摘要：本文2009年發(fā)表于物流技術(shù)，對新標準“工業(yè)貨架設計計算”的關(guān)鍵內容進(jìn)行解讀，旨在指導讀者準確理解標準，達到正確應用標準完成對工業(yè)貨架的設計與計算的目的。

01 概述

        即將報批的國家標準“工業(yè)貨架設計計算”是一個(gè)新的標準，與以往的相關(guān)標準不同的是，本次發(fā)布的標準主要針對組合式貨架。鑒于組合式貨架的廣泛應用( 保守估計超過(guò)90%)，該標準對于我國貨架的安全設計具有重要的指導意義。

        由于國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，帶動(dòng)了物流業(yè)的快速發(fā)展。作為物流系統的重要組成部分，組合式貨架最近10年以每年超過(guò)25%的速度增長(cháng)，2009年全國貨架行業(yè)產(chǎn)值超過(guò)30億，其中約50%是組合式托盤(pán)貨架。然而，與之不相適應的是貨架的設計計算技術(shù)嚴重滯后，貨架生產(chǎn)單位和用戶(hù)長(cháng)期對貨架的計算缺乏科學(xué)的態(tài)度，結果不僅導致極大浪費，而且造成重大損失。據不完全統計，近年來(lái)，貨架垮塌現象造成的直接經(jīng)濟損失至少超過(guò)1億元，并且伴隨著(zhù)造成重大人員傷亡。此外，2008年的汶川大地震，也給貨架的設計計算提出了新的要求。本文對新標準的部分章節進(jìn)行解讀，以幫助用戶(hù)正確理解并應用標準。

02 關(guān)于適用范圍

        標準“1范圍”明確規定“適用于托盤(pán)貨架、窄巷道托盤(pán)貨架、自動(dòng)化立體倉庫貨架的設計和計算”。

        標準沒(méi)有明確規定其他貨架的基本原因有兩點(diǎn):

        1) 限于篇幅，本標準主要是以托盤(pán)貨架為對象，包括以周轉箱等以單元形式儲存的高層貨架，對于擱板貨架(含閣樓)、流利貨架、超市陳列貨架等不進(jìn)行論述;

        2) 其他貨架的荷載相對較小，高度較低。如陳列貨架，每層荷載一般在100kg以?xún)?，高度一般?200mm以?xún)?，一般不要求進(jìn)行整體計算。但不排除需要生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行單組貨架的力學(xué)計算和力學(xué)實(shí)驗。

        除此之外，“范圍”明確之外的有些貨架結構也是適用的。如儲存鋼板的高層貨架，雖然不屬于托盤(pán)貨架，但其原理是一致的。而且由于其荷載非常大，進(jìn)行力學(xué)分析是非常必要的。

        關(guān)于其他貨架的設計計算，一方面可以參考本標準，此外還可以參考其他相關(guān)資料。

03 關(guān)于計算方法的選擇

        標準“4.1設計計算方法”明確“貨架局部及單個(gè)構件的計算，可采用材料力學(xué)、結構力學(xué)、彈塑性力學(xué)的方法，也可采用有限元方法進(jìn)行深入分析”，“貨架整體分析應采用有限元方法”。

        本次發(fā)布的標準首次提出采用有限元方法進(jìn)行分析是有其深刻原因的。有限元方法作為常用的力學(xué)分析法，成熟于上世紀80年代。隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元方法變得更加快捷和簡(jiǎn)單，為推廣應用奠定了技術(shù)基礎。

        但是，隨著(zhù)有限元方法的應用，越來(lái)越發(fā)展成一種趨勢：過(guò)于概念化有限元分析，甚至缺乏對有限元的基本了解，這樣往往導致了走過(guò)場(chǎng)。這與有限元的嚴密性和科學(xué)性是背道而馳的。

        除了有限元的基礎知識，關(guān)鍵還在于建立模型、確定邊界條件和荷載，這方面的問(wèn)題下面將進(jìn)一步闡述。有關(guān)有限元的著(zhù)作很多，有興趣者可以從參考書(shū)中找到需要的知識。

04 橫梁式貨架簡(jiǎn)化

        早期的有限元分析，由于受限于計算機的存儲能力和計算能力，往往不對整體貨架進(jìn)行計算，僅選取其中的一部分進(jìn)行分析。這是必要的，也是可行的。

        標準“5.2托盤(pán)貨架結構”對橫梁式貨架進(jìn)行了簡(jiǎn)化和分類(lèi)。限于篇幅，列出了主要的3類(lèi)結構。

        對于獨立的托盤(pán)貨架，由于通道上方?jīng)]有連接，貨架簡(jiǎn)化一般選取一整“排”就足夠了，對于立體庫或一個(gè)巷道上有連接件的貨架，選取兩排更加符合實(shí)際。列的方向大部分情況可以簡(jiǎn)化。但必須包含6列以上( 即7個(gè)貨架片)，并有兩組完整的垂直拉桿結構。在層方向，必須按照實(shí)際的層數進(jìn)行計算，不得簡(jiǎn)化。

        垂直拉桿是托盤(pán)貨架必不可少的構件，也是貨架設計的重要內容。但遺憾的是，目前眾多的橫梁式托盤(pán)貨架沒(méi)有設計垂直拉桿，這對于未來(lái)的使用不能不說(shuō)是一個(gè)巨大的安全隱患，尤其是地震工況下。

        本標準“5.2.3垂直拉桿”明確：“對于托盤(pán)貨架和窄巷道托盤(pán)貨架，當貨架列數大于6列時(shí)，建議每5~6列增加垂直拉桿，且最好設置在沿巷道方向貨架兩端和中間位置”。這是非常必要的。

        單元選擇方面，一般情形下，立柱和橫梁采用梁?jiǎn)卧?，而其他拉桿則采用桿單元即可。具體參考標準6.2單元簡(jiǎn)化”。

05 牛腿式貨架簡(jiǎn)化

        牛腿式貨架是一種特殊貨架。它有非常好的性能，但一般只是在立體庫中采用。

        與橫梁式貨架不同，由于缺少橫向連接梁，因此牛腿式貨架的要求具有更高的穩定性，所以標準“5.3.3垂直拉桿結構”明確“牛腿式托盤(pán)貨架的垂直拉桿在列方向必須布滿(mǎn)整個(gè)貨架”。

        計算時(shí)，與橫梁式貨架類(lèi)似，可以選取一個(gè)完整的“巷道” ( 共兩“排”)進(jìn)行計算。若計算的“列太多，也可以選取一部分，但必須是完整的一部分。一般情況下，列不得少于6列(7個(gè)貨架片 )。

        牛腿式貨架一般在高度上靠近堆垛機一側應設計若干層橫梁(即連續梁)，以加強整體的穩定性。連續梁的層數一般按照每?jì)蓪迂浳辉O置一個(gè)，若貨位的層高比較小，也可以多層貨位設置一層梁，但高度不宜超過(guò)4500mm。這是應該注意的。

06 關(guān)于約束與邊界條件

        標準“6.3約束與邊界條件”專(zhuān)門(mén)論述了有限元分析時(shí)，計算模型的約束問(wèn)題和邊界條件。標準引入了“半剛半”的概念，使計算更加符合實(shí)際，但需要正確理解。

        有些地方需要補充說(shuō)明。

     （1）柱腳問(wèn)題。標準對于采用化學(xué)螺栓、膨脹螺栓連接的貨架，建議Z方向(XOY)約束釋放，而采用預埋件工藝的貨架，則采用剛性連接。這是符合實(shí)際情況的。但若全部采用剛性連接，其計算結果也是符合要求的。這是由于XOY方向的扭矩可以忽略不計。

     （2）橫梁與立柱的連接。標準建議采用半剛半較接方式。并建議按照CECS 23:90中8.4節的實(shí)驗方法確定。由于每個(gè)廠(chǎng)家的橫梁掛片的形式有很大差異，所以導致試驗結果有較大差異。應用有限元分析時(shí)，就存在比較大的困難。在缺乏試驗數據的情形下，若掛片掛孔多于2個(gè)(含2個(gè))，建議采用剛性連接。若掛孔只有一個(gè)，則建議采用鉸接。更多的情況可以按照兩種連接方式分別進(jìn)行計算，再對結果進(jìn)行比較分析。

     （3）實(shí)際使用過(guò)程中，掛片柱腳斷裂情況并不少見(jiàn)，因此，對掛片應進(jìn)行有效的測試?？紤]到托盤(pán)放置的沖擊力，一般要求測試的荷載是設定荷載的1.5倍，而考慮到地震荷載的影響，一般要求安全系數達到2.0以上。順便指出的是，有些廠(chǎng)家的掛片設計是不合理的，開(kāi)孔以圓孔或圓孔為宜，三角形，梯形等都是不合理的。

07 關(guān)于載荷的計算與簡(jiǎn)化

        標準定義的荷載類(lèi)型為：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自重所引起的荷載。

        貨架活荷載指托盤(pán)荷載。一般以額定荷載作為參考。

        豎向沖擊荷載主要是放置托盤(pán)時(shí)產(chǎn)生的荷載，與堆垛機的微升降速度和叉車(chē)放置貨物的速度有關(guān)。

        值得注意的是，對于立體庫而言，水平荷載還要考慮滿(mǎn)荷載下貨叉伸叉時(shí)堆垛機載貨臺偏載對于貨架的作用力F。一般的計算公式為

        F=k*P*(I/H)

        式中，k為加權系數，P為額定荷載，H為堆垛機高度，I為伸叉長(cháng)度。若以 H=18m，l=1.4m，P=1000kg，k=1.2為例進(jìn)行計算，F=93.3kg或933N。

        地震荷載目前僅考慮水平方向的荷載。即地震縱波作用于貨架產(chǎn)生的荷載，與地震烈度有關(guān)。

        標準給出了4種組合。這是在實(shí)際運行中會(huì )發(fā)生的組合。但需要注意到4種組合發(fā)生的工況和應用場(chǎng)合。一般情況下，4種工況均應進(jìn)行校核。

        關(guān)于地震工況下的荷載，“標準”強調基本荷載為正常工況的80%。正確的理解是:地震工況下，基本荷載僅考慮恒荷載和貨架活荷載，其中活荷載按照滿(mǎn)荷載的80%計算，地震工況下水平荷載G則按照以下公式計算:

        G = (Gh +Gt)* a

        其中Gh為恒荷載，Gt為貨架活荷載P*80%，a為水平加速度，應按照當地的設防等級進(jìn)行計算。

        鑒于組合式貨架結構的特殊性，在烈度為8級時(shí)將導致成本的急速增加。由于目前計算的地震荷載主要是縱波所引起的水平荷載。實(shí)際情況是縱波最大的破壞作業(yè)定直接導致托盤(pán)從貨架跌落。當加速度超過(guò)7級烈度對應的加速度后，影響貨架安全的已經(jīng)不僅是地震力本身，而是托盤(pán)跌落所產(chǎn)生的破壞。因此，除非特殊情形，一般不建議貨架按照8級設防，而應取相對較低的7級烈度設防以節約成本。地震時(shí)，垂直拉桿的作用得到凸顯，這就是為什么強調托盤(pán)貨架需要增加垂直拉桿的原因。此外，對于立體倉庫而言，若要增加抗震能力，采用預埋件的方式是非常有效的。

08 關(guān)于強度、變形和穩定性校核

        正常工況下的強度校核應首先按照許用應力進(jìn)行校核，對于立柱等重要構件還應進(jìn)行壓桿(主要是立柱)的穩定性校核。

        地震工況下強度校核只需要按照許用應力進(jìn)行校核即可(考慮安全系數)，穩定性和變形已經(jīng)不是關(guān)鍵因素。需要注意的是，地震荷載工況下，構件允許達到的許用應力值與正常工況是不一樣的。按照我國國家標準，在建筑設計中，對于地震荷載工況下應達到“小震不壞，大震不倒”的標準，貨架在地震荷載工況下也應符合這一要求。應注意本標準是采用了“安全系數”來(lái)定義許用應力的。這一點(diǎn)更加容易為工程應用所接受。

        變形限制主要是考慮托盤(pán)放置的平穩性要求。對于自動(dòng)化立體庫而言，要求要嚴格一些。主要是考慮到貨叉取貨時(shí)，橫梁的撓度不能影響貨叉正常工作。對于立體庫而言，橫梁的繞度不能大于橫梁長(cháng)度的1/300，對于托盤(pán)貨架，可以放寬到1/200;

穩定性校驗主要考慮構件的穩定性和貨架片的穩定性。構件的穩定性驗算應注意有效長(cháng)度的確定，貨架片的穩定性驗算要求計算外力作用下，整個(gè)貨架片是否失穩?！皹藴省苯o出的荷載組合是合適的。