貨架鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析

貨架鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析貨架鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析過程是非常復(fù)雜的。如果設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，或者會(huì)浪費(fèi)材料，增加自重，提高成本，或者會(huì)因局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠而埋下安全隱患。由于超靜定桁架結(jié)構(gòu)、靜定桁架結(jié)構(gòu)或鋼架結(jié)構(gòu)是貨架鋼結(jié)構(gòu)中的主體形式，其中超靜定桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于離散變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)變量的離散性給數(shù)學(xué)規(guī)劃的設(shè)計(jì)方法帶來很大困難，目前對(duì)于較復(fù)雜的貨架鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)多采用專用分析軟件或有限元分析技術(shù)、實(shí)際承載模擬試驗(yàn)以確定貨架結(jié)構(gòu)體的實(shí)際工作特性，以確定其設(shè)計(jì)荷載、結(jié)構(gòu)體細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)等。貨架結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)造原理及力學(xué)分析貨架鋼結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)造滿足最基本的三角形規(guī)律，且實(shí)際結(jié)構(gòu)在承載情況下的力學(xué)計(jì)算也很復(fù)雜，特別是在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)呈現(xiàn)比較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)體系以承受各個(gè)方向可能出現(xiàn)的荷載，因此可以在忽略一些次要的空間約束的前提下，將實(shí)際結(jié)構(gòu)分解為平面結(jié)構(gòu)。1、貨架立柱、橫梁、支撐等組件的截面幾何尺寸（包括寬度、板料厚度）比其長度尺寸要小很多，^口：一般貨架立柱的截面尺寸為30X30mm?150X120mm不等，其節(jié)點(diǎn)長度尺寸在300mm?1200mm之間，基本比例在10倍以上；支撐的長寬比更大，有時(shí)可超過100倍，故可將貨架結(jié)構(gòu)中的組件作桿件簡化處理。2、組裝式貨架立柱與橫梁之間的連接形式可以看作一種半剛性的連接，一般按照鉸接方式處理。其實(shí)鉸節(jié)點(diǎn)是組裝式貨架鋼結(jié)構(gòu)中的主要節(jié)點(diǎn)形式，對(duì)于焊接式貨架體系需要作部分剛節(jié)點(diǎn)考慮，實(shí)際上貨架鋼結(jié)構(gòu)在任何荷載作用下，若不計(jì)桿件的變形，其幾何形狀與位置均保持不變，也可將貨架結(jié)構(gòu)簡化為鋼架結(jié)構(gòu)或桁架結(jié)構(gòu)，這也是貨架鋼結(jié)構(gòu)體可以用有限元進(jìn)行分析處理的力學(xué)基礎(chǔ)。3、貨架鋼結(jié)構(gòu)一般為超靜定結(jié)構(gòu)，由于部分結(jié)構(gòu)組件存在大變形，需要通過超靜定結(jié)構(gòu)來增加約束，并通過一定的結(jié)構(gòu)簡化手段將靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為每個(gè)個(gè)體組件“桿”的內(nèi)力計(jì)算問題。超靜定結(jié)構(gòu)的全部內(nèi)力和反力僅靠平衡條件計(jì)算不出，還必須考慮變形條件；如在力法計(jì)算中，多余未知力由力法方程(變形條件)計(jì)算。再由M=SMiXi+MP疊加內(nèi)力圖。如只考慮平衡條件畫出單位彎矩圖和荷載彎矩圖，Xi是沒有確定的任意值。因此單就滿足平衡條件來說，超靜定結(jié)構(gòu)有無窮多組解答。超靜定結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于：(1)超靜定結(jié)構(gòu)的多余約束破壞，仍能繼續(xù)承載，具有較高的防御能力。(2)超靜定結(jié)構(gòu)的整體性好，內(nèi)力較均勻且峰值小。(3)超靜定結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的剛度和穩(wěn)定性，從根本上滿足了貨架的基本應(yīng)用力學(xué)原理。超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與材料的物理性能和截面的幾何特征有關(guān)，即與剛度有關(guān)。在設(shè)計(jì)貨架鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時(shí)需事先假定各組件的截面尺寸和選用的材料特性、厚度系列等，才能求出內(nèi)力；然后再根據(jù)內(nèi)力重新優(yōu)化選擇組件截面特性等設(shè)計(jì)參數(shù)；另外，也可以通過調(diào)整各桿剛度比值達(dá)到調(diào)整內(nèi)力的目的，以改善某些薄弱環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)性能，提高貨架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃中的性價(jià)比。若在實(shí)際計(jì)算中不考慮結(jié)構(gòu)組件的變形，還可以進(jìn)一步簡化為桁架結(jié)構(gòu)，因?yàn)槌o定結(jié)構(gòu)的整體性比靜定結(jié)構(gòu)好，內(nèi)力較均勻且峰值小，結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性都有所提高，此為偏安全性考慮；從簡化處理的角度可以用平面靜定結(jié)構(gòu)來替代；采用節(jié)點(diǎn)法或截面法來計(jì)算結(jié)構(gòu)中各組件的軸力，并利用相關(guān)計(jì)算原理和方法對(duì)各組件進(jìn)行承載性、剛性和穩(wěn)定性等的校核及優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)以上方法也可采取一般的結(jié)構(gòu)計(jì)算程序或相關(guān)有限元軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)分析，并進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)際的貨架鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。貨架的荷載分為恒荷載、貨架活荷載、豎向沖擊荷載、水平荷載以及風(fēng)載、屋面活荷載（或雪載）和地震作用。貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按上述荷載效應(yīng)的最不利組合設(shè)計(jì)。實(shí)際上可以將貨架各組成件簡化為軸線，上述荷載在一定程度上可以進(jìn)行軸力簡化處理。其中恒荷載指貨架結(jié)構(gòu)的自重；活荷載指擱置在貨架結(jié)構(gòu)上的貨物和貨箱（或托盤）的重量；豎向沖擊荷載指儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械存放貨物時(shí)產(chǎn)生的對(duì)模梁的沖擊力，通?？扇∫粋€(gè)貨箱或托盤（含貨物重）靜載設(shè)計(jì)值的50%考慮；作用于組裝式貨架結(jié)構(gòu)的水平荷載指由貨架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初彎曲、安裝偏差、荷載偏心以及儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械的輕度碰撞等引起的水平力；貨架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)可僅考慮水平地震作用的影響，不計(jì)豎向地震作用。傳統(tǒng)的貨架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程是基于手工設(shè)計(jì)完成的，分為初步設(shè)計(jì)與技術(shù)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以利用CAD軟件提供的復(fù)合建模功能，探索貨架設(shè)計(jì)規(guī)劃新方法，或開發(fā)專用貨架軟件包，以縮短設(shè)計(jì)規(guī)劃周期，降低開發(fā)成本。有限元輔助分析手段是把貨架系統(tǒng)實(shí)體（或圖紙）抽象為一組由力學(xué)元件構(gòu)成的模型，把貨架單元轉(zhuǎn)換成能為計(jì)算機(jī)接受的計(jì)算模型，同時(shí)給出載荷及支持狀態(tài)的數(shù)學(xué)描述。在貨架鋼結(jié)構(gòu)簡化過程中的原則是：在盡可能如實(shí)地反映結(jié)構(gòu)體的主要力學(xué)特性的前提下，力求用較少的單元和簡單的單元形式來表現(xiàn)；在滿足貨架鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛性與主架連接的可靠性的前提下，力求減輕主架立柱的自重或減薄材料尺寸，如：在高架庫中采用貨架立柱分段厚度控制方法，即上部可選擇1.8mm厚度材料、中部選擇2.0mm厚度材料、下部選擇2.3mm厚度材料，或合理選擇橫梁規(guī)格與立柱規(guī)格，以獲得最佳的設(shè)計(jì)效果、最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。冷彎薄壁多孔貨架立柱壓桿穩(wěn)定性分析貨架立柱多采用冷彎薄壁多孔結(jié)構(gòu)，且通過多折面截面形式來提高貨架的屈曲后實(shí)際承載能力。《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范CECS23:90》中規(guī)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(yīng)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(yīng)無孔板件的有效寬度扣除位于有效區(qū)內(nèi)的孔寬取用。冷彎薄壁多孔立柱是貨架鋼結(jié)構(gòu)體系中最復(fù)雜的構(gòu)成組件之一，其彎扭失穩(wěn)問題一直是貨架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，直接決定了貨架鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)、計(jì)算復(fù)雜程度，其他冷彎結(jié)構(gòu)組件可直接應(yīng)用《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范GB50018-2002》中的原理和方法處理，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行全截面有效的冷彎型鋼貨架結(jié)構(gòu)的受拉、受壓或受彎構(gòu)件的強(qiáng)度校核，力求在貨架新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)初期就進(jìn)行有限元分析或計(jì)算；或根據(jù)該規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合冷彎薄壁多孔貨架立柱的特點(diǎn)，計(jì)算全截面有效的冷彎型鋼貨架結(jié)構(gòu)的受拉、受壓或受彎構(gòu)件的強(qiáng)度。當(dāng)偏心彎矩作用于對(duì)稱平面時(shí)，除應(yīng)按《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范GB50018-2002》中的第5.5.2條計(jì)算彎矩作用內(nèi)的穩(wěn)定性外，還應(yīng)按其中的公式5.5.2計(jì)算其彎矩作用平面外的穩(wěn)定性。組合式貨架橫梁承載的計(jì)算貨架體系是一個(gè)三維空間桁架結(jié)構(gòu)，但在計(jì)算橫梁承載時(shí)可以把計(jì)算模型簡化為平面模型，且橫梁的跨度遠(yuǎn)大于其截面尺寸。根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)理論可以將其簡化為梁單元體，通常的處理方法是把梁的兩端作為鉸支或半鉸支來處理。然后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定基本橫梁的截面特性參數(shù)，確定基本判斷標(biāo)準(zhǔn)為平面內(nèi)或者空間中的撓度值不超過梁總長的1/200，最后采用《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范GB50018-2002》、《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范CECS23:90》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2002進(jìn)行驗(yàn)算設(shè)計(jì)，或通過有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。橫梁的實(shí)際受力效果是部分鉸支加部分固支，鉸支或固支可以由標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)模型分別獲得橫梁的撓度值；針對(duì)不同的橫梁與立柱的連接結(jié)構(gòu)，通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)來測(cè)得鉸支效應(yīng)和固支效應(yīng)的比例；進(jìn)行力學(xué)效應(yīng)疊加計(jì)算，可以得到接近實(shí)際的橫梁變形特征，在獲得橫梁的最大變形量限制后，采用應(yīng)力法和撓度法計(jì)算梁的最大承載。一個(gè)貨架鋼結(jié)構(gòu)單元系統(tǒng)由若干基本元素（零件）組成。在系統(tǒng)分析中主要確定對(duì)貨架鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的可靠性元素和貨架鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性結(jié)構(gòu)，從而計(jì)算整個(gè)貨架鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的可靠度。根據(jù)貨架基本鋼結(jié)構(gòu)組成并采用價(jià)值分析方法中的A、B、C分類法，可以把貨架鋼結(jié)構(gòu)的零件分為A、B、C三類：A類：直接影響貨架鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，貨架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)較大，設(shè)計(jì)制造的成本高。如貨架立柱及其不同的冷彎結(jié)構(gòu)件、橫梁、擱板、拉桿或支撐桿等。B類：間接影響貨架鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，貨架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)一般，設(shè)計(jì)制造的成本低，易更換。如立柱底座的結(jié)構(gòu)、安全扣銷、緊固件等。C類：一些輔助部件，無關(guān)緊要，影響很小。如調(diào)整墊片、立柱端蓋由此確定貨架鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的可靠性元素為立柱、橫梁、拉桿、擱板等，并對(duì)它們各自的穩(wěn)定性失效可能進(jìn)行FMEA分析。貨架鋼結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)規(guī)劃方法、貨架鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，在貨架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中都應(yīng)該強(qiáng)調(diào)“概念設(shè)計(jì)”，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。對(duì)一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、試驗(yàn)現(xiàn)象和經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部設(shè)計(jì)。運(yùn)用概念設(shè)計(jì)可以在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必