鋼貨架立柱性能的研究及展望

張衛國

摘要：本文介紹了國內外關于貨架鋼結構立柱的性能研究，從立柱分析、立柱研究及研究展望三方面分析了冷彎薄壁貨架立柱特有的力學性能和破壞模式。關鍵詞：鋼貨架、立柱、冷彎薄壁型鋼鋼貨架立柱(以下簡稱立柱)主要承受來自貨架結構體中其他部件對其產生的垂直荷載、彎矩和扭矩的組合作用，因此，立柱的設計、生產制造及安裝等將直接關系到貨架鋼結構的技術經濟性、安全性和使用的便捷性。雖然國外學者對立柱進行了很多研究工作，如立柱承載力的設計計算、計算長度系數的取值等，但其試驗所用的試件是國外常用的冷彎薄壁貨架結構立柱，在選擇的材料、截面形狀及生產工藝、試驗條件和評價指標等方面均存在差異，并不符合中國的使用要求和實際應用。國內同行和學者也對立柱的理論和試驗研究做了很多有益的工作，例如，在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下，通過靜力分析或試驗來驗證立柱性能的滿足性，以減少貨架材料的過量設計與使用，在此基礎上，增強同行對市場的響應能力，建立并完善貨架可靠性理論及其評價體系。關于立柱的分析1、立柱的截面形狀分析貨架立柱的截面形狀分析包括以下方面：(1)開口薄壁截面、封閉薄壁截面及其他鋼結構型材，薄壁截面在整體穩定性分析中有三種破壞模式(彎曲屈曲、扭轉屈曲、彎扭屈曲)。由于國內封閉薄壁截面立柱的市場形式比較少，相對的理論和試驗開展得也少：(2)立柱結構孔洞或因材料強度不足而局部破壞及其對整體結構和承載力的影響；(3)立柱結構約束類別及節點設計與布置不合理，或者局部補強措施不合理造成的隱患；(4)立柱結構或構件由于屈曲而喪失整體穩定性；(5)立柱結構初始成型缺陷及塑性變形超標(無法確定能使用的屈曲后強度，只能將屈曲后強度作為立柱設計的安全性儲量考慮)及構件疲勞斷裂等。目前有理論表明，冷彎薄壁型鋼柱可能在達到整體破壞荷載前其局部就發生屈曲破壞，局部屈曲和整體屈曲互相作用，也會導致立柱整體強度降低、整體結構穩定性下降，由此在AISI規范中由控制臨界屈曲應力及有效面積來代替全部橫截面面積以確定立柱的額定負荷。2、立柱的冷彎成型工藝分析對立柱的冷彎成型工藝分析結果表明，要兼顧不同料厚材料所形成的成型截面尺寸的變化對貨架結構裝配互換性的影響。還要根據材料特性選擇合理的彎曲半徑和彎曲角，以防止折面根部邊緣不合理裂紋、折面根部彎曲面的減薄等不良冷彎缺陷的產生。隨著貨架生產技術與工藝的發展，以及高強度鋼板等新材料的應用，立柱折面從最基本的角鋼型折面衍生到多折面結構(其形狀主要是在基本折邊的基礎上設計合理的彎曲半徑和彎曲角來增加彎折面)。由于冷彎薄壁多孔型立柱的選材厚度都較薄，開口截面立柱的扭轉剛度與材料厚度的立方成正比，因此冷彎薄壁多孔型立柱的抗扭能力相對較弱，根據有效寬度理論，需要嚴格控制結構的寬厚比設計參數。基于以上分析，要根據生產制造工藝和貨架結構、高度等選擇合理的立柱加接模式，以適應高位立體庫的發展，同時又不會顯著降低接口處的力學性能，并考慮立柱生產制造的相對成本；既提高立柱的承載強度、剛度和穩定性，獲得力學性能優異的冷彎薄壁型鋼立柱，又能擴大貨架立柱的應用領域。貨架立柱另一個重要的結構特征是：在特定冷彎薄壁型鋼的立面、側面沖出形成一系列的具有一定分布規律和精度要求的孔或不規則的連續孔洞。以滿足貨架結構間的裝配要求，形成了以多孔立柱為豎向支撐的獨特力系鋼結構體。這對生產工藝、產品的制造精度等方面提出了更高要求，也加大了貨架結構的力學分析與研究的復雜性、困難性。因為對于冷彎薄壁多孔貨架立柱來說，它的極限承載力除受到整體屈曲、局部屈曲、畸變屈曲及其相互作用的影響外，還有孔洞的影響、梁柱節點剛性及半剛性特征、支撐與立柱連接形成的節點約束、柱底板與立柱連接的影響等，均增加了立柱理論分析及試驗的復雜性。《軸壓多孔冷彎薄壁c型鋼柱的彎扭屈曲》一文中規定：若孔位于板件的無效部位，此開孔板件的有效寬度可按相應無孔板件的有效寬度取用；若孔位于板件的有效部位，則此開孔板件的有效寬度可按相應無孔板件的有效寬度扣除位于有效區內的孔寬取用，并需要通過開孔短柱試驗和相應的無孔短柱試驗來確定實際開孔型材的全截面力學性能以及開孔對構件承載力的影響，可以通過開孔型材的孔洞影響系數來描述和計算。因此，從立柱的應用角度來看。一定要關注立柱的生產制造精度、設計裝配互換性要求及施工現場的安裝精度、使用環境等多方面的要求。關于立柱的研究立柱的研究包括試驗、數值分析及理論研究三個方面，在很多應用實例及足尺試驗研究的基礎上。各國相關規范中分別提出了關于開孔立柱承載力及穩定計算的設計公式，并建議針對具體設計采用試驗的方法來確定相應參數。如《軸壓多孔冷彎薄壁c型鋼柱的彎扭屈曲》中關于開孔板件的有效寬度的計算方法就是西安建筑科技大學在對開孔受壓板件的局部屈曲性能試驗和理論分析的基礎上建立起來的，而FEM標準中通過折減系數來直接體現試驗應用。目前，絕大部分有關冷彎薄壁多孔立柱的計算均是建立在有效寬度公式的基礎上，并采用試驗方法和數值方法，對原有無孔構件有效寬度理論進行修正，從而建立起多孔構件有效寬度的計算公式，但這需要大量的有效試驗樣本的支持，并將根據使用材料的變化、截面形狀的改進及型材上分布孔的尺寸、位置的變化等進行再試驗獲取或驗證。鑒于我國貨架行業起步較晚，前期在生產技術與設備上又多引進國外現成的技術及理論，因此在理論研究、試驗研究方面相對滯后，同時，國內外同行在選用材料、工藝等方面存在一定的局限性與差異性，迫切需要開展相應的實驗與理論研究工作。在國外，早已在軸心受壓、偏心受壓極限狀態下對貨架立柱的短柱在局部屈曲、溫度變化下的影響以及有限元在冷彎薄壁型鋼中的應用進行了較深入的研究，例如，N.E.Shanmugam等人對立柱開孔后承載力的影響進行了評價，提出了開孔立柱在軸向荷載及彎曲荷載作用下的設計方法；K.M.Bajoria和R.S.Talikot采用傳統的懸臂法和提出的雙懸臂方法兩種不同的方式來確定連接件的彈性，都在一定程度上對立柱及其傳力構件進行了研究和討論。我國在應用這些理論和數據時，需要根據國內實際進行驗證對比，以消除差異性。隨著計算機技術、數值分析理論及方法(如有限元法、無限元法)的進一步發展與完善，上述技術已成功地用于冷彎薄壁多

孔立柱的截面特性計算、最優化設計、受力性能模擬及承載計算等方面，如貨架立柱的冷彎成型工藝分析及模擬，以確定冷彎成型加工對貨架立柱性能的影響。很多國內外學者對開孔規則的立柱構件進行了數值分析，他們采用通用有限元軟件ANSYS、ABAQUS等對立柱進行有限元建模及分析，考察短柱和長柱在軸壓及偏壓作用下的承載力與破壞模態，分析偏心位置對立柱承載力的影響，考慮初始缺陷、幾何非線性和材料非線性的影響，同時對立柱邊界的約束條件進行模擬，分析孔洞大小及位置對立柱的影響，并為理論研究提供了一定的參考，以求對立柱的強度、穩定性進行分析，得出極限承載力和試件的失效、破壞模態，同時對立柱截面形狀和各種孔型開設的位置、大小進行優化設計。例如。losif F.Szabo、Dan Dubi-na等國外學者采用ANSYS有限元，對不同孔洞的板件進行分析，定義出不同開孔對板件承載力的降低函數，并在冷彎薄壁構件有效寬度計算的基礎上進行修正，得到了開孔板件的有效寬度計算公式。同時提出了另一種替代方法——等效厚度法，即忽略孔洞，將開孔構件轉化為無孔截面構件來分析，采用臨界分支荷載損失法(ECBL)，將開孔看作一種幾何缺陷，引入缺陷對構件承載力的修正系數來考慮相關屈曲對開孔細長構件的影響，從而得到了開孔構件的相關屈曲臨界荷載。在國內，很多高校與企業合作開展了大量立柱短柱試驗等貨架基礎研究工作。例如：南京理工大學范進教授團隊在無孔冷彎薄壁構件的理論研究基礎上，對有孔柱與無孔柱在對比試驗的基礎上，根據試驗中短柱的腹板和翼緣發生的局部屈曲變形現象，分析短柱加工后殘余應力、初始幾何缺陷、開孔柱與無孔柱在承載力、加工誤差、試驗荷載變化等因素，分析短柱的力一位移變化和翼緣腹板歪曲變形，貨架立柱的彎扭屈曲強度的測定與分析等方面的研究工作；同濟大學韓書銀、萬德安運用有限元軟件MscPatran2001對某大型高層自動化倉庫貨架系統按常規工況和地震工況進行了有限元分析，對貨架的剛度和強度進行了評價。同時，國內同行企業就自身的產品和設計規劃體系也開展了大量的足尺工況模型試驗和驗證工作，對我國貨架規范及其設計理論的發展起到了很好的推動作用，其中，貨架立柱是各項研究基礎中的關鍵。《軸壓多孔冷彎薄壁c型鋼柱的彎扭屈曲》中針對多孔冷彎薄壁c型鋼立柱在軸心受壓荷載作用下的彎扭屈曲，考慮彈性及非彈性狀態，根據平衡法建立微分方程并采用差分法求解，提出了一種在柱中考慮孔影響的簡化方法——體積等效方法。在對冷彎薄壁卷邊槽鋼局部屈曲相關作用和畸變屈曲的分析時，《卷邊槽鋼的局部屈曲和畸變屈曲》中的分析為立柱選取適當的截面形式以避免畸變屈曲提供了可能性。筆者在《冷彎薄壁多孔貨架立柱的穩定性分析與研究》中依據試驗和相關規范提出了冷彎薄壁多孔貨架立柱偏心受壓的計算方法；針對立柱進行強度驗算時，根據其受載狀態的不同，依據《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》GB50018-2002分別按軸壓構件、壓彎構件及彎扭構件進行驗算，并根據《CECS 23：90鋼貨架結構設計規范》中對孔洞的簡化處理進行修正和試驗驗證。除自身構造特點的影響外，立柱的邊界約束也對其承載力有很大的影響。H.H.Lau、M.H.R.Godley、R.G.Beale等研究了立柱底板連接對立柱承載力的影響，從理論分析和試驗驗證兩方面入手，對一端鉸接、一端有底板的立柱在軸向荷載和立柱中間一橫向荷載作用下的性能，分析在不同情況下，柱帶底板一端是按剛接處理還是按鉸接處理，并研究了長細比對柱的承載力的影響，指出長細比大干100的柱的承載力高于歐拉臨界力。貨架立柱往往采用冷彎薄壁型鋼，Jyrki Kesti、J.Michael Davies等研究了兩端剛接的冷彎薄壁短柱的受力性能，驗證了EC3提供的短柱受壓承載力預測的準確性，并指出邊界條件對短柱的影響大于長柱。由于貨架立柱截面形狀較復雜，很難采用傳統的有效寬度法計算其承載力，B.Schafer、T.Pekoz和G.Hancock等近年來提出一種全新的冷彎型鋼構件承載力計算方法——直接強度法，該法不需計算有效截面，就能計算截面形狀較復雜的高強冷彎型鋼構件承載力，并可以利用計算機技術和有限元理論進行計算和設計。技術發展趨勢展望目前，關于立柱的研究中引入了很多簡化法，如孔洞影響的簡化處理方法、以短柱試驗代替長柱試驗、以貨架單元試驗代替貨架整體結構試驗等，都會在不同程度上造成結果不精確。由于立柱翼緣設計不合理或截面結構設計不合理造成翼緣屆曲破壞、局部屈曲破壞等，造成試驗結果存在較大偏差，以及目前的研究大多集中在一種或幾種特定的截面類型，特別是很多研究是基于開口冷彎薄壁多孔柱的，對其他截面結構形式的研究還有待加強；再者，由于試驗樣本數量的限制，試驗結果分散，很難達到通用性，且各研究機構和企業問的研究與資源共享性很差。特別是目前我國對貨架立柱進行的專項研究還相對較少，理論方面更是很少涉足。隨著鋼結構貨架的發展與普及，國外先進加工工藝的引入，國外先進的設計規范和理論體系的導入及國內外應用環境的比較，立柱截面類型設計及選擇的多樣化，都要求對貨架立柱的性能做進一步的研究和分析。目前在討論貨架立柱性能時，基本上是以室溫下獲得的試驗數據為前提。當貨架應用在冷鏈物流、高溫差地域中，需要對立柱進行溫度影響性研究、材料選擇性等方面的研究；當選用高強冷彎薄壁型鋼構件時，需要針對規范中尚未涉及的內容，開展相應的試驗樣本數據的收集整理、研究和理論分析，以驗證其適用性。例如，我國設計人員通常采用穩定系數來計算壓桿的穩定承載力，但《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》GB50018-2002中的穩定系數表是針對Q235、Q345的，需要進行適用性驗證和修正；針對國內貨架立柱截面折面數的增加，采取壓制各種形狀的邊緣、中間加勁來提高其板件的局部穩定性，要通過對翼緣、加勁的設計研究與計算，優化截面結構、獲得最經濟的勁結構和截面結構，選擇有代表性的立柱截面和樣本開展各項失效試驗研究，獲得可靠的安全防護手段和技術；特別是有不同孔洞(尺寸、形狀及布置、橫截面的幾何構成及所用材料的力學性能)構件的結構性能分析與研究，可借鑒AISI規范中的規定與敘述，以獲得廣泛的理論支持數據和驗證，并綜合考慮與分析貨架立柱的實際受載及荷載組合情況。目前多考慮貨架立柱的軸壓性能，對立柱的壓彎性能及扭彎性能考慮得不多，對組合荷載考慮得更少，以完善國內貨架設計規范和標準；并希望在貨架立柱研究的理論和試驗的基礎上，再綜合貨架框架和結構以全面考慮立柱的力學性能和結構削減與加固強化手段，形成合理的貨架結構設計、計算方法和手段，尤其是能形成可廣泛開展使用的計算機輔助設計手段，以減少設計過程中由于人員素質上的差異而產生的安全隱患，并在此基礎上形成貨架安全使用的可靠性評價體系。