貨架安全典型問題分析

王拓

上海穩圖貨架安全檢測技術有限公司 江蘇蘇州 215332

貨架作為一種物流存儲設備，在物流的倉儲環節發揮了重要作用。當前物流業在全球范圍內發展迅速成熟，為了充分利用倉儲空間，貨物一般通過高位貨架存儲，少則5-10 米，多則20-30 米的立體貨架成為市場主流。在高度越來越大的同時，貨架的安全問題也日益顯現。貨架屬于存儲設備，需要配套專門的搬運設備進行貨物的存取。搬運設備運行過程中，不可避免地同貨架發生相互作用，比如碰撞，會導致貨架構件的損壞，從而導致貨架的承載力降低，穩定性變差，甚至發生倒塌。貨架的倒塌一旦發生，會引起連鎖反應形成連續性倒塌。最近幾年國內貨架產品質量監督抽查中，出現不合格的原因主要集中在原材料不合格、產品抗壓性能不符合標準方面，并且全國范圍內也發生過多起貨架倒塌致人傷亡事件[1]。

1 貨架連續性倒塌

貨架是與搬運設備配合使用的。大部分貨架都配備叉車，由于誤操作導致叉車撞擊貨架幾乎是不可避免的。但是叉車撞擊引起的偶然荷載，在貨架結構設計標準中卻沒有考慮（比較成熟的歐洲貨架設計標準EN15512 中，給出的叉車存取貨時的放置動載，反映的是叉車操作良好的情況。對于配備叉車作業的貨架，其設計中并未考慮叉車的撞擊作用），原因在于貨架的立柱與橫梁等主要受力構件為冷彎薄壁型鋼構件，根本不能抵抗如此大的水平力（EN1991-1-7 中規定的倉庫建筑立柱必須能承受的叉車撞擊水平力約250kN）。到目前為止，所有貨架設計都不考慮此撞擊力，也就是說，貨架是不抗叉車撞擊的。如果考慮的話，那么結果就是單個儲位的貨架造價直線上升，勢必對倉儲物流行業造成嚴重影響。因此，一撞就倒的貨架，設計不一定是不足的，設計符合標準的貨架，一撞也有可能倒。受到撞擊而不倒的貨架，設計也不一定就符合標準，設計不足的貨架受到撞擊也可能不倒。

1.1 什么情況下貨架受到撞擊會/不會倒塌？

立柱受到撞擊發生破壞失效，才會引起貨架倒塌。問題轉化為，什么情況下撞擊會導致立柱破壞失效？任何撞擊變形都會造成立柱承載力一定程度的降低，從而降低安全水平。

但是實際中存在有利因素可以減緩立柱破壞失效：

貨架構件的鋼材實際強度大于由規定的鋼材等級要求的最小值（設計采用的鋼材強度）（比如高達15%）；

實際總的托盤荷載小于規定的設計值，某些情況下相差很大，即儲位使用率未達到100%，抑或單托盤承重遠低于設計值；

制造與安裝精度優于規定值；

選材時的承載力計算人為偏于保守。

對于一根符合設計標準要求的立柱，當發生有限的撞擊變形時，其承載力可能會降低40%，撞擊后的安全系數計算示意如下：

(撞擊后的承載力)×(設計荷載分項系數)×(提升的鋼材強度)/(撞擊后的實際承受荷載)

因此，撞擊后的安全系數=（1.0-0.4）×1.4×1.15/0.8=1.21。撞擊后的安全系數1.21 小于原設計安全系數：（荷載分項系數）×（材料系數）=1.4×1.0=1.4，但是仍然大于1.0，立柱不會立即破壞失效。然而，如果減緩立柱破壞的有利因素沒有同時出現，那么撞擊后的安全系數大約為：（1.0-0.4）×1.4=0.84，小于1.0，因此立柱很可能會發生破壞從而失效[2]。

1.2 貨架倒塌為什么是連續性的？有沒有什么阻斷措施？

結構連續性倒塌是指結構因偶然荷載造成結構局部破壞失效，繼而引起失效破壞構件相連的構件連續破壞，最終導致相對于初始局部破壞更大范圍的倒塌破壞。連續性倒塌的后果很嚴重，起因與損失不成比例。貨架結構，由于自身特點，易發生連續性倒塌。

首先，貨架結構冗余度較低，沒有多余構件，單根立柱失效后，沒有形成新的可靠的傳力路徑，荷重從失效立柱向相鄰立柱傳遞，馬上超載嚴重引起新的立柱失效，然后通過橫梁擴展開來。其次，貨架都是密集布置（貨架高度相對巷道寬度大很多），一列貨架的倒塌很難不波及相鄰列的貨架，掉落的貨物成為新的撞擊荷載。

連續性倒塌在建筑結構中研究得較為深入。結構設計中有所謂的“保險絲”概念，即讓特定的構件在特定的條件下發生破壞，退出結構體系，從而阻斷破壞的發展。對于貨架結構而言，能起到保險絲作用的可能是橫梁與立柱連接的位置，即梁柱節點。如果某座貨架倒塌時，橫梁與立柱能及時分離，那么就有可能阻斷連續性倒塌。當然這僅僅存在于理論層面，實際設計還達不到如此精準。

2 貨架梁柱節點安全插銷設計

對于橫梁式貨架，叉車搬運存儲單元時，如果提升太高就會碰到其上層橫梁，從而對橫梁施加向上的推力。橫梁式貨架設計中，要求在梁端掛片與立柱間設置一個安全插銷，當偶然推力傳遞到梁柱節點時，由安全插銷的抗剪切力抵抗，從而防止橫梁從立柱孔中脫出。

安全插銷設計為抗剪件，標準規定應至少能抵抗0.5 噸的剪力。而實際上，大多數生產制造商的產品的抗剪力基本都在0.5 噸到1.0噸之間。考慮到大部分叉車施加的偶然向上力引起的剪力都會超過此值，安全插銷的設計理念是在偶然超標力的作用下允許其剪斷或失效，橫梁從立柱孔中脫出。這樣事故的后果就會僅限于一組存儲單元的塌落。如果橫梁不能從立柱孔脫出，那么后果就是將立柱孔壁撕裂，從而導致整根立柱的破壞，接著引起與該立柱相連的所有橫梁的垮塌，再傳到相鄰的立柱繼而沿巷道方向整列貨架倒塌形成連續性倒塌。

因此，安全插銷的抗剪能力既要滿足標準的最低要求以保證橫梁不能隨意脫出，又要滿足在較大偶然力作用下能保證橫梁脫出避免破壞立柱。各貨架供應商應保證自己產品的具體設計、構造滿足要求。貨架安全檢測發現安全插銷缺失后，應使用貨架供應商的原裝安全插銷，而不建議使用其他廠商的安全插銷甚至是螺栓代替。

3 貨架節點疲勞

鋼貨架結構的承載橫梁兩端一般通過焊接掛片，掛片上的掛齒插入立柱孔與立柱連接。由于此類節點的重要性，加工工藝的多樣性以及理論設計的復雜性，一般是通過測試確定其承載能力與特性，安全儲備較大（按照安全系數來講，可能達到2.0）。然而在實際中，經常遇到橫梁破壞前無任何征兆，在某次操作過程中突然發生摔貨的現象。當然，引起破壞的原因可能有材料問題、加工工藝問題、安裝造成損壞、設計不足、超載以及操作不當等等。然而本文要討論的是排除所有這些非正常原因后，還可能產生的破壞：疲勞破壞[3]。

根據材料破壞前所經歷的循環次數(即壽命)以及疲勞荷載的應力水平，疲勞又可以分為高周疲勞、低周疲勞和亞臨界疲勞。高周疲勞是材料所受的最大交變應力遠低于材料的極限強度，甚至只有極限強度的二分之一左右，破壞前的循環次數大于10^3 次，通常用S-N 曲線描述材料高周疲勞特性。低周疲勞是指材料所受的應力水平較高，通常接近材料的極限強度，斷裂前循環次數較少，一般少于10^3，每次循環中塑性變形較大，低周破壞是塑性變形累積的結果，因此又把低周疲勞稱為塑性疲勞。

伴隨著貨物的存取，貨架結構承受著加載與卸載的循環作用。而受單個存儲單元存取直接影響的構件就是橫梁及梁端節點。在正常使用中，梁端節點的應力水平不高，如果發生疲勞破壞，應該是高周疲勞。疲勞破壞屬于脆性破壞，在破壞前無明顯征兆，比較危險，在結構設計中應盡量避免。貨架梁端節點發生疲勞破壞的概率與實際加卸載頻率和節點本身的疲勞壽命有關。不同吞吐能力的倉庫、不同功能用途的貨架、不同位置的橫梁，加卸載的頻率不盡相同。中轉位置的頻率高一些，存儲位置的頻率低一些。這是一個統計問題。而節點本身的疲勞壽命，則由節點的材料、設計構造、加工工藝、安裝精度、使用狀況等因素綜合決定。目前所有貨架設計規范中都沒有給出具體的設計規定，原因之一在于研究的欠缺。

東南大學尹凌峰教授團隊對某廠家的鋼貨架結構梁端節點進行了疲勞試驗研究，研究包括兩類不同構造的節點：設置安全插銷的節點與設置螺栓的節點。在正常使用工況模擬下，設置安全插銷的節點破壞模式為掛片正面沖孔角點上的脆性破壞，疲勞壽命約2.2萬次；設置雙螺栓的節點破壞模式為梁側上端裂縫的出現并發展，疲勞壽命約18 萬次。從這一角度來看，增設螺栓改善了節點的疲勞特性，對節點的受力是有利的。

4 結語

貨架結構由于本身的使用環境與特性，易于發生碰撞，易于形成連續性倒塌，因此需要合理地進行設計并采取構造措施。梁柱節點對貨架結構的安全性有重要的影響，其中安全插銷的設計既需要考慮強度足夠又需要考慮及時破壞。對于梁柱節點的疲勞破壞問題，需要進一步的研究。