摘要：本文2009年發(fā)表于物流技術(shù)，對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)“工業(yè)貨架設(shè)計(jì)計(jì)算”的關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行解讀，旨在指導(dǎo)讀者準(zhǔn)確理解標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到正確應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)完成對(duì)工業(yè)貨架的設(shè)計(jì)與計(jì)算的目的。

01 概述

        即將報(bào)批的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“工業(yè)貨架設(shè)計(jì)計(jì)算”是一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)，與以往的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不同的是，本次發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)組合式貨架。鑒于組合式貨架的廣泛應(yīng)用( 保守估計(jì)超過(guò)90%)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于我國(guó)貨架的安全設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

        由于國(guó)家經(jīng)濟(jì)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(tǒng)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(zhǎng)，2009年全國(guó)貨架行業(yè)產(chǎn)值超過(guò)30億，其中約50%是組合式托盤貨架。然而，與之不相適應(yīng)的是貨架的設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)嚴(yán)重滯后，貨架生產(chǎn)單位和用戶長(zhǎng)期對(duì)貨架的計(jì)算缺乏科學(xué)的態(tài)度，結(jié)果不僅導(dǎo)致極大浪費(fèi)，而且造成重大損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，貨架垮塌現(xiàn)象造成的直接經(jīng)濟(jì)損失至少超過(guò)1億元，并且伴隨著造成重大人員傷亡。此外，2008年的汶川大地震，也給貨架的設(shè)計(jì)計(jì)算提出了新的要求。本文對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的部分章節(jié)進(jìn)行解讀，以幫助用戶正確理解并應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

02 關(guān)于適用范圍

        標(biāo)準(zhǔn)“1范圍”明確規(guī)定“適用于托盤貨架、窄巷道托盤貨架、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)貨架的設(shè)計(jì)和計(jì)算”。

        標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確規(guī)定其他貨架的基本原因有兩點(diǎn):

        1) 限于篇幅，本標(biāo)準(zhǔn)主要是以托盤貨架為對(duì)象，包括以周轉(zhuǎn)箱等以單元形式儲(chǔ)存的高層貨架，對(duì)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(duì)較小，高度較低。如陳列貨架，每層荷載一般在100kg以內(nèi)，高度一般在2200mm以內(nèi)，一般不要求進(jìn)行整體計(jì)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(jì)算和力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

        除此之外，“范圍”明確之外的有些貨架結(jié)構(gòu)也是適用的。如儲(chǔ)存鋼板的高層貨架，雖然不屬于托盤貨架，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(shè)計(jì)計(jì)算，一方面可以參考本標(biāo)準(zhǔn)，此外還可以參考其他相關(guān)資料。

03 關(guān)于計(jì)算方法的選擇

        標(biāo)準(zhǔn)“4.1設(shè)計(jì)計(jì)算方法”明確“貨架局部及單個(gè)構(gòu)件的計(jì)算，可采用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)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(yīng)采用有限元方法”。

        本次發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)80年代。隨著計(jì)算機(jī)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(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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

        除了有限元的基礎(chǔ)知識(shí)，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)有限元的著作很多，有興趣者可以從參考書中找到需要的知識(shí)。

04 橫梁式貨架簡(jiǎn)化

        早期的有限元分析，由于受限于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力，往往不對(duì)整體貨架進(jìn)行計(jì)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(biāo)準(zhǔn)“5.2托盤貨架結(jié)構(gòu)”對(duì)橫梁式貨架進(jìn)行了簡(jiǎn)化和分類。限于篇幅，列出了主要的3類結(jié)構(gòu)。

        對(duì)于獨(dú)立的托盤貨架，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(duì)于立體庫(kù)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(jié)構(gòu)。在層方向，必須按照實(shí)際的層數(shù)進(jìn)行計(jì)算，不得簡(jiǎn)化。

        垂直拉桿是托盤貨架必不可少的構(gòu)件，也是貨架設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。但遺憾的是，目前眾多的橫梁式托盤貨架沒(méi)有設(shè)計(jì)垂直拉桿，這對(duì)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(biāo)準(zhǔn)“5.2.3垂直拉桿”明確：“對(duì)于托盤貨架和窄巷道托盤貨架，當(dāng)貨架列數(shù)大于6列時(shí)，建議每5~6列增加垂直拉桿，且最好設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(kù)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(wěn)定性，所以標(biāo)準(zhǔn)“5.3.3垂直拉桿結(jié)構(gòu)”明確“牛腿式托盤貨架的垂直拉桿在列方向必須布滿整個(gè)貨架”。

        計(jì)算時(shí)，與橫梁式貨架類似，可以選取一個(gè)完整的“巷道” ( 共兩“排”)進(jìn)行計(jì)算。若計(jì)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(jī)一側(cè)應(yīng)設(shè)計(jì)若干層橫梁(即連續(xù)梁)，以加強(qiáng)整體的穩(wěn)定性。連續(xù)梁的層數(shù)一般按照每?jī)蓪迂浳辉O(shè)置一個(gè)，若貨位的層高比較小，也可以多層貨位設(shè)置一層梁，但高度不宜超過(guò)4500mm。這是應(yīng)該注意的。

06 關(guān)于約束與邊界條件

        標(biāo)準(zhǔn)“6.3約束與邊界條件”專門論述了有限元分析時(shí)，計(jì)算模型的約束問(wèn)題和邊界條件。標(biāo)準(zhǔn)引入了“半剛半”的概念，使計(jì)算更加符合實(shí)際，但需要正確理解。

        有些地方需要補(bǔ)充說(shuō)明。

     （1）柱腳問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(yù)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(jì)算結(jié)果也是符合要求的。這是由于XOY方向的扭矩可以忽略不計(jì)。

     （2）橫梁與立柱的連接。標(biāo)準(zhǔn)建議采用半剛半較接方式。并建議按照CECS 23:90中8.4節(jié)的實(shí)驗(yàn)方法確定。由于每個(gè)廠家的橫梁掛片的形式有很大差異，所以導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果有較大差異。應(yīng)用有限元分析時(shí)，就存在比較大的困難。在缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jì)算，再對(duì)結(jié)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(duì)掛片應(yīng)進(jìn)行有效的測(cè)試。考慮到托盤放置的沖擊力，一般要求測(cè)試的荷載是設(shè)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(shù)達(dá)到2.0以上。順便指出的是，有些廠家的掛片設(shè)計(jì)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(jì)算與簡(jiǎn)化

        標(biāo)準(zhǔn)定義的荷載類型為：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時(shí)產(chǎn)生的荷載，與堆垛機(jī)的微升降速度和叉車放置貨物的速度有關(guān)。

        值得注意的是，對(duì)于立體庫(kù)而言，水平荷載還要考慮滿荷載下貨叉伸叉時(shí)堆垛機(jī)載貨臺(tái)偏載對(duì)于貨架的作用力F。一般的計(jì)算公式為

        F=k*P*(I/H)

        式中，k為加權(quán)系數(shù)，P為額定荷載，H為堆垛機(jī)高度，I為伸叉長(zhǎng)度。若以 H=18m，l=1.4m，P=1000kg，k=1.2為例進(jìn)行計(jì)算，F(xiàn)=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(biāo)準(zhǔn)給出了4種組合。這是在實(shí)際運(yùn)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(yīng)用場(chǎng)合。一般情況下，4種工況均應(yīng)進(jìn)行校核。

        關(guān)于地震工況下的荷載，“標(biāo)準(zhǔn)”強(qiáng)調(diào)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，其中活荷載按照滿荷載的80%計(jì)算，地震工況下水平荷載G則按照以下公式計(jì)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(yīng)按照當(dāng)?shù)氐脑O(shè)防等級(jí)進(jìn)行計(jì)算。

        鑒于組合式貨架結(jié)構(gòu)的特殊性，在烈度為8級(jí)時(shí)將導(dǎo)致成本的急速增加。由于目前計(jì)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(dǎo)致托盤從貨架跌落。當(dāng)加速度超過(guò)7級(jí)烈度對(duì)應(yīng)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(jí)設(shè)防，而應(yīng)取相對(duì)較低的7級(jí)烈度設(shè)防以節(jié)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(qiáng)調(diào)托盤貨架需要增加垂直拉桿的原因。此外，對(duì)于立體倉(cāng)庫(kù)而言，若要增加抗震能力，采用預(yù)埋件的方式是非常有效的。

08 關(guān)于強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性校核

        正常工況下的強(qiáng)度校核應(yīng)首先按照許用應(yīng)力進(jìn)行校核，對(duì)于立柱等重要構(gòu)件還應(yīng)進(jìn)行壓桿(主要是立柱)的穩(wěn)定性校核。

        地震工況下強(qiáng)度校核只需要按照許用應(yīng)力進(jìn)行校核即可(考慮安全系數(shù))，穩(wěn)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(gòu)件允許達(dá)到的許用應(yīng)力值與正常工況是不一樣的。按照我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在建筑設(shè)計(jì)中，對(duì)于地震荷載工況下應(yīng)達(dá)到“小震不壞，大震不倒”的標(biāo)準(zhǔn)，貨架在地震荷載工況下也應(yīng)符合這一要求。應(yīng)注意本標(biāo)準(zhǔn)是采用了“安全系數(shù)”來(lái)定義許用應(yīng)力的。這一點(diǎn)更加容易為工程應(yīng)用所接受。

        變形限制主要是考慮托盤放置的平穩(wěn)性要求。對(duì)于自動(dòng)化立體庫(kù)而言，要求要嚴(yán)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(duì)于立體庫(kù)而言，橫梁的繞度不能大于橫梁長(zhǎng)度的1/300，對(duì)于托盤貨架，可以放寬到1/200;

穩(wěn)定性校驗(yàn)主要考慮構(gòu)件的穩(wěn)定性和貨架片的穩(wěn)定性。構(gòu)件的穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)注意有效長(zhǎng)度的確定，貨架片的穩(wěn)定性驗(yàn)算要求計(jì)算外力作用下，整個(gè)貨架片是否失穩(wěn)。“標(biāo)準(zhǔn)”給出的荷載組合是合適的。