阁楼式钢货架系统的规划设计

分析多层阁楼式钢货架系统的设计方法和特点,基本简化设计思路,提出了简化多层阁楼式钢货架系统分析计算模型的思路,并通过多层阁楼式钢货架系统的规划设计,进一步了阐述阁楼式钢货架系统的设计规划特点。

多层阁楼式钢货架系统具有空间利用率高、存储量大、适用面广、性价比高等优点,主要应用于人工存储的、货物轻小、易搬运、品种繁多、库房结构及高度容许的仓储体系中,并将随着货架钢结构设计理论的发展和货架企业设计经验数据、试验数据的丰富和发展,逐步从两层体系向多层体系结构发展,从单一功能模式向多功能模块模式发展,从单一货架形式向多货架类别的组合应用发展,以进一步满足客户的多样化现实需求。

目前国内大多数设计、生产制造厂家主要依据钢结构平台及单类货架单元结构设计经验性参数进行多层阁楼式钢货架系统的设计和规划,多限于存储单元空间的布局规划与模拟、单类货架单元的承载负荷分析及校核,或针对货架的部分单元体或属性的局部性研究等层面,而对货架系统及阁楼结构本体的技术基础性理论研究、结构性分析及其失效分析等还不够深入,有部分企业盲目地参照竞争对手的方案进行结构设计并减小材料尺寸,一味地降低项目造价,不考虑企业产品上的差异、不对整体货架系统的稳定性和可靠性进行评估和核算,即便对某些关键部位、关键联结节点和零部件进行设计验算和性能评估,也不能保证多层阁楼式钢货架系统能得到最优化设计和评估,一般情况下易造成系统的不稳定及可靠性差,需要进行后期加固处理;也有企业未对项目进行详细系统分析,盲目地过量设计形成材料浪费,提高相对造价,造成项目投资回报率低,影响多层阁楼式钢货架系统的发展;尤其是部分设计人员受设计经验、技术理论水平及应用环境等因素的限制,造成系统性设计缺陷或隐患,不能有效满足客户要求,阻碍了多层阁楼式钢货架的应用和发展。

多层阁楼式钢货架系统的布局规划及设计需要充分考虑各种储存物料的规格及单元化参数、系统配套设备的性能、数量和操作空间尺寸、系统内外的物流走向及优化、照明系统及消防设施等因素;且需重点考虑操作人员的操作便利性和安全性,有时还要兼顾货架存物的储存展示效果;并需要对库存物品的储存成本、环境及周转效率进行统计分析,以针对实际物流、资金流、信息流和存储情况进行多层阁楼式货架系统的布局规划及设计、模拟仿真、系统方案的修正与优化;其设计结果将直接决定整个多层阁楼式货架系统的管理模式、物流流程、货物的存取模式和制造投资成本,同时也决定了货架结构体的强度、刚度和稳定性的满足程度,目前在很多场合已开始运用有限元分析技术、三维仿真模拟技术及模块模组化设计技术对多层阁楼式钢货架结构展开了研究和探讨。

典型结构形式

多层阁楼式钢货架系统是特种钢结构形式的货架体系,可以认为是利用多层钢结构平台结构对货架系统的上下空间进行分层分隔后形成的多层钢货架结构体,或者是钢结构平台与货架结构体系的组合形式,本文主要探讨多层阁楼式钢货架结构系统,不涉及其他材料的多层阁楼式货架系统,该系统一般由以下部件体构成:阁楼式钢货架的主要支承结构体(支承立柱或多类别的主体货架支撑结构)、分隔平台及作业通道、与立柱结构体连接的主支撑梁、与主支撑梁或楼板等连接的副支撑梁、楼面结构、楼梯或升降货梯、护栏及其他连接配件等,根据具体的储存功能要求,有的还包含有卸货滑梯、周转装载或整理区平台、照明系统、消防系统等。

阁楼式货架通常利用搁板式货架或横梁式货架作为主体结构和每层分隔平台的支撑,每层分隔平台一般由主支撑梁、副支撑梁、楼面搁板、支撑柱和加固拉条等组成,通过螺栓连接、焊接或机械扣接模式等与货架单元连接,多种节点结构形式构成了相对复杂的钢结构力学体系,主支撑梁两端一般与货架立柱相连,形成主体承载梁结构;副支撑梁主要在主支撑梁之间构成网块框架结构体以便于安装楼面板或其他附件,整个平台结构整体性强,楼面板通常选用木板、冷轧型钢楼板、花纹钢楼板或钢格栅楼面板,可以根据实际需要选择不同的楼面板以满足货物搬运、消防安全及防尘、防小件坠落等要求,楼面下方也可根据需要配置照明系统、消防及报警系统等;合理布局平台结构体有利于整体货架结构力系的优化分布;附加支撑柱主要是针对货架柱的分布不均或结构受力不合理所增加的辅助承载结构,一般分布在平台的四周、楼梯口、卸货滑梯或大跨度通道两侧。

阁楼式钢货架可以根据货架类型分类:如搁板式、横梁式、重力式等形式及其组合,或根据阁楼式货架楼面层数、楼面承载大小等分类;并根据有无装载平台、装载门的形式、楼面平台的上货模式、楼梯结构、通道宽度、楼面护栏及楼面板形式、照明系统、货架的整体颜色、作业流量及管理流程等进行详细规划和设计,并进行结构力系分析,确定预算和技术经济分析,确保形成符合项目要求的、性价比良好的多层阁楼式货架系统。

多层阁楼式钢货架的特点

整体系统性结构。在多层阁楼式钢货架系统的设计结构中一般包含有多种钢货架单元结构形式,还包含有分隔平台、楼梯或升降货梯、周边护栏等主要部件;并通过分隔平台或连接结构形成系统性结构体,其力系结构分析也具有明显的整体系统性分析特点。

载荷特点。货架的荷载分为恒荷载、活荷载、竖向冲击荷载、水平荷载以及地震作用等,钢货架结构设计应按上述荷载效应的最不利组合分析;既考虑多层阁楼式钢货架主体来自于储存货物的各种荷载,还需要考虑来自平台的自重恒载荷、仓库管理人员和操作人员的体重及运动载荷、搬运设备的自重和运动负荷、附属装置传递来的负荷以及设计过程中考虑的地震作用因素等。

钢货架结构的多节点特点。存在螺栓连接、铆接、焊接或机械扣接等多种节点形式,如钢货架结构单元立柱与横梁之间的嵌入式机械扣接形式,横梁挂接片与横梁之间的焊接形式,主、副支撑梁之间的螺栓连接形式等,立柱孔与横梁爪扣之间的配合间隙和结构形式、立柱孔在冷弯截面型材上的分布规律等决定了节点处的扣爪的剪切强度和抗扭弯矩、钢货架的结构性能、立柱框架间的连接强度、框架的疲劳稳定性等,也形成了钢货架结构系统的特定力学设计特性。

多层阁楼式钢货架设计在结构上具有可变性。分别表现在结构平台在钢货架结构系统中的分层及安装高度的可变性、结构组成单元的多元化,尤其是组成钢货架结构的模块化、积木式设计理念的引入。不同的设计人员由于个人在结构设计理念、货物存储运作模式和设计经验上的差异、对具体项目的运作细节和客户要求的理解程度不同,在一定程度上也造成了多层阁楼式钢货架系统在设计结构上的可变性和不确定性。

钢货架结构上的差异性。货架各个部件使用的材料均根据货架单元结构来选定,存在市场产品的随机性和不确定性,目前多层阁楼式钢货架系统中多采用冷弯薄壁件,需依据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》进行设计和选择,为此要从钢货架系统的基础参数、各组件截面选型、截面特性参数、受力模型及其试验破坏机理、模拟承载试验数据、主副支撑梁及货架柱片桁架结构等多方面进行分析;特别是钢货架立柱等主要支撑件还采用了冷弯薄壁多孔型材结构,更增加了分析计算的难度和不确定性,在强度设计上,由于冷弯成型工艺上存在的差异也会给各冷弯部件产生不同程度的冷弯效应,特别是针对一些零部件特殊部位存在的冷弯减薄现象,对具体的材料和零件的屈服强度、塑性等会产生一定的影响,由于高低温仓库应用环境及市场钢材料的广泛来源,使得企业间的产品个性化差异比较大,也不利于市场统一产品标准的形成和推广。

传统的货架设计方法主要采用简化法,如将钢货架横梁结构简化为简支梁,牛腿结构简化为悬臂梁等,其结果也会造成理论计算强度、刚度上的大误差,需要通过大量的货架单元试验数据来支持或优化设计过程,或通过有关辅助设计软件进行设计验证。目前多采用钢结构设计软件、货架有限元辅助设计软件等对有关设计单元进行理论验算或结构优化,对多层阁楼式钢货架系统进行整体力系分析时,既要考虑货架整体的受力变形情况,也要考虑各零部件、各节点连接处的强度计算和系统稳定性验证。

如何选择与设计经济合理的型材截面尺寸、节点和组件结构模式、合理判断系统的荷载性质和搬运设备的操作使用条件、原材料的供应与制造安装条件的满足性、货架系统力学模型的建立与试验修订、系统物流的仿真与模拟、系统的有限元分析与稳定性校核优化等,使多层阁楼式货架系统在满足强度、刚度、稳定性等要求的前提下,以达到储物整体重心最低、物流走向最合理、系统经济和安全适用的目的,并最终优化钢货架整体结构,这就是多层阁楼式钢货架系统设计优化的目标。

多层阁楼式钢货架的简化思路

由于多层阁楼式钢货架系统的结构繁杂,结构单元截面属性各异,且由于存储单元品种繁多,其单元空间布局错综复杂,其需要分析的货架单元结构众多,且多考虑静态载荷工况,要全面、准确地进行多层阁楼式钢货架系统强度、刚度、屈曲稳定性、以及强烈地震作用下货架的抗震性能等方面的研究和分析是非常困难的。

多层阁楼式钢货架系统中多层结构的稳定性分析可以简化为沿杆轴线在多点受载荷的压杆的稳定性分析,结构系统中的楼梯、护栏结构等对货架的承载影响不大,可以在计算模型中忽略,在设计规划中作附件考虑和设计,在系统力系分析中只考虑它们的自重载荷对相关货架单元或结构的影响;支撑柱和加固拉条对货架系统的承载起辅助加强作用,在简化模型中可以做整体省略考虑,以增强钢货架系统的安全性;平台结构上的主要荷载的承载体为主、次支撑梁,主要支撑体为货架立柱及其结构,楼面板的作用可以认为是将平台结构上的主要荷载进行均布,故可将平台结构简化为固定节点上的均布荷载的梁单元结构;在竖直方向的静载作用主要承载单元为货架立柱或货架柱片单元等,其他结构单元主要起连接、稳固作用。故阁楼式钢货架的多层结构的整体稳定性分析也可以简化为钢货架的沿货架立柱轴线在多层高度面上受载荷的稳定性分析,货架立柱及立柱片受多层载荷的作用,多采用偏安全性考虑的桁架模型分析,且这时的桁架是平行四边形结构,理论上不具备侧向承载能力,主要由单根立柱或立柱片的承载能力起重要作用,由其稳定性所决定。

对于货架主体可以作单元结构分析,其中横梁与立柱间的连接或层板与立柱间的连接等结构节点可以视为单铰接节点或半刚性节点考虑,为简化运算的复杂程度,可选择最不利载荷组合作用进行受力分析考虑;对冷弯薄壁多孔货架立柱根据实际选用的材料进行强度、刚度及稳定性分析,进行弯扭屈曲强度有限元分析和短柱、中柱和长柱试验验证,也可以根据项目或确定的研究课题进行项目足尺满荷承载试验与加固分析研究,获得有关设计参数或对理论计算结果进行验证。

针对特别的个体单元需进行力系分析时,可视货架立柱片为简单桁架模型,即将货架立柱、支撑、横梁等结构件简化为杆件,采用基于静力平衡条件的结点法和截面法分析并求得各组成杆件的内力以校核有关杆件的强度和刚度及稳定性等参数指标,实际上由于各理想简化杆轴线并不一定准确交于结点上,结点也并非为理想铰结等原因,还同时存在微小的附加弯矩和剪力对轴力的影响,对计算结果有一定程度的削弱影响,在实际应用中可以忽略。

同时又需要根据多层阁楼式钢货架系统的设计与规划,研究开发最佳的货架组件的冷弯截面型式和安装挂接孔洞的分布规律,使整体结构匹配合理,充分发挥材料性能,减少材料费用,同时也会增加整体系统的分析难度。需要采用传统的分析机械结构强度、刚度的方法对单个复杂构件进行有限元分析,对整体结构进行荷载试验,通过应力及位移传感器获得相应的应力和位移量,从而可以分析评价和计算出结构的强度、刚度值;有限元将求解域看成是由许多诸如此类的小的互连子域组成,并对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解,以实现多层阁楼式钢货架系统的有效简化分析的目的。

多层阁楼式钢货架系统的设计

遵循“最佳空间利用,实现最多货物存储,尽量减少货物破损,搬运路径便捷、最优、作业效率最高”的一般阁楼钢货架的设计准则,根据存储物品的要求,选择使用适用的货架结构单元、楼面结构及节点、搬运储存及管理系统,如某案例为人工储存的搁板横梁式多层阁楼式钢货架系统结构,主要设计参数为:货架总高为6600mm,货格宽度为1800mm,货格深度为600mm,楼面层高约两米。塑料周转箱为货物基本储存单元,采用货架立柱、抱盒梁、阶梯横梁及层板等为主体货架结构。过道主支撑梁采用国标冷弯型材,主要分布在过道区域。平台支撑采用国标冷弯型材,由主、次支撑梁等组成,货格设计承载为300Kg/层,总层数最多达10层,平台设计承载为500N/m2。多层阁楼式钢货架整体结构采用冷弯薄壁型钢结构,通过调整辅助立柱的布置位、有效均布结构受力。通过货架结构水平拉杆的增加和调整去优化货架结构的水平刚度,通过货架结构背部拉杆的增加和调整去优化货架结构的竖向刚度,并合理布局货架单元,尽量将重载货物储存在底层,以降低系统的重心,从而增强和优化多层阁楼式钢货架系统的整体强度、刚度和稳定性。

根据设计规划及结构设计罗列设计清单和结构节点形式,并作为系统的报价依据、结构有限元分析建模的来源,也是进行设计验证和优化处理的基础资料。通过结构单元化、模块化处理及相关企业产品配套设计及分析,通过局部试安装和实载试验以获得具体的设计优化尺寸、配合公差、连接节点结构等,并对该多层阁楼式钢货架系统的结构强度和稳定性进行研究分析和计算,并针对特殊结构或单元通过装配展示和足尺试验,验证特定节点、杆系及梁的理论位移和实际位移、理论变形与实际变形之间的吻合程度,以校核实际钢货架结构的主要工作形态及所处位置节点的稳定程度、对周边结构的影响关系等。

货架单元体的设计由于一般企业所积累的实际经验数据和案例比较多,多直接选用,用有限元法分析多层阁楼式钢货架系统时,其计算分为两步。第一步,把多层阁楼式钢货架系统结构离散为独立单元的参数化指标,如:单货架立柱、单横梁、单支撑等元素,并简化为相应的杆件、梁单元或特别的分析单元,并对各种构件的结构形式、连接方式和地基基础等进行分析计算;

第二步,把这些独立元素放入货架单元或货架整体结构体系中进行系统性分析,在满足货架整体单元的平衡条件和变形协调条件下,完成整个系统的边界条件设计和加载分析,进行多层阁楼式钢货架系统的单元结构及整体结构性分析,确定系统的结构刚度矩阵和结构的节点载荷向量。此点的难度在于有限元分析结构模型的简化与建立,企业多采用与专业研究机构合作攻关方式处理,并通过类似的试验研究、钢结构软件或有限元分析手段,以完善企业的货架系列单元的理论基础资料及其设计选型资料,形成多层阁楼式钢货架设计分析软件的理论基础和应用环境。

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