料所受的應(yīng)力水平較高，通常接近材料的極限強(qiáng)度，斷裂前循環(huán)次數(shù)較少，一般少于10^3，每次循環(huán)中塑性變形較大，低周破壞是塑性變形累積的結(jié)果，因此又把低周疲勞稱為塑性疲勞。

伴隨著貨物的存取，貨架結(jié)構(gòu)承受著加載與卸載的循環(huán)作用。而受單個(gè)存儲(chǔ)單元存取直接影響的構(gòu)件就是橫梁及梁端節(jié)點(diǎn)。在正常使用中，梁端節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力水平不高，如果發(fā)生疲勞破壞，應(yīng)該是高周疲勞。疲勞破壞屬于脆性破壞，在破壞前無明顯征兆，比較危險(xiǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免。貨架梁端節(jié)點(diǎn)發(fā)生疲勞破壞的概率與實(shí)際加卸載頻率和節(jié)點(diǎn)本身的疲勞壽命有關(guān)。不同吞吐能力的倉庫、不同功能用途的貨架、不同位置的橫梁，加卸載的頻率不盡相同。中轉(zhuǎn)位置的頻率高一些，存儲(chǔ)位置的頻率低一些。這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)問題。而節(jié)點(diǎn)本身的疲勞壽命，則由節(jié)點(diǎn)的材料、設(shè)計(jì)構(gòu)造、加工工藝、安裝精度、使用狀況等因素綜合決定。目前所有貨架設(shè)計(jì)規(guī)范中都沒有給出具體的設(shè)計(jì)規(guī)定，原因之一在于研究的欠缺。

東南大學(xué)尹凌峰教授團(tuán)隊(duì)對(duì)某廠家的鋼貨架結(jié)構(gòu)梁端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)研究，研究包括兩類不同構(gòu)造的節(jié)點(diǎn)：設(shè)置安全插銷的節(jié)點(diǎn)與設(shè)置螺栓的節(jié)點(diǎn)。在正常使用工況模擬下，設(shè)置安全插銷的節(jié)點(diǎn)破壞模式為掛片正面沖孔角點(diǎn)上的脆性破壞，疲勞壽命約2.2萬次；設(shè)置雙螺栓的節(jié)點(diǎn)破壞模式為梁側(cè)上端裂縫的出現(xiàn)并發(fā)展，疲勞壽命約18 萬次。從這一角度來看，增設(shè)螺栓改善了節(jié)點(diǎn)的疲勞特性，對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力是有利的。

4 結(jié)語

貨架結(jié)構(gòu)由于本身的使用環(huán)境與特性，易于發(fā)生碰撞，易于形成連續(xù)性倒塌，因此需要合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)并采取構(gòu)造措施。梁柱節(jié)點(diǎn)對(duì)貨架結(jié)構(gòu)的安全性有重要的影響，其中安全插銷的設(shè)計(jì)既需要考慮強(qiáng)度足夠又需要考慮及時(shí)破壞。對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞問題，需要進(jìn)一步的研究。