組合式鋼結(jié)構(gòu)貨架荷載能力分析

張賢根，黃 彬，宦朋松

（中天科技精密材料有限公司，江蘇 南通 226500）

引言

隨著工業(yè)4.0到來，制造業(yè)工廠大力推進(jìn)智能制造，而智能倉儲作為物料存儲智能升級的必備選擇[1]，貨架又作為智能倉儲關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)強度、安全性、穩(wěn)定性要求越來越高。目前我國多是對組合式鋼結(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)計需納入考慮[2]。為保證貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)性，工程設(shè)計人員需借助力學(xué)知識和有限元分析，對貨架關(guān)鍵部分進(jìn)行力學(xué)分析，以滿足關(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)計貨架長度不小于20 m，高度不小于5 m，存儲貨物層數(shù)不小于2層。高層組合式鋼結(jié)構(gòu)貨架長寬比較大，形成所謂的“瘦長型”，結(jié)構(gòu)強度上縱向強度強于橫向強度[3]，本工程設(shè)計貨架長度為23 m，高度為8 m，詳細(xì)貨架信息見表1。

表1 貨架基本信息

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)件實際密度，在加載過程中只需要根據(jù)其實際密度施加重力加速度。

2.2 活荷載

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

2.3 地震荷載

在計算地震荷載時，參考《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，在計算時需要考慮X向水平地震力和Y向水平地震力。具體計算步驟如下：

1）設(shè)計反應(yīng)譜（見圖1），參照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的保準(zhǔn)設(shè)計反應(yīng)譜，a為水平地震影響系數(shù)。

圖1 設(shè)計反應(yīng)譜

2）參考下頁表2計算Tg值。

表2 Tg值 S

3）根據(jù)下頁表3，結(jié)合地震強度，可以得出amax的值，amax為最大水平地震影響系數(shù)。

表3 水平地震影響系數(shù)最大值amax

4）根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計算貨架結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)a1，主要分為如下三種情況：

5）根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計算貨架結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值GE與貨架結(jié)構(gòu)等效總重力Geq：

式中：GE為重力荷載代表值；GK為結(jié)構(gòu)構(gòu)件、配件的永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值；QKi為有關(guān)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值；φEi為有關(guān)可變荷載的組合值系數(shù)。

6）計算各層水平地震力Fi：

式中：FE為貨架結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，F(xiàn)E=a1Geq；Gi為貨架結(jié)構(gòu)第i層重力荷載代表值；Hi為貨架結(jié)構(gòu)第i層計算高度。

3 貨架有限元性能分析

3.1 貨架計算工況與荷載組合

鋼結(jié)構(gòu)貨架的計算工況包括三種，各工況的載荷組合見表4，接下來本文將對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。

表4 載荷組合表

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1.457 mm，貨架整個產(chǎn)生的應(yīng)力也不超過100.133 N，小于材料設(shè)計值234.651 N，說明貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足應(yīng)用要求。

圖2 荷載組合一位移及一應(yīng)力圖

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3.739 mm，貨架整個產(chǎn)生的應(yīng)力不超過202.883 N，小于材料設(shè)計值234.651 N，說明貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足應(yīng)用要求。

圖3 荷載組合二位移及二應(yīng)力圖

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5.244 mm，貨架整個產(chǎn)生的應(yīng)力不超過195.901 N，小于材料設(shè)計值234.651 N，說明貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足應(yīng)用要求。

圖4 荷載組合三位移及三應(yīng)力圖

3.5 貨架穩(wěn)定性校核

通過對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，在此情況下對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析校核，校核分兩個方面：一個是立柱部分，另一個是構(gòu)件部分。最大載荷立柱應(yīng)力需求為206.195 MPa，小于立柱強度設(shè)計值為234.651 MPa，設(shè)計安全富余量為12%。所有構(gòu)件應(yīng)力核對全部在設(shè)計范圍內(nèi)，說明貨架設(shè)計滿足要求。

4 有限元分析結(jié)論

1）通過對比分析結(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)計安全富余量達(dá)高達(dá)57%，完全滿足使用需要。

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，其安全富余量僅為12%。

3）借助有限元分析對貨架結(jié)構(gòu)強度校核，準(zhǔn)確地判斷貨架結(jié)構(gòu)的受力，協(xié)助設(shè)計者合理選擇貨架型號規(guī)格。

5 結(jié)語

目前，組合式鋼結(jié)構(gòu)貨架應(yīng)用范圍越來越廣，作為智能倉儲發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)備，對行業(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)格遵守相關(guān)設(shè)計要求，本文提出借用有限元分析模擬荷載，有效保證貨架抗震能力，對行業(yè)內(nèi)貨架的設(shè)計具有重要的參考價值。