摘要(Want)：本文2009年發表于(At)物流技術，對新标準“工業貨架設計計算”的(Of)關鍵内容進行解讀，旨在(Exist)指導讀者準确理解标準，達到(Arrive)正确應用(Use)标準完成對工業貨架的(Of)設計與計算的(Of)目的(Of)。

01 概述

        即将報批的(Of)國(Country)家标準“工業貨架設計計算”是一(One)個(Indivual)新的(Of)标準，與以(By)往的(Of)相關标準不(No)同的(Of)是，本次發布的(Of)标準主要(Want)針對組合式貨架。鑒于(At)組合式貨架的(Of)廣泛應用(Use)( 保守估計超過90%)，該标準對于(At)我(I)國(Country)貨架的(Of)安全設計具有重要(Want)的(Of)指導意義。

        由于(At)國(Country)家經濟的(Of)快速發展，帶動了物流業的(Of)快速發展。作(Do)爲(For)物流系統的(Of)重要(Want)組成部分，組合式貨架最近10年以(By)每年超過25%的(Of)速度增長，2009年全國(Country)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(No)相适應的(Of)是貨架的(Of)設計計算技術嚴重滞後，貨架生(Born)産單位和(And)用(Use)戶長期對貨架的(Of)計算缺乏科學的(Of)态度，結果不(No)僅導緻極大(Big)浪費，而且造成重大(Big)損失。據不(No)完全統計，近年來(Come)，貨架垮塌現象造成的(Of)直接經濟損失至少超過1億元，并且伴随着造成重大(Big)人(People)員傷亡。此外，2008年的(Of)汶川大(Big)地震，也給貨架的(Of)設計計算提出(Out)了新的(Of)要(Want)求。本文對新标準的(Of)部分章節進行解讀，以(By)幫助用(Use)戶正确理解并應用(Use)标準。

02 關于(At)适用(Use)範圍

        标準“1範圍”明确規定“适用(Use)于(At)托盤貨架、窄巷道托盤貨架、自動化立體倉庫貨架的(Of)設計和(And)計算”。

        标準沒有明确規定其他(He)貨架的(Of)基本原因有兩點:

        1) 限于(At)篇幅，本标準主要(Want)是以(By)托盤貨架爲(For)對象，包括以(By)周轉箱等以(By)單元形式儲存的(Of)高層貨架，對于(At)擱闆貨架(含閣樓)、流利貨架、超市陳列貨架等不(No)進行論述;

        2) 其他(He)貨架的(Of)荷載相對較小，高度較低。如陳列貨架，每層荷載一(One)般在(Exist)100kg以(By)内，高度一(One)般在(Exist)2200mm以(By)内，一(One)般不(No)要(Want)求進行整體計算。但不(No)排除需要(Want)生(Born)産企業進行單組貨架的(Of)力學計算和(And)力學實驗。

        除此之外，“範圍”明确之外的(Of)有些貨架結構也是适用(Use)的(Of)。如儲存鋼闆的(Of)高層貨架，雖然不(No)屬于(At)托盤貨架，但其原理是一(One)緻的(Of)。而且由于(At)其荷載非常大(Big)，進行力學分析是非常必要(Want)的(Of)。

        關于(At)其他(He)貨架的(Of)設計計算，一(One)方面可以(By)參考本标準，此外還可以(By)參考其他(He)相關資料。

03 關于(At)計算方法的(Of)選擇

        标準“4.1設計計算方法”明确“貨架局部及單個(Indivual)構件的(Of)計算，可采用(Use)材料力學、結構力學、彈塑性力學的(Of)方法，也可采用(Use)有限元方法進行深入分析”，“貨架整體分析應采用(Use)有限元方法”。

        本次發布的(Of)标準首次提出(Out)采用(Use)有限元方法進行分析是有其深刻原因的(Of)。有限元方法作(Do)爲(For)常用(Use)的(Of)力學分析法，成熟于(At)上世紀80年代。随着計算機技術的(Of)飛速發展，有限元方法變得更加快捷和(And)簡單，爲(For)推廣應用(Use)奠定了技術基礎。

        但是，随着有限元方法的(Of)應用(Use)，越來(Come)越發展成一(One)種趨勢：過于(At)概念化有限元分析，甚至缺乏對有限元的(Of)基本了解，這(This)樣往往導緻了走過場。這(This)與有限元的(Of)嚴密性和(And)科學性是背道而馳的(Of)。

        除了有限元的(Of)基礎知識，關鍵還在(Exist)于(At)建立模型、确定邊界條件和(And)荷載，這(This)方面的(Of)問題下面将進一(One)步闡述。有關有限元的(Of)著作(Do)很多，有興趣者可以(By)從參考書中找到(Arrive)需要(Want)的(Of)知識。

04 橫梁式貨架簡化

        早期的(Of)有限元分析，由于(At)受限于(At)計算機的(Of)存儲能力和(And)計算能力，往往不(No)對整體貨架進行計算，僅選取其中的(Of)一(One)部分進行分析。這(This)是必要(Want)的(Of)，也是可行的(Of)。

        标準“5.2托盤貨架結構”對橫梁式貨架進行了簡化和(And)分類。限于(At)篇幅，列出(Out)了主要(Want)的(Of)3類結構。

        對于(At)獨立的(Of)托盤貨架，由于(At)通道上方沒有連接，貨架簡化一(One)般選取一(One)整“排”就足夠了，對于(At)立體庫或一(One)個(Indivual)巷道上有連接件的(Of)貨架，選取兩排更加符合實際。列的(Of)方向大(Big)部分情況可以(By)簡化。但必須包含6列以(By)上( 即7個(Indivual)貨架片)，并有兩組完整的(Of)垂直拉杆結構。在(Exist)層方向，必須按照實際的(Of)層數進行計算，不(No)得簡化。

        垂直拉杆是托盤貨架必不(No)可少的(Of)構件，也是貨架設計的(Of)重要(Want)内容。但遺憾的(Of)是，目前衆多的(Of)橫梁式托盤貨架沒有設計垂直拉杆，這(This)對于(At)未來(Come)的(Of)使用(Use)不(No)能不(No)說是一(One)個(Indivual)巨大(Big)的(Of)安全隐患，尤其是地震工況下。

        本标準“5.2.3垂直拉杆”明确：“對于(At)托盤貨架和(And)窄巷道托盤貨架，當貨架列數大(Big)于(At)6列時(Hour)，建議每5~6列增加垂直拉杆，且最好設置在(Exist)沿巷道方向貨架兩端和(And)中間位置”。這(This)是非常必要(Want)的(Of)。

        單元選擇方面，一(One)般情形下，立柱和(And)橫梁采用(Use)梁單元，而其他(He)拉杆則采用(Use)杆單元即可。具體參考标準6.2單元簡化”。

05 牛腿式貨架簡化

        牛腿式貨架是一(One)種特殊貨架。它有非常好的(Of)性能，但一(One)般隻是在(Exist)立體庫中采用(Use)。

        與橫梁式貨架不(No)同，由于(At)缺少橫向連接梁，因此牛腿式貨架的(Of)要(Want)求具有更高的(Of)穩定性，所以(By)标準“5.3.3垂直拉杆結構”明确“牛腿式托盤貨架的(Of)垂直拉杆在(Exist)列方向必須布滿整個(Indivual)貨架”。

        計算時(Hour)，與橫梁式貨架類似，可以(By)選取一(One)個(Indivual)完整的(Of)“巷道” ( 共兩“排”)進行計算。若計算的(Of)“列太多，也可以(By)選取一(One)部分，但必須是完整的(Of)一(One)部分。一(One)般情況下，列不(No)得少于(At)6列(7個(Indivual)貨架片 )。

        牛腿式貨架一(One)般在(Exist)高度上靠近堆垛機一(One)側應設計若幹層橫梁(即連續梁)，以(By)加強整體的(Of)穩定性。連續梁的(Of)層數一(One)般按照每兩層貨位設置一(One)個(Indivual)，若貨位的(Of)層高比較小，也可以(By)多層貨位設置一(One)層梁，但高度不(No)宜超過4500mm。這(This)是應該注意的(Of)。

06 關于(At)約束與邊界條件

        标準“6.3約束與邊界條件”專門論述了有限元分析時(Hour)，計算模型的(Of)約束問題和(And)邊界條件。标準引入了“半剛半”的(Of)概念，使計算更加符合實際，但需要(Want)正确理解。

        有些地方需要(Want)補充說明。

     （1）柱腳問題。标準對于(At)采用(Use)化學螺栓、膨脹螺栓連接的(Of)貨架，建議Z方向(XOY)約束釋放，而采用(Use)預埋件工藝的(Of)貨架，則采用(Use)剛性連接。這(This)是符合實際情況的(Of)。但若全部采用(Use)剛性連接，其計算結果也是符合要(Want)求的(Of)。這(This)是由于(At)XOY方向的(Of)扭矩可以(By)忽略不(No)計。

     （2）橫梁與立柱的(Of)連接。标準建議采用(Use)半剛半較接方式。并建議按照CECS 23:90中8.4節的(Of)實驗方法确定。由于(At)每個(Indivual)廠家的(Of)橫梁挂片的(Of)形式有很大(Big)差異，所以(By)導緻試驗結果有較大(Big)差異。應用(Use)有限元分析時(Hour)，就存在(Exist)比較大(Big)的(Of)困難。在(Exist)缺乏試驗數據的(Of)情形下，若挂片挂孔多于(At)2個(Indivual)(含2個(Indivual))，建議采用(Use)剛性連接。若挂孔隻有一(One)個(Indivual)，則建議采用(Use)鉸接。更多的(Of)情況可以(By)按照兩種連接方式分别進行計算，再對結果進行比較分析。

     （3）實際使用(Use)過程中，挂片柱腳斷裂情況并不(No)少見，因此，對挂片應進行有效的(Of)測試。考慮到(Arrive)托盤放置的(Of)沖擊力，一(One)般要(Want)求測試的(Of)荷載是設定荷載的(Of)1.5倍，而考慮到(Arrive)地震荷載的(Of)影響，一(One)般要(Want)求安全系數達到(Arrive)2.0以(By)上。順便指出(Out)的(Of)是，有些廠家的(Of)挂片設計是不(No)合理的(Of)，開孔以(By)圓孔或圓孔爲(For)宜，三角形，梯形等都是不(No)合理的(Of)。

07 關于(At)載荷的(Of)計算與簡化

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

        恒荷載主要(Want)指貨架本身的(Of)自重所引起的(Of)荷載。

        貨架活荷載指托盤荷載。一(One)般以(By)額定荷載作(Do)爲(For)參考。

        豎向沖擊荷載主要(Want)是放置托盤時(Hour)産生(Born)的(Of)荷載，與堆垛機的(Of)微升降速度和(And)叉車放置貨物的(Of)速度有關。

        值得注意的(Of)是，對于(At)立體庫而言，水平荷載還要(Want)考慮滿荷載下貨叉伸叉時(Hour)堆垛機載貨台偏載對于(At)貨架的(Of)作(Do)用(Use)力F。一(One)般的(Of)計算公式爲(For)

        F=k*P*(I/H)

        式中，k爲(For)加權系數，P爲(For)額定荷載，H爲(For)堆垛機高度，I爲(For)伸叉長度。若以(By) H=18m，l=1.4m，P=1000kg，k=1.2爲(For)例進行計算，F=93.3kg或933N。

        地震荷載目前僅考慮水平方向的(Of)荷載。即地震縱波作(Do)用(Use)于(At)貨架産生(Born)的(Of)荷載，與地震烈度有關。

        标準給出(Out)了4種組合。這(This)是在(Exist)實際運行中會發生(Born)的(Of)組合。但需要(Want)注意到(Arrive)4種組合發生(Born)的(Of)工況和(And)應用(Use)場合。一(One)般情況下，4種工況均應進行校核。

        關于(At)地震工況下的(Of)荷載，“标準”強調基本荷載爲(For)正常工況的(Of)80%。正确的(Of)理解是:地震工況下，基本荷載僅考慮恒荷載和(And)貨架活荷載，其中活荷載按照滿荷載的(Of)80%計算，地震工況下水平荷載G則按照以(By)下公式計算:

        G = (Gh +Gt)* a

        其中Gh爲(For)恒荷載，Gt爲(For)貨架活荷載P*80%，a爲(For)水平加速度，應按照當地的(Of)設防等級進行計算。

        鑒于(At)組合式貨架結構的(Of)特殊性，在(Exist)烈度爲(For)8級時(Hour)将導緻成本的(Of)急速增加。由于(At)目前計算的(Of)地震荷載主要(Want)是縱波所引起的(Of)水平荷載。實際情況是縱波最大(Big)的(Of)破壞作(Do)業定直接導緻托盤從貨架跌落。當加速度超過7級烈度對應的(Of)加速度後，影響貨架安全的(Of)已經不(No)僅是地震力本身，而是托盤跌落所産生(Born)的(Of)破壞。因此，除非特殊情形，一(One)般不(No)建議貨架按照8級設防，而應取相對較低的(Of)7級烈度設防以(By)節約成本。地震時(Hour)，垂直拉杆的(Of)作(Do)用(Use)得到(Arrive)凸顯，這(This)就是爲(For)什麽強調托盤貨架需要(Want)增加垂直拉杆的(Of)原因。此外，對于(At)立體倉庫而言，若要(Want)增加抗震能力，采用(Use)預埋件的(Of)方式是非常有效的(Of)。

08 關于(At)強度、變形和(And)穩定性校核

        正常工況下的(Of)強度校核應首先按照許用(Use)應力進行校核，對于(At)立柱等重要(Want)構件還應進行壓杆(主要(Want)是立柱)的(Of)穩定性校核。

        地震工況下強度校核隻需要(Want)按照許用(Use)應力進行校核即可(考慮安全系數)，穩定性和(And)變形已經不(No)是關鍵因素。需要(Want)注意的(Of)是，地震荷載工況下，構件允許達到(Arrive)的(Of)許用(Use)應力值與正常工況是不(No)一(One)樣的(Of)。按照我(I)國(Country)國(Country)家标準，在(Exist)建築設計中，對于(At)地震荷載工況下應達到(Arrive)“小震不(No)壞，大(Big)震不(No)倒”的(Of)标準，貨架在(Exist)地震荷載工況下也應符合這(This)一(One)要(Want)求。應注意本标準是采用(Use)了“安全系數”來(Come)定義許用(Use)應力的(Of)。這(This)一(One)點更加容易爲(For)工程應用(Use)所接受。

        變形限制主要(Want)是考慮托盤放置的(Of)平穩性要(Want)求。對于(At)自動化立體庫而言，要(Want)求要(Want)嚴格一(One)些。主要(Want)是考慮到(Arrive)貨叉取貨時(Hour)，橫梁的(Of)撓度不(No)能影響貨叉正常工作(Do)。對于(At)立體庫而言，橫梁的(Of)繞度不(No)能大(Big)于(At)橫梁長度的(Of)1/300，對于(At)托盤貨架，可以(By)放寬到(Arrive)1/200;

穩定性校驗主要(Want)考慮構件的(Of)穩定性和(And)貨架片的(Of)穩定性。構件的(Of)穩定性驗算應注意有效長度的(Of)确定，貨架片的(Of)穩定性驗算要(Want)求計算外力作(Do)用(Use)下，整個(Indivual)貨架片是否失穩。“标準”給出(Out)的(Of)荷載組合是合适的(Of)。