組合式鋼結(jié)構(gòu)貨架荷載能力探討

　　摘要：隨著智能倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)在我國(guó)的快速布局，組合式鋼結(jié)構(gòu)貨架的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用也越來(lái)越普遍，在行業(yè)內(nèi)不斷普及的情況下，對(duì)組合式鋼結(jié)構(gòu)貨架要求需越來(lái)越高。因此，根據(jù)貨架結(jié)構(gòu)形式，對(duì)貨架在實(shí)際載荷工作情況下，分別從正常工況、X向水平地震力和Y向水平地震力三方面進(jìn)行有限元分析，實(shí)現(xiàn)在滿(mǎn)足實(shí)際載荷情況下更優(yōu)的貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證貨架實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)降低貨架生產(chǎn)成本。

　　關(guān)鍵詞：貨架；載荷；地震力；有限元分析；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

　　隨著工業(yè)4.0到來(lái)，制造業(yè)工廠大力推進(jìn)智能制造，而智能倉(cāng)儲(chǔ)作為物料存儲(chǔ)智能升級(jí)的必備選擇[1]，貨架又作為智能倉(cāng)儲(chǔ)關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、安全性、穩(wěn)定性要求越來(lái)越高。目前我國(guó)多是對(duì)組合式鋼結(jié)構(gòu)貨架進(jìn)行靜力學(xué)分析研究，在不斷地推廣鋼結(jié)構(gòu)貨架的應(yīng)用的發(fā)展環(huán)境下，貨架的抗震設(shè)計(jì)需納入考慮[2]。為保證貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)性，工程設(shè)計(jì)人員需借助力學(xué)知識(shí)和有限元分析，對(duì)貨架關(guān)鍵部分進(jìn)行力學(xué)分析，以滿(mǎn)足關(guān)鍵承載要求。

　　1組合式鋼結(jié)構(gòu)貨架結(jié)構(gòu)

　　組合式貨架主要部分有立柱、橫梁或牛腿、背拉、水平拉桿以及頂梁等部分組成，通常設(shè)計(jì)貨架長(zhǎng)度不小于20m，高度不小于5m，存儲(chǔ)貨物層數(shù)不小于2層。高層組合式鋼結(jié)構(gòu)貨架長(zhǎng)寬比較大，形成所謂的“瘦長(zhǎng)型”，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上縱向強(qiáng)度強(qiáng)于橫向強(qiáng)度[3]，本工程設(shè)計(jì)貨架長(zhǎng)度為23m，高度為8m，詳細(xì)貨架信息見(jiàn)表1。

　　2貨架荷載性能分析

　　2.1恒荷載

　　恒荷載是指貨架自重，在有限元分析軟件中詳細(xì)標(biāo)注出貨架構(gòu)件實(shí)際密度，在加載過(guò)程中只需要根據(jù)其實(shí)際密度施加重力加速度。

　　2.2活荷載

　　活荷載是指在貨架實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，每層貨架需要承受的荷載，在建模過(guò)程中，可以根據(jù)貨物存儲(chǔ)位置計(jì)算貨架活荷載位置，然后根據(jù)貨物重量將集中力分散在橫梁上。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，需要考慮貨物不同擺放情況[5]。

　　2.3地震荷載

　　在計(jì)算地震荷載時(shí)，參考《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，在計(jì)算時(shí)需要考慮X向水平地震力和Y向水平地震力。具體計(jì)算步驟如下：1）設(shè)計(jì)反應(yīng)譜（見(jiàn)圖1），參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的保準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，a為水平地震影響系數(shù)。2）參考下頁(yè)表2計(jì)算Tg值。3）根據(jù)下頁(yè)表3，結(jié)合地震強(qiáng)度，可以得出amax的值，amax為最大水平地震影響系數(shù)。4）根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算貨架結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)a1，主要分為如下三種情況：

　　3貨架有限元性能分析

　　3.1貨架計(jì)算工況與荷載組合

　　鋼結(jié)構(gòu)貨架的計(jì)算工況包括三種，各工況的載荷組合見(jiàn)表4，接下來(lái)本文將對(duì)貨架在正常工況和地震工況下分別從位移和應(yīng)力的方向?qū)M合式鋼結(jié)構(gòu)貨架進(jìn)行分析。

　　3.2荷載組合一的有限元分析

　　在正常工作狀態(tài)下的有限元分析，對(duì)貨架的載荷加載，其載荷主要為貨物活載荷、豎向沖擊載荷以及自身重量產(chǎn)生的載荷。根據(jù)分析結(jié)果（圖2）可以看出，在正常載荷下，貨架最大的位移范圍為1.457mm，貨架整個(gè)產(chǎn)生的應(yīng)力也不超過(guò)100.133N，小于材料設(shè)計(jì)值234.651N，說(shuō)明貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

　　3.3荷載組合二的有限元分析

　　在地震狀態(tài)下產(chǎn)生X向水平地震力作用下，對(duì)貨架的載荷加載，其載荷主要為貨物活載荷、豎向沖擊載荷、自身重量產(chǎn)生的載荷以及X向水平地震力。通過(guò)分析結(jié)果可以看出（圖3），在載荷加載下，貨架最大的位移范圍為3.739mm，貨架整個(gè)產(chǎn)生的應(yīng)力不超過(guò)202.883N，小于材料設(shè)計(jì)值234.651N，說(shuō)明貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

　　3.4荷載組合三的有限元分析

　　在地震狀態(tài)下產(chǎn)生Y向水平地震力作用下的有限元結(jié)果分析，對(duì)貨架的載荷加載，其載荷主要為貨物活載荷、豎向沖擊載荷、自身重量產(chǎn)生的載荷以及Y向水平地震力。通過(guò)分析結(jié)果可以看出（圖4），在載荷加載下，貨架最大的位移范圍為5.244mm，貨架整個(gè)產(chǎn)生的應(yīng)力不超過(guò)195.901N，小于材料設(shè)計(jì)值234.651N，說(shuō)明貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

　　3.5貨架穩(wěn)定性校核

　　通過(guò)對(duì)比三組載荷情況下貨架的有限元分析的結(jié)果，可以得出荷載組合二的應(yīng)力極限最大，在此情況下對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析校核，校核分兩個(gè)方面：一個(gè)是立柱部分，另一個(gè)是構(gòu)件部分。最大載荷立柱應(yīng)力需求為206.195MPa，小于立柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為234.651MPa，設(shè)計(jì)安全富余量為12%。所有構(gòu)件應(yīng)力核對(duì)全部在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，說(shuō)明貨架設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

　　4有限元分析結(jié)論

　　1）通過(guò)對(duì)比分析結(jié)果可以得出，正常工作情況下所受到載荷安全系數(shù)最高，設(shè)計(jì)安全富余量達(dá)高達(dá)57%，完全滿(mǎn)足使用需要。2）貨架在受X向水平地震力產(chǎn)生的應(yīng)力值最大，表明貨架在X橫向抵抗地震載荷能力較弱，其安全富余量?jī)H為12%。3）借助有限元分析對(duì)貨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，準(zhǔn)確地判斷貨架結(jié)構(gòu)的受力，協(xié)助設(shè)計(jì)者合理選擇貨架型號(hào)規(guī)格。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　目前，組合式鋼結(jié)構(gòu)貨架應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，作為智能倉(cāng)儲(chǔ)發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)備，對(duì)行業(yè)發(fā)展起著關(guān)鍵作用。因此，為進(jìn)一步促進(jìn)物流行業(yè)發(fā)展，嚴(yán)格