摘要：本文2009年發表于物(wù)流技術，對(duì)新标準“工業貨架設計計算(suàn)”的(de)關鍵内容進行解讀，旨在指導讀者準确理(lǐ)解标準，達到正确應用(yòng)标準完成對(duì)工業貨架的(de)設計與計算(suàn)的(de)目的(de)。

01 概述

        即将報批的(de)國家标準“工業貨架設計計算(suàn)”是一個(gè)新的(de)标準，與以往的(de)相關标準不同的(de)是，本次發布的(de)标準主要針對(duì)組合式貨架。鑒于組合式貨架的(de)廣泛應用(yòng)( 保守估計超過90%)，該标準對(duì)于我國貨架的(de)安全設計具有重要的(de)指導意義。

        由于國家經濟的(de)快(kuài)速發展，帶動了(le)物(wù)流業的(de)快(kuài)速發展。作爲物(wù)流系統的(de)重要組成部分(fēn)，組合式貨架最近10年以每年超過25%的(de)速度增長(cháng)，2009年全國貨架行業産值超過30億，其中約50%是組合式托盤貨架。然而，與之不相适應的(de)是貨架的(de)設計計算(suàn)技術嚴重滞後，貨架生産單位和(hé)用(yòng)戶長(cháng)期對(duì)貨架的(de)計算(suàn)缺乏科學的(de)态度，結果不僅導緻極大(dà)浪費，而且造成重大(dà)損失。據不完全統計，近年來(lái)，貨架垮塌現象造成的(de)直接經濟損失至少超過1億元，并且伴随著(zhe)造成重大(dà)人(rén)員(yuán)傷亡。此外，2008年的(de)汶川大(dà)地震，也(yě)給貨架的(de)設計計算(suàn)提出了(le)新的(de)要求。本文對(duì)新标準的(de)部分(fēn)章(zhāng)節進行解讀，以幫助用(yòng)戶正确理(lǐ)解并應用(yòng)标準。

02 關于适用(yòng)範圍

        标準“1範圍”明(míng)确規定“适用(yòng)于托盤貨架、窄巷道托盤貨架、自動化(huà)立體倉庫貨架的(de)設計和(hé)計算(suàn)”。

        标準沒有明(míng)确規定其他(tā)貨架的(de)基本原因有兩點:

        1) 限于篇幅，本标準主要是以托盤貨架爲對(duì)象，包括以周轉箱等以單元形式儲存的(de)高(gāo)層貨架，對(duì)于擱闆貨架(含閣樓)、流利貨架、超市陳列貨架等不進行論述;

        2) 其他(tā)貨架的(de)荷載相對(duì)較小，高(gāo)度較低。如陳列貨架，每層荷載一般在100kg以内，高(gāo)度一般在2200mm以内，一般不要求進行整體計算(suàn)。但不排除需要生産企業進行單組貨架的(de)力學計算(suàn)和(hé)力學實驗。

        除此之外，“範圍”明(míng)确之外的(de)有些貨架結構也(yě)是适用(yòng)的(de)。如儲存鋼闆的(de)高(gāo)層貨架，雖然不屬于托盤貨架，但其原理(lǐ)是一緻的(de)。而且由于其荷載非常大(dà)，進行力學分(fēn)析是非常必要的(de)。

        關于其他(tā)貨架的(de)設計計算(suàn)，一方面可(kě)以參考本标準，此外還(hái)可(kě)以參考其他(tā)相關資料。

03 關于計算(suàn)方法的(de)選擇

        标準“4.1設計計算(suàn)方法”明(míng)确“貨架局部及單個(gè)構件的(de)計算(suàn)，可(kě)采用(yòng)材料力學、結構力學、彈塑性力學的(de)方法，也(yě)可(kě)采用(yòng)有限元方法進行深入分(fēn)析”，“貨架整體分(fēn)析應采用(yòng)有限元方法”。

        本次發布的(de)标準首次提出采用(yòng)有限元方法進行分(fēn)析是有其深刻原因的(de)。有限元方法作爲常用(yòng)的(de)力學分(fēn)析法，成熟于上世紀80年代。随著(zhe)計算(suàn)機技術的(de)飛(fēi)速發展，有限元方法變得(de)更加快(kuài)捷和(hé)簡單，爲推廣應用(yòng)奠定了(le)技術基礎。

        但是，随著(zhe)有限元方法的(de)應用(yòng)，越來(lái)越發展成一種趨勢：過于概念化(huà)有限元分(fēn)析，甚至缺乏對(duì)有限元的(de)基本了(le)解，這(zhè)樣往往導緻了(le)走過場(chǎng)。這(zhè)與有限元的(de)嚴密性和(hé)科學性是背道而馳的(de)。

        除了(le)有限元的(de)基礎知識，關鍵還(hái)在于建立模型、确定邊界條件和(hé)荷載，這(zhè)方面的(de)問題下(xià)面将進一步闡述。有關有限元的(de)著作很多(duō)，有興趣者可(kě)以從參考書(shū)中找到需要的(de)知識。

04 橫梁式貨架簡化(huà)

        早期的(de)有限元分(fēn)析，由于受限于計算(suàn)機的(de)存儲能力和(hé)計算(suàn)能力，往往不對(duì)整體貨架進行計算(suàn)，僅選取其中的(de)一部分(fēn)進行分(fēn)析。這(zhè)是必要的(de)，也(yě)是可(kě)行的(de)。

        标準“5.2托盤貨架結構”對(duì)橫梁式貨架進行了(le)簡化(huà)和(hé)分(fēn)類。限于篇幅，列出了(le)主要的(de)3類結構。

        對(duì)于獨立的(de)托盤貨架，由于通(tōng)道上方沒有連接，貨架簡化(huà)一般選取一整“排”就足夠了(le)，對(duì)于立體庫或一個(gè)巷道上有連接件的(de)貨架，選取兩排更加符合實際。列的(de)方向大(dà)部分(fēn)情況可(kě)以簡化(huà)。但必須包含6列以上( 即7個(gè)貨架片)，并有兩組完整的(de)垂直拉杆結構。在層方向，必須按照(zhào)實際的(de)層數進行計算(suàn)，不得(de)簡化(huà)。

        垂直拉杆是托盤貨架必不可(kě)少的(de)構件，也(yě)是貨架設計的(de)重要内容。但遺憾的(de)是，目前衆多(duō)的(de)橫梁式托盤貨架沒有設計垂直拉杆，這(zhè)對(duì)于未來(lái)的(de)使用(yòng)不能不說是一個(gè)巨大(dà)的(de)安全隐患，尤其是地震工況下(xià)。

        本标準“5.2.3垂直拉杆”明(míng)确：“對(duì)于托盤貨架和(hé)窄巷道托盤貨架，當貨架列數大(dà)于6列時(shí)，建議(yì)每5~6列增加垂直拉杆，且最好設置在沿巷道方向貨架兩端和(hé)中間位置”。這(zhè)是非常必要的(de)。

        單元選擇方面，一般情形下(xià)，立柱和(hé)橫梁采用(yòng)梁單元，而其他(tā)拉杆則采用(yòng)杆單元即可(kě)。具體參考标準6.2單元簡化(huà)”。

05 牛腿式貨架簡化(huà)

        牛腿式貨架是一種特殊貨架。它有非常好的(de)性能，但一般隻是在立體庫中采用(yòng)。

        與橫梁式貨架不同，由于缺少橫向連接梁，因此牛腿式貨架的(de)要求具有更高(gāo)的(de)穩定性，所以标準“5.3.3垂直拉杆結構”明(míng)确“牛腿式托盤貨架的(de)垂直拉杆在列方向必須布滿整個(gè)貨架”。

        計算(suàn)時(shí)，與橫梁式貨架類似，可(kě)以選取一個(gè)完整的(de)“巷道” ( 共兩“排”)進行計算(suàn)。若計算(suàn)的(de)“列太多(duō)，也(yě)可(kě)以選取一部分(fēn)，但必須是完整的(de)一部分(fēn)。一般情況下(xià)，列不得(de)少于6列(7個(gè)貨架片 )。

        牛腿式貨架一般在高(gāo)度上靠近堆垛機一側應設計若幹層橫梁(即連續梁)，以加強整體的(de)穩定性。連續梁的(de)層數一般按照(zhào)每兩層貨位設置一個(gè)，若貨位的(de)層高(gāo)比較小，也(yě)可(kě)以多(duō)層貨位設置一層梁，但高(gāo)度不宜超過4500mm。這(zhè)是應該注意的(de)。

06 關于約束與邊界條件

        标準“6.3約束與邊界條件”專門論述了(le)有限元分(fēn)析時(shí)，計算(suàn)模型的(de)約束問題和(hé)邊界條件。标準引入了(le)“半剛半”的(de)概念，使計算(suàn)更加符合實際，但需要正确理(lǐ)解。

        有些地方需要補充說明(míng)。

     （1）柱腳問題。标準對(duì)于采用(yòng)化(huà)學螺栓、膨脹螺栓連接的(de)貨架，建議(yì)Z方向(XOY)約束釋放，而采用(yòng)預埋件工藝的(de)貨架，則采用(yòng)剛性連接。這(zhè)是符合實際情況的(de)。但若全部采用(yòng)剛性連接，其計算(suàn)結果也(yě)是符合要求的(de)。這(zhè)是由于XOY方向的(de)扭矩可(kě)以忽略不計。

     （2）橫梁與立柱的(de)連接。标準建議(yì)采用(yòng)半剛半較接方式。并建議(yì)按照(zhào)CECS 23:90中8.4節的(de)實驗方法确定。由于每個(gè)廠家的(de)橫梁挂片的(de)形式有很大(dà)差異，所以導緻試驗結果有較大(dà)差異。應用(yòng)有限元分(fēn)析時(shí)，就存在比較大(dà)的(de)困難。在缺乏試驗數據的(de)情形下(xià)，若挂片挂孔多(duō)于2個(gè)(含2個(gè))，建議(yì)采用(yòng)剛性連接。若挂孔隻有一個(gè)，則建議(yì)采用(yòng)鉸接。更多(duō)的(de)情況可(kě)以按照(zhào)兩種連接方式分(fēn)别進行計算(suàn)，再對(duì)結果進行比較分(fēn)析。

     （3）實際使用(yòng)過程中，挂片柱腳斷裂情況并不少見，因此，對(duì)挂片應進行有效的(de)測試。考慮到托盤放置的(de)沖擊力，一般要求測試的(de)荷載是設定荷載的(de)1.5倍，而考慮到地震荷載的(de)影(yǐng)響，一般要求安全系數達到2.0以上。順便指出的(de)是，有些廠家的(de)挂片設計是不合理(lǐ)的(de)，開孔以圓孔或圓孔爲宜，三角形，梯形等都是不合理(lǐ)的(de)。

07 關于載荷的(de)計算(suàn)與簡化(huà)

        标準定義的(de)荷載類型爲：恒荷載、貨架活荷載、豎向沖擊荷載、地震荷載。

        恒荷載主要指貨架本身的(de)自重所引起的(de)荷載。

        貨架活荷載指托盤荷載。一般以額定荷載作爲參考。

        豎向沖擊荷載主要是放置托盤時(shí)産生的(de)荷載，與堆垛機的(de)微升降速度和(hé)叉車放置貨物(wù)的(de)速度有關。

        值得(de)注意的(de)是，對(duì)于立體庫而言，水(shuǐ)平荷載還(hái)要考慮滿荷載下(xià)貨叉伸叉時(shí)堆垛機載貨台偏載對(duì)于貨架的(de)作用(yòng)力F。一般的(de)計算(suàn)公式爲

        F=k*P*(I/H)

        式中，k爲加權系數，P爲額定荷載，H爲堆垛機高(gāo)度，I爲伸叉長(cháng)度。若以 H=18m，l=1.4m，P=1000kg，k=1.2爲例進行計算(suàn)，F=93.3kg或933N。

        地震荷載目前僅考慮水(shuǐ)平方向的(de)荷載。即地震縱波作用(yòng)于貨架産生的(de)荷載，與地震烈度有關。

        标準給出了(le)4種組合。這(zhè)是在實際運行中會發生的(de)組合。但需要注意到4種組合發生的(de)工況和(hé)應用(yòng)場(chǎng)合。一般情況下(xià)，4種工況均應進行校核。

        關于地震工況下(xià)的(de)荷載，“标準”強調基本荷載爲正常工況的(de)80%。正确的(de)理(lǐ)解是:地震工況下(xià)，基本荷載僅考慮恒荷載和(hé)貨架活荷載，其中活荷載按照(zhào)滿荷載的(de)80%計算(suàn)，地震工況下(xià)水(shuǐ)平荷載G則按照(zhào)以下(xià)公式計算(suàn):

        G = (Gh +Gt)* a

        其中Gh爲恒荷載，Gt爲貨架活荷載P*80%，a爲水(shuǐ)平加速度，應按照(zhào)當地的(de)設防等級進行計算(suàn)。

        鑒于組合式貨架結構的(de)特殊性，在烈度爲8級時(shí)将導緻成本的(de)急速增加。由于目前計算(suàn)的(de)地震荷載主要是縱波所引起的(de)水(shuǐ)平荷載。實際情況是縱波最大(dà)的(de)破壞作業定直接導緻托盤從貨架跌落。當加速度超過7級烈度對(duì)應的(de)加速度後，影(yǐng)響貨架安全的(de)已經不僅是地震力本身，而是托盤跌落所産生的(de)破壞。因此，除非特殊情形，一般不建議(yì)貨架按照(zhào)8級設防，而應取相對(duì)較低的(de)7級烈度設防以節約成本。地震時(shí)，垂直拉杆的(de)作用(yòng)得(de)到凸顯，這(zhè)就是爲什(shén)麽強調托盤貨架需要增加垂直拉杆的(de)原因。此外，對(duì)于立體倉庫而言，若要增加抗震能力，采用(yòng)預埋件的(de)方式是非常有效的(de)。

08 關于強度、變形和(hé)穩定性校核

        正常工況下(xià)的(de)強度校核應首先按照(zhào)許用(yòng)應力進行校核，對(duì)于立柱等重要構件還(hái)應進行壓杆(主要是立柱)的(de)穩定性校核。

        地震工況下(xià)強度校核隻需要按照(zhào)許用(yòng)應力進行校核即可(kě)(考慮安全系數)，穩定性和(hé)變形已經不是關鍵因素。需要注意的(de)是，地震荷載工況下(xià)，構件允許達到的(de)許用(yòng)應力值與正常工況是不一樣的(de)。按照(zhào)我國國家标準，在建築設計中，對(duì)于地震荷載工況下(xià)應達到“小震不壞，大(dà)震不倒”的(de)标準，貨架在地震荷載工況下(xià)也(yě)應符合這(zhè)一要求。應注意本标準是采用(yòng)了(le)“安全系數”來(lái)定義許用(yòng)應力的(de)。這(zhè)一點更加容易爲工程應用(yòng)所接受。

        變形限制主要是考慮托盤放置的(de)平穩性要求。對(duì)于自動化(huà)立體庫而言，要求要嚴格一些。主要是考慮到貨叉取貨時(shí)，橫梁的(de)撓度不能影(yǐng)響貨叉正常工作。對(duì)于立體庫而言，橫梁的(de)繞度不能大(dà)于橫梁長(cháng)度的(de)1/300，對(duì)于托盤貨架，可(kě)以放寬到1/200;

穩定性校驗主要考慮構件的(de)穩定性和(hé)貨架片的(de)穩定性。構件的(de)穩定性驗算(suàn)應注意有效長(cháng)度的(de)确定，貨架片的(de)穩定性驗算(suàn)要求計算(suàn)外力作用(yòng)下(xià)，整個(gè)貨架片是否失穩。“标準”給出的(de)荷載組合是合适的(de)。