組合式鋼結構貨架荷載能力分析

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4.0到來，制造業工廠大力推進智能制造，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鍵部件，其結構強度、安全性、穩定性要求越來越高。目前我國多是對組合式鋼結構貨架進行靜力學分析研究，在不斷地推廣鋼結構貨架的應用的發展環境下，貨架的抗震設計需納入考慮[2]。為保證貨架結構設計的最優性，工程設計人員需借助力學知識和有限元分析，對貨架關鍵部分進行力學分析，以滿足關鍵承載要求。

1 組合式鋼結構貨架結構

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，通常設計貨架長度不小于20 m，高度不小于5 m，存儲貨物層數不小于2層。高層組合式鋼結構貨架長寬比較大，形成所謂的“瘦長型”，結構強度上縱向強度強于橫向強度[3]，本工程設計貨架長度為23 m，高度為8 m，詳細貨架信息見表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標注出貨架構件實際密度，在加載過程中只需要根據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，可以根據貨物存儲位置計算貨架活荷載位置，然后根據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《鋼貨架結構設計規范》，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）設計反應譜（見圖1），參照《建筑抗震設計規范》中的保準設計反應譜，a為水平地震影響系數。

圖1 設計反應譜

2）參考下頁表2計算Tg值。

表2 Tg值 S

3）根據下頁表3，結合地震強度，可以得出amax的值，amax為最大水平地震影響系數。

表3 水平地震影響系數最大值amax

4）根據相關標準計算貨架結構水平地震影響系數a1，主要分為如下三種情況：

5）根據相關數據計算貨架結構總重力荷載代表值GE與貨架結構等效總重力Geq：

式中：GE為重力荷載代表值；GK為結構構件、配件的永久荷載標準值；QKi為有關可變荷載標準值；φEi為有關可變荷載的組合值系數。

6）計算各層水平地震力Fi：

式中：FE為貨架結構總水平地震作用標準值，FE=a1Geq；Gi為貨架結構第i層重力荷載代表值；Hi為貨架結構第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

鋼結構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力的方向對組合式鋼結構貨架進行分析。

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生的載荷。

根據分析結果（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，貨架整個產生的應力也不超過100.133 N，小于材料設計值234.651 N，說明貨架結構設計滿足應用要求。

圖2 荷載組合一位移及一應力圖

3.3 荷載組合二的有限元分析

在地震狀態下產生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、自身重量產生的載荷以及X向水平地震力。

通過分析結果可以看出（圖3），在載荷加載下，貨架最大的位移范圍為3.739 mm，貨架整個產生的應力不超過202.883 N，小于材料設計值234.651 N，說明貨架結構設計滿足應用要求。

圖3 荷載組合二位移及二應力圖

3.4 荷載組合三的有限元分析

在地震狀態下產生Y向水平地震力作用下的有限元結果分析，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、自身重量產生的載荷以及Y向水平地震力。

通過分析結果可以看出（圖4），在載荷加載下，貨架最大的位移范圍為5.244 mm，貨架整個產生的應力不超過195.901 N，小于材料設計值234.651 N，說明貨架結構設計滿足應用要求。

圖4 荷載組合三位移及三應力圖

3.5 貨架穩定性校核

通過對比三組載荷情況下貨架的有限元分析的結果，可以得出荷載組合二的應力極限最大，在此情況下對其穩定性進行分析校核，校核分兩個方面：一個是立柱部分，另一個是構件部分。最大載荷立柱應力需求為206.195 MPa，小于立柱強度設計值為234.651 MPa，設計安全富余量為12%。所有構件應力核對全部在設計范圍內，說明貨架設計滿足要求。

4 有限元分析結論

1）通過對比分析結果可以得出，正常工作情況下所受到載荷安全系數最高，設計安全富余量達高達57%，完全滿足使用需要。

2）貨架在受X向水平地震力產生的應力值最大，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構強度校核，準確地判斷貨架結構的受力，協助設計者合理選擇貨架型號規格。

5 結語

目前，組合式鋼結構貨架應用范圍越來越廣，作為智能倉儲發展基礎設備，對行業發展起著關鍵作用。因此，為進一步促進物流行業發展，嚴格遵守相關設計要求，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，對行業內貨架的設計具有重要的參考價值。