整体式立体仓库的货架设计要点

整体式立体仓库的货架设计要点

整体式立体仓库的技术关键是货架系统，故其设计依据主要体现在货架方面，货架的受力分析和计算是这一技术的重点。其设计依据主要从以下几个方面出发：

1．受力恒荷载：恒荷载指货架本身结构的自重，连接C型钢和房架、檩条、房架、屋面板、墙板的重量。

2．受力活载荷：活载荷指搁置在货架上的货物和托盘的重量，还涉及屋面的雪（雨）载。3．竖向冲击荷载：指堆垛机存放货物时产生的冲击载荷。

4．风载：是整体式立体仓库受力计算的重点。一般而言，整体式立体仓库的投资者是以合理有效利用空间出发的，所以整体式立体仓库的高度较高，一般高宽比:L（高度）=1.5--2W（宽度），这样，仓库在风载作用下的安全性是一项重要的指标。风载对货架立柱的影响的计算一般将通过钢结构受力计算软件来完成，同时要采用系统受力仿真和理论计算进行复核。

5．抗震裂度：按GBJ11-89《建筑抗震设计规范》执行，一般取抗震裂度设防等级为7级。

货架结构应按上列荷载效应的最不利组合设计。在设计整体式立体仓库的货架结构时，尤其注意下列两种最不利的荷载的组合：风载起作用时的全库空载状态下的受力；水平地震作用时全库满载下的受力。另外，对仓库货物分配状态要充分给予考虑，即仓库一侧满载，另一侧空载状态时，仓库基础的受力分析。尽管存在着仓库的货物分配存放理论；尽管在仓库的使用说明中已规定货物在仓库中的分配存放尽可能的均匀，但在设计计算时我们必须考虑最坏的可能。

货架型式的选择也是整体式自动仓库很关键的问题。货架按其结构型式分为整体式焊接货架和组装式货架。按标准规定，组装式货架的立柱最大垂直偏差不应大于全高的1/120，而库架合一整体式货架立柱的垂直偏差不得大于全高的1/1000，垂直绝对偏差值不得大于10mm，因此可以看出，整体式货架的加工和安装精度要比组合货架要高。整体式自动仓库的货架型式选择主要取决于各种荷载的计算，取决于仓库的外型尺寸。由于组装式货架在安装施工中具有较大的不确定性，所以在整体式仓库的设计上经常采用的是整体式焊接货架。

整体式焊接货架的立柱选材也有方管、矩型管、槽钢等材料，根据型材本身的特性和指标，选择方管为佳。对于较高的仓库，立柱选择变截面和壁厚不一的业绩也是常见的。

整体式焊接货架的焊接要在工装上进行，工装要进行验证，货架片在进入现场后，也要在工装上进行组装，以保证各种精度。

如何确保货架系统的安全性

货架的质量对仓储系统的安全影响巨大。只有对货架的设计、制造、安装、售后服务等环节严把质量关，才能确保客户仓储系统的安全性与实用性。

近年来，国内不时发生仓储安全事故，其中部分原因在于货架产品质量与货架安装未能达到相关标准。目前，我国常用的有关货架设计的标准主要有：《CECS 23:90中国工程建设标准化协会标准钢货架结构设计规范》、《JB/T 5323-91立体仓库焊接式钢结构货架技术条件》、《JB/T9018-1999 有轨巷道式高层货架仓库设计规范》、《FEM 9.831欧盟标准有轨巷道堆垛起重机设计规范高架仓库的公差、变形和间隙》、《FEM10.2.02欧盟标准托盘用静力钢货架设计》、《ANSI/MH10.21984工业和商业用钢制货架使用安全规范美国标准》、《MH16.1-2004美国国家标准工业存储用钢货架设计、试验和应用规范》等。

货架制造企业采用的标准有所不同，而面对这么多标准，用户在进行货架选择时也会无所适从。笔者认为，企业在进行货架设计及生产时，应严格执行国家标准，参考国外标准，并在货架设计、制造、安装和服务等方面注重细节管理，以提高货架系统的安全性与实用性。

货架设计

在货架设计过程中，应遵循如下原则：考虑货物重量分布不均所造成的变形，堆垛机或叉车动作引起的横向冲力，地震烈度设防；货物之间、货物与货架之间以及货物与消防管道之间留有

安全距离，留出消防喷淋空间；选用优质钢材，表面防锈及装饰处理，在确保货架使用性能的前提下，尽量降低工程造价。

此外，货架设计时还应注重以下几点：

1.设计货架结构时，应综合考虑使用要求、设备情况、载荷性质、材料供应及安装条件等因素，合理选择结构形式、构造措施和制作材料，做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。

2.货架的尺寸公差、变形和间隙均应符合相关的标准。

3.有严格的设计程序，无论以耐用性极限状态还是以最大荷载极限状态设计货架结构时，都要符合相关的标准，要有计算书。对于重大项目必须经过有限元计算，对货架强度、刚度和稳定性进行复合，对地震作用下的安全性进行全面考核。对重复使用的标准型货架，要有通用计算书。

4.计算采用的数据必须是有依据的或是经过试验得到的。货架结构往往很难从理论上作精确分析，必须借助于相应的试验来确定设计中所需要的参数，也可直接通过试验确定货架结构或某个构件的承载能力。试验要有报告，试验设备应经国家认定的有资格的计量部门标定、检验合格。

5.横梁式货架，每根横梁的两端必须配备锁定装置，或提供螺钉和螺母紧固，使横梁能稳定地固定在立柱上，防止受到向上外力而脱离。要确保横梁与其锁定装置（或螺钉和螺母）的接合，在使用中应定期检查横梁锁的正常运作或螺钉螺母的紧固，及时更换损坏的装置。

6.货架立柱柱脚应正确固定在混凝土基础上。要明确货架同地面的连接方式是采用预埋件，采用二次浇灌方案，还是采用化学螺栓与地面直接连接的方案。螺栓的直径、埋入的最小尺寸，都必须根据实际荷载、地震荷载或风力荷载，通过计算确定。2.4m以下手工上料的小货架可不固定。固定货架立柱基础的混凝土必须连续固化28天，并承受相应的压强，基础的不均匀沉降要符合使用要求。

7.库架合一式货架基础的沉降值应严格控制，保证货架结构的正常使用。非库架合一式货架在设计时应注意货架基础和建筑屋柱基础的分离，防止货架结构的作用力导致建筑物的损坏。 8.必须在货架的醒目处设置一个或多个永久性标牌，每个标牌的面积不宜小于20×20

（cm2），标牌上应以清晰的字体标出最大单元荷载（kg）、每层最大均布荷载（kg）、每一货格允许存放的单元荷载数。

制造质量

货架生产企业必须通过ISO9000认证，有严格的全面、全员、全过程的质量管理程序。质量意识的教育要常抓不懈。

承接项目时，首先应进行可行性分析。设计的施工图必须经校、审签字。生产部门必须编制施工工艺卡，绘制必要的工、夹、模具图纸，图纸必须经校、审签字并存档备查。对横梁、立柱的长度尺寸公差和弯曲度，焊接结构件的焊缝，表面喷涂前、后处理和涂层厚度等，均应有严格的要求。供应部门必须按图纸提供的材质要求采购，并提供和采购日期相符的材料品质证书以备用户查验。质检部门必须对首件关键工序、关键尺寸和成品进行严格的检查和测量，提供首件检测报告，经检查首件合格后才允许生产。批量生产时，质检部门应抽查关键工序、关键尺寸，提供抽查检测报告。在加工完成喷塑前和包装前，对半成品和成品应进行两次全面的抽查，并记录在案，最终出具产品合格证。生产部门应重视包装底盘的刚性和装箱的稳定性，以确保长途运输过程中的产品不损环。此外，要实施质量一票否决制。

专业安装

货架的安装质量直接影响到堆垛设备的正常运行和货架的使用效果，对于自动化立体仓库更是至关重要。货架安装要横平竖直，立柱最大垂直偏差为全高的百分比等在货架的安装规范中均有严格规定。而大多数地面是不平整的，需要有专门的调整技术。整个货架系统的安全，依靠螺母—螺钉正确的紧固连接，其安装条件和连接扭矩的大小，需要有专门的数据和安装技术，才能使货架的安装牢固紧密。不正确的装配可能导致构件产生不当的内应力而引起货架的毁坏，只有

经过培训且有丰富经验和资质的专业安装队伍才能达到这些要求。

安装前应根据制造情况和现场条件提出一份详尽的安装计划。安装人员应遵守用户的规章制度及安全规范。此外，安装人员服装应统一，安全设施应齐全，工具摆放应整齐，每天下工后对现场进行清理打扫，保证现场干净整洁。

通常，货架的安装顺序为：安装前，采用激光仪对地坪的施工精度、所有预埋件的标高、行和列的直线度进行测量。根据安装基准轴线确定基准点，并按要求进行划线定点，利用吊装工具竖起货架片，装上横梁、水平和垂直拉杆等，按精度要求进行校正。然后以竖起的货架片为基准，逐步安装，当工程进行到2/3左右时，堆垛机便可进场安装。安装结束后，对安装精度进行检测，对未达到要求的点进行校正，直至符合要求，最后由用户及堆垛机供应商对安装质量进行检测并验收。

服务

验收时，应向用户提供产品合格证和为期一年的质量保证书。在质量保证期内，接到用户的设备故障通知后，应快速响应，必要时应尽快到达现场；对由于零部件质量问题造成的损坏，应免费更换并修复；由于用户人为原因造成的零部件损坏，有义务进行修理和更换，仅收取成本费，被更换零部件的质量保证期为一年。货架应终身维修。

根据用户需要，货架生产企业可提供的技术服务项目还包括货架方案设计、计算和咨询，货架安装和调试，货架拆卸，货架加高、横梁的增减，负责接洽废、旧货架回收业务等。

托盘横梁式钢货架结构概述

托盘横梁式钢货架结构主要由立柱、横梁等主要承载构件及其附属配套件构成，横梁与立柱的连接多采用机械式的锁扣结构，可随意拆装组合。在货架系统的选用和设计规划过程中，要综合考虑相应国家和地区的货架钢结构设计规范、标准及已验证的货架组件产品的试验数据和设计参数，并结合货架的使用要求、搬运设备的性能及控制方式、存储单元的规格参数特性及荷载类别、制作材料的供应及加工工艺、安装条件等因素，合理选择材料、结构形式、连接方式和构造加固措施，并对货架钢结构及其单元体进行强度、刚度及稳定性的校核与设计，确保结构合理、外形美观及经济性好，以满足客户的实际需要。

主要零部件的特点

1.托盘横梁式钢货架的立柱结构

在托盘横梁式钢货架结构体系中，多采用冷弯薄壁多孔型钢柱作为货架立柱主体的垂直向受力承载结构。在货架立柱的开发设计过程中，既要考虑货架立柱的承载力、截面力学特性、冷加工工艺及生产制造精度等要求，还要考虑荷载特性、截面回转半径、节点节距等参数对货架立柱承载性的影响；既要考虑冷弯薄壁型钢的弯扭屈曲特性，还要考虑冷弯薄壁型钢货架立柱上的多孔削弱性因素、偏载因素；既要考虑货架系统的抗震性影响，还要考虑货架立柱系统的其他水平向的抗受力的叠加性影响。

近年来，国内外很多学者针对不同的货架立柱结构和零部件进行了大量的试验、数值分析及理论研究，也制定了一系列的规范和标准，但至今还没有切实可行的通用程序和理论来精确、有效地计算货架立柱结构的承载力。目前可以通过有限元方法实现货架立柱在特定力学作用下的承载力影响模拟和破坏模态模拟，为理论研究提供有效参考，并且我国货架类规范及其他国家和地区的货架规范均建议采用试验的方法来确定货架立柱的力学特性。

本文利用SOLIDWORK2007软件自带的COSMOSXpress设计分析工具，对某类托盘横梁式钢货架立柱进行了简单分析，采用货架立柱为3000mm长的13个折面的冷弯薄壁多孔的型材结构实体网格，单元大小为11.364mm，公差为0.56821mm，单元数为64555，节数为135249；类比可分析其他设定长度的货架立柱，结果基于线性静态分析，材料设想为同象性。其中货架立柱的材料特性假设为：弹性模量2.1e+011 N/m2，泊松比0.28 NA，抗剪模

量7.9e+010 N/m2，质量密度7800 kg/m3，张力强度3.9983e+008 N/m2，屈服强度2.206e+008 N/m2，见图1、图2。基本上可以模拟计算出相应的屈服力、位移量，并根据设计计算中的安全系数获得相应的约束及约束力、外加载力等，为实际的试验模拟和数据验证提供科学依据。

2.托盘横梁式钢货架立柱片的支撑结构

立柱通过横斜撑连接构成立柱片，并形成货架结构承载的主体骨架结构。由于货架立柱横截面的对称性与开口冷弯薄壁多孔的特点，其在X-Y两个方向的惯性矩差别比较大，为充分发挥货架冷弯薄壁多孔立柱的承载能力，通常根据一定的节点节距并通过设置支撑体系的方式来加强承载能力，以减少货架冷弯薄壁多孔立柱的计算长度。也有厂商根据货架承载的特点布置支撑，如形成上疏下密的符合力学特点的优化布置特点，但不利于生产的标准化和批量化，货架的安装与调整也存在一定难度。支撑多采用C型截面冷弯钢或矩形截面管制作。笔者在《货架钢结构系统的分析》（《物流技术与应用》2007年10期）中用三角几何不变体原理说明了布置支撑结构的方法，货架的绗架特性更加突出、整体稳定性更强，同理对货架结构体的跨度、高度、长度等方面进行优化研究和分析，分析货架立柱的边界约束、细长比的影响因素等，分析构件间的内力分布及大小，对货架整体稳定性分析及提高货架立柱的承载力均提供了科学依据。

3.托盘横梁式钢货架的横梁结构

横梁作为托盘横梁式钢货架结构系统中支承货物的主要受力部件，通过特定的梁柱节点形式（横梁与立柱多采用挂钩、销钉、螺栓及焊接等连接，形成焊接节点、螺栓接点、机械式节点）构成货架框架结构，此处多采用半刚性节点进行处理，这也是托盘横梁式钢货架区别于一般钢结构的特征之一。根据现有的《钢结构设计规范》提出的半刚接的可行性，可通过试验获得梁柱节点的弯矩—转角关系曲线，即节点的转动刚度，以研究、设计和计算货架梁柱间的半刚性连接。欧洲规范EC4规定：当节点的转动刚度小于梁的线刚度的0.5倍时，可视为铰接；当节点转动刚度大于梁的线刚度的25倍时，可视为刚接；两者之间为半刚接。AISC规范1994年版把传递20%以下构件抗弯能力的连接称为铰接，传递20%~90%构件抗弯能力的连接定义为半刚接，传递全部弯矩的为刚接。根据《钢货架结构设计规范CECS23 : 90》推荐的横梁试验方法获得的数据、理论推导数据及经验、相应的设计规范和标准及客户的个性化要求，选择不同规格型号的横梁结构和系列，来满足客户的实际承载和多种物料的储存要求，为企业产品的开发和创新提供理论分析依据。

由于横梁的结构和实际的受力情况比较复杂，计算过程比较繁琐，容易造成计算不准确，导致货架的强度或刚度不足，给货架使用留下安全隐患。同时，横梁可选用的冷弯截面的形状多种多样，其设计支持理论较多，且比较复杂，在设计上主要考虑同等耗材条件下负载能缓冲冲击载荷，并尽可能在多方向上产生最小的挠曲变形，以提高承载能力。在进行托盘横梁式钢货架规划时，国内外规范上均建议采用试验的方法来确定横梁的强度、刚度和稳定性参数，以及梁柱节点的强度、刚度、梁柱节点的弯矩—转角关系等，并考虑横梁的短期应力、长期应力、立柱变形对横梁的影响、横梁本身的自重、不同材料下的横梁特性研究试验、批量材料性能上的波动误差及地震载荷作用下的货架性能试验等，以避免根据横梁的实际模拟试验结果来考虑横梁结构上存在的局限性，大大缩短物流系统的设计规划周期，提高设计规划效率和质量。

托盘横梁式钢货架结构件的失效分析

冷弯薄壁型钢构件作为托盘横梁式钢货架结构的主体，在应用环境中，其周边的应力状态是复杂、多变的，构成的破坏形式也是复杂而且多样的。由于冷弯薄壁型钢构件多孔性特征，《冷弯薄壁型钢结构技术规范》只能适用于规范标准化截面构件，需要结合货架的体系结构特征、货架钢结构体系的应用场合和试验数据、国内外相应规范进行失效试验分析。

同时，货架钢结构中还存在大量的焊接构件，需要对货架构件做焊接工艺适应性试验及残余应力的失效试验，也要考虑其他残余应力的失效分析处理。例如，托盘货架横梁的主要失效影响

来源于焊接、冷弯加工工艺中形成的残余应力，以及实际反复承载中形成的挠度变形及疲劳破坏等，对货架构件的生产制造、安装等精度的控制造成一定影响，对货架结构体的强度、刚度和稳定性造成直接影响，特别是横梁连接件挂钩的断裂、变形等失效性试验研究对货架钢结构的安全性起着关键作用。

试验方法

《钢货架结构设计规范CECS23 : 90》规定了四种试验方法：短柱试验、托盘横梁试验、测定梁—柱和柱脚转动刚度的门架试验、组装式货架单元的整体试验。欧标规范中（FEM标准与规范）中还涉及到材料试验、立柱的受压试验、扭转屈曲检验、柱卡弯曲试验、柱卡松动试验、柱卡剪切试验、框架剪切刚度试验、柱截面弯曲试验、梁弯曲试验、柱连接试验、撞击试验、整体试验等，并对各试验作了规程说明和要求，同时对试验的结果偏差也进行了规定，其试验结果自然更具有科学性，与我国的货架规范也形成了比较大的差异和互补性。因此，有必要对不同国家和地区的托盘横梁式钢货架系统规范进行对比分析，以期获得对托盘横梁式钢货架系统的精确认识。

托盘横梁式钢货架系统的规划设计与选择

在进行托盘横梁式钢货架系统设计时，要根据客户仓库尺寸说明、结构说明绘制设计规划用平面CAD图纸和平面介绍文件，从仓库可利用的净高、托盘单元尺寸及货物的尺寸、货物及托盘重量、出入库作业时间与吞吐量、仓库储存总量、储存品种与规格、货物分类情况与包装、货物库存周期、作业班次、使用何种仓储管理软件、储存有无特殊要求、单托盘是否混载、搬运储存系统、选用的叉车型号或参数、叉车存取货物时的进叉方向、其他设计需求说明等方面进行综合考虑，并选择合适的货架单元及组合结构；同时，还要结合建筑物内部的高度或空间限制、地面状况、仓库门及物流走向分布和防火喷淋系统、仓库功能及目前或将来仓库作业流程的描述，进货、出货、存储及拣选作业区尺寸及分布，以及客户的有关拟建仓库的其他信息，以便准确采用平面CAD图纸和平面介绍文件进行货物单元化处理与货架功能区的布局规划。

在托盘货架系统的布局规划中，还需要考虑各功能区的设置，如一般物流作业区、退货物流作业区、换货补货作业区、流通加工作业区、物料配合作业区、仓储管理作业区、厂房使用配合作业区等，并根据用户的具体作业特点和管理模式决定取舍，然后根据库区的作业吞吐能力、具体货物单元的分类与作业特点进行货架功能区域系统的细分和设计规划，并选择合适的货架单元与结构组合，根据项目的进展分阶段逐步完善。

货物单元化处理的依据来源于用户的仓库管理模式与优化结构、货物特点、货位存货方式和密度、货物单元装载、包装形式、货架单元深度的选择、货位尺寸的规划决定货位的净宽、货位的净空高度及货物的层数、货架系统的总高、货位的层承载、货架立柱片的承载、货架附件的设计、用户要求和货架结构的要求、货架立柱的孔位分布规律等，从根本上保证货架结构的稳定性和整体结构的装配功能的实现；根据用户要求和行业规则选择货架的表面处理方式、颜色，并由此确定相关的技术参数和要求；并就整体规划中可能需要其他类别货架进行补充规划设计和优化改进，或提出有建设性的建议，不能就托盘横梁式钢货架系统规划来代替一切可能的货架设计与规划。

值得注意的是，托盘横梁式钢货架结构主要构件的强度、刚度及稳定性的设计、制造与安装等方面实际上是相互关联并且比较复杂的，难以进行理论化模型分析或通过实际模拟试验获得理想的设计依据，要经济地并采用合理技术来提高货架的整体稳定性，显得比较困难，为此需要从多方面进行分析和简化，将理论分析与模拟试验手段相结合，并结合用户实际加以考虑，以期获得比较满意的解决方案和合理的托盘横梁式钢货架结构体

货架系统设计的四大原则

法则一：永远坚持按照建筑长边布置您的货架，因为短边意味着将会让您牺牲大约建筑物存储能力5%的货位；

法则二：永远不要在货架设计中出现“口”型的通道，这意味着您建筑物正常存储能力的5%将会受到影响，同样也会影响系统的其他功能；

法则三：避免在同一仓库内，出现不同的货架走向的差异。两个方向的变化将至少影响我么仓库存储潜能大约5%的能力；

法则四：避免沿建筑物内墙布置通道，这对我们意味着不必要的空间浪费。最好每个通道都可以两面存取。

堆垛机运行同步制动与变速缓冲

堆垛机运行停车制动机构安装在下横梁主动轮部位，由于堆垛机的高窄结构，当堆垛机下部行走机构制动时，惯性力的作用会导致运动方向出现点头摆动（以堆垛机立柱底部为支点的悬臂梁挠变）。由于车体的摆动，在停车过程中会产生定位误差，既影响准确寻址定位，又会产生震动，增加噪音，造成机体的损伤。随着堆垛机运行速度的提高，制动带来的摆动幅度会越来越大，因此消除惯性、减小摆动显得尤为重要。此外，由于上道轨与导轮之间存在间隙，又无夹紧定位，停车存取作业时，由上导轮间隙产生的角倾斜，加大了货叉作业时产生的下挠（见《双伸位堆垛起重机设计》，物流技术与应用2007年1期）。

要克服以上不足，堆垛机停车过程必须即制即停，并且保持足够的刚度，从而减小作业时产生振动，克服上部导轮间隙造成的倾斜，减小货叉的下挠，提高定位精度。根据堆垛机运行停车制动产生点头摆动的机理分析，要有效避免点头摆动，必须实现堆垛机下部与上部同步制动。目前国内制造的有轨巷道堆垛机尚无同步制动装置。

堆垛机运行同步制动

本文推荐的堆垛机同步制动装置为独立集成机构，由钳口、支架、底座、连杆、推杆、直线电动驱动、磨擦片组成，结构简单反应灵敏，安全可靠，装配、维修简便，并且制造成本较低。基本结构如图1所示。

该装置通过支座固定在堆垛机上横梁，当堆垛机下部行走轮系执行制动时，上横梁同步制动装置在直线电动推杆推动下，将连杆推到死点，制动钳口夹紧上导轨，将堆垛机稳固在上导轨。由于钳口间隙之和为定值，因而连杆张紧闭合尺寸链也为定值，可保证随机夹持导轨，稳固机身。当行走机构释放制动时，同步制动装置在直线式电动推杆拉动下，使连杆脱离死点，夹紧钳口松开。由于主动轮在底部，当堆垛机启动时，顶部运行略显滞后，当下车轮起动时钳口会提前张开。考虑导向与运行的平稳，同步制动装置也可同时安装导轮机构。

为缓解制动产生的过高刚度，避免制动扭矩对堆垛机机身以及磨擦片的损伤，在磨擦片前后设置弹性橡胶（尤其在防爆要求时避免火花产生），以缓冲制动冲击。如图1中A向局部图。

同步制动装置具有以下特性：

1.缓解了堆垛机停车时的摆动，提高了定位精度，减小了货叉下挠。

2.制造成本低，安装简便，稳定可靠，具有较高的技术经济性指标。

3.可制作为独立集成体，实现独立安装。

4.可实现通用化、标准化，可提供改造应用。

5.可实现在旧设备上的增加改进。

变速缓冲

当堆垛机起动、停车或在运行中加减速时，由于惯性作用，载货台货物会产生滞后运动，尤其是重心高的码垛物品，更容易产生倾覆。变速缓冲装置利用压簧与拉簧的弹性功能，能够有效地吸收货物的惯性位移，避免码垛物品的倾覆。

变速缓冲装置安装在货叉下方，由缓冲座、缓冲弹簧、道轨、辊柱组成，如图2所示。缓冲弹簧由压簧、拉簧成对组成，当堆垛机加速时，货物滞后，压簧受力，通过压缩缓冲惯性位移，反之亦然。道轨、辊柱结构使缓冲平稳、快捷、灵活。

变速缓冲装置的主要特点为：

1.消除惯性冲击，提高堆垛机的稳定性。

2.制造成本低，安装简便，稳定可靠，具有较高的技术经济性指标。

3.可制作为独立集成体，实现独立安装。

组合式钢货架结构的稳定性分析与计算

摘要：介绍了组合式钢货架结构的结构构造；结合竖向框架立柱的构造、受力特点及现行

相关规范，分析了钢货架结构中格构式立柱、梁及其它构件的强度与稳定性的计算方法，进一步探讨组装式钢货架结构的稳定性分析与计算的理论依据和计算，并叙说了采用计算机辅助设计与分析手段进行货架结构稳定性分析与计算的便捷性和可靠性。

关键词：组合式钢货架结构格构式立柱结构稳定性

1、概述

组合式钢货架系统的稳定性分析与相关计算一般可分为两个阶段，第一阶段对货架钢结构整体及可分解单元进行应用环境、结构和力系分析以确定各组成构件的连接节点形式、荷载及内力、位移及应力应变等的分布状态；第二阶段对各构件进行设计验算或试验验证，以保证构件及其结构具有足够的极限承载能力和稳定性，且在正常使用极限状态下不会发生超限量变形；货架钢结构的稳定性、安全性设计，应综合考虑货架结构的使用要求、操作搬运设备的性能及控制方式、荷载类别、货架制作材料的供应及加工工艺，货架的安装条件等因素，合理选择材料、结构形式、连接方式和构造加固措施，将理论计算与相应的足尺荷载试验进行验证，或通过有限元、钢结构设计软件等辅助设计手段加以修正和结构优化，以满足客户的实际需要。

应用广泛的货架形式主要有托盘式货架、驶入式货架、搁板式货架、重力式货架、压入式货架、阁楼式货架、悬臂式货架等，其结构一般由若干竖向框架立柱结构以及若干层与竖向框架立柱相连接的横梁、悬臂或搁板结构等组成，组合式钢货架也称为组装式货架，其结构是一个典型的三维空间梁柱结构组合体，多指组成钢货架的横梁、悬臂或搁板等与立柱间采用机械式锁紧装置连接（为半刚性连接）或螺栓连接且与建筑物分离的可拆装组合的钢货架结构，这种特殊的货架梁柱连接结构使得货架介于刚架和桁架两个结构力系模型之间，从安全考虑，应倾向于桁架模型，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，于是单根立柱或格构式立柱的承载能力便起重要作用，对其结构的研究和承载试验也成为货架结构分析研究的重点和难点，且立柱的承载能力主要由其稳定性所决定，其中货架立柱的承载性、刚性及稳定性是最重要的货架结构选型参数，其次才是相应的结构配套部件的单体强度、刚性及稳定性；这也是本文论述的重点。

2、货架立柱的格构式构造特点与相关计算长度的确定

2．1 货架立柱的格构式构造

组合式钢货架的竖向框架立柱结构通常由本文所述的格构式结构体为典型代表，主要由柱肢（框架立柱）与腹杆(横、斜撑)组成，框架立柱多采用单轴对称冷弯薄壁多孔截面型钢柱构件（如图1），横、斜撑多采用C型截面的冷弯型钢或其它截面的冷弯型钢，框架立柱与横、斜撑通过螺栓连接和固定形成单斜杆缀条结构模式（如图2.1，2.3—2.6），也有通过连接板连接形成缀板结构模式（如图2.2），且腹杆与框架立柱多系偏心交汇，在相应节点处存在附加弯矩作用；框架立柱的压力因有横、斜撑或连接板分担一部分而略有减少，在不考虑横、斜撑或缀板的利好作用时，整个结构是偏安全考虑的；相邻框架立柱结构体之间通过梁结构半刚性或刚性连接形成货架单元的框架结构，横梁、悬臂梁或者其它部件通过机械式锁紧装置或螺栓连接框架立柱体，并根据单元的排列及组合构成各种应用形式的货架体系，且货架结构在巷道侧或货物存储侧不得设置交叉垂直支撑杆件，对结构的整体稳定性加固具有局限性，此点对驶入式货架的结构稳定性影响尤其明显，为了保证竖向框架的内外框架立柱在巷道方向的计算长度相同，可在货架结构顶平面及上下垂直支撑交点处设支撑结构，以减少货架结构的侧移量；货架格构式立柱体通过螺栓或其它连接形式与地面基础相连，以上这些措施都能极大地提高货架系统结构的稳定性；有资料表明对于高宽比不大的竖向框架，若框架单立柱计算满足要求，一般可不作货架竖向格构式立柱结构体自身平面内的整体稳定性计算，而对于高而窄的竖向框架则按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2003）中的有关公式计算其整体稳定性，且由于相应的货架竖向框架存在有别于实腹式压杆的特点，当格构式立柱体绕虚轴弯曲时会引起不可忽视的附加变形，使格构式立柱体的弯曲刚度低于实腹式压杆（框架立柱）的和，在计算对虚轴的稳定性时需考虑剪力的

影响；我国对于格构式立柱绕虚轴稳定性的计算采用换算长细比的办法，即假定几何缺陷和力学缺陷对格构式立柱和实腹式立柱的影响相同的情况下，把格构式立柱换算成临界力相同的实腹式立柱，但是该计算方法是理想化的，还必须综合考虑格构式立柱的长细比限值，以弥补上述不足，国外多采用单肢验算法；腹杆支撑主要承受剪力引起的内力作用，可以参照桁架腹杆的计算方法来确定其内力，有资料表明对于货架的格构式立柱形式的单缀条（板）系结构可以不必计算缀条（板）的次应力作用；货架中格构立柱对虚轴的计算长度与荷载重心位置有关，因而使立柱的设计计算与分析进一步复杂化，现行钢货架规范对格构式立柱与柱肢的侧向支撑的刚度与强度没有给出具体要求，给设计者带来不便，此外也可能因侧向支撑的刚度与强度不足导致立柱的设计不安全。

货架立柱构件上一般会预冲有连续的多位置孔洞以满足变更梁柱连接位置或其它附件连接的需要，此为典型的货架冷弯薄壁多孔构件，我在文献4中进行过详细叙述，也根据钢货架设计规范和相关文献给出了某型货架立柱的稳定性分析与计算公式，现行的有关规范中对于有孔冷弯薄壁构件的设计理论依据不充分，多采用简化计算模型，如其受压强度可近似按有效截而计算，当孔洞位于板件的有效部位时，有效截面可近似按无孔板件的有效截面扣除位于有效区内的孔洞面积确定，当孔洞位于板件的无效部位时，有效截面可按相应无孔板件的有效截面取用，钢货架结构构件的变形和各种稳定系数均可按毛截面计算；实际应用中此类开孔受压板件的局部屈曲及其对钢格构式立柱结构体承载能力的影响计算比较复杂，与孔洞的形状、大小、部位及板件的支承情况和荷载条件等因素有关，须根据其受载状态的不同，分别按轴压构件和压弯构件进行强度和稳定性验证分析，既要验算平面内外的稳定性，又要验算柱肢平面内外的稳定性；

2．2 货架柱片单肢立柱的截面特性

货架柱片单肢立柱为单轴对称冷弯薄壁多孔截面型钢柱构件，在承受压力作用时易发生弯扭屈曲，使承载力下降，立柱构件的截面特性可以通过相关设计软件或理论计算获得，某些特性参数的计算方法、相关参数的定义见文献1，如本文讨论某立柱构件的截面特性有：

其它相关的参数（讨论有侧移的组合式货架结构的设计）

2．3 相关计算长度的确定

与钢货架的格构式立柱稳定性验算相关的计算长度包括：立柱自身平面内的计算长度和立柱分肢计算长度；立柱自身平面内的计算长度即为格构柱对虚轴的计算长度，其值可由立柱的长度L 与对虚轴的计算长度系数μ的乘积μL 确定，本案根据等效地梁线刚度、横梁净跨度及相应截面的特性参数可以计算并查文献1中的相关图表获得相应框架柱的计算长度（见表1中的有关参数及选取结果）；也有资料表明：计算长度系数μ的取值与荷载重心位置有关，可按以下规定简单取用：当竖向格构柱的重心位置低于格构柱全高的1/ 2 时，μ= 1. 1 ；当竖向格构柱的重心位置低于格构柱全高的2/ 3 时，μ= 1. 6 ；当竖向格构柱的重心位置高于格构柱全高的2/ 3 时，μ= 2. 0 。本案μX及μy为根据规范要求计算获得，则有上述参数可以计算出框架立柱的计算长度为：

Lx =μX×lc1=2.0×1200=2.4M；LY=μy×lc2=1.0×900=0.9M；LW= lc1=1.2M 2．4货架立柱与柱肢的强度与稳定性验算

立柱的强度验算

货架立柱在进行强度验算时，需要对正常使用过程中可能同时出现的荷载，如：恒载（货架自重）、货架活荷载（货物单元重量）、、竖向冲击荷载（货物单元最大净载的50%）、X向水平荷载（全部恒载与活载之和的1.5%）、Y向水平荷载（全部恒载与活载之和的1.5%）、地震荷载等，取最不利的荷载效应组合计算其内力，见表一。并分别考虑压弯和轴压两种承载状态；轴压作用多出现在货架中部的格构柱上，货架立柱两侧悬臂梁（或横梁）对称且竖向荷载相等，可简化弯矩作用效果，此时承载最不利状态为货架满载；压弯作用多出现在货架端部的格构

柱或两侧悬臂梁受载不等的中部柱，不考虑地震作用时，压弯柱的弯矩绕格构柱的实轴为x 轴。计算采用《冷弯薄壁型钢结构技术规范》( GB 50018 -2002) 的相关公式，假设本案只考虑轴压承载下的最大轴力。

轴压构件的强度计算公式: σ= N /A e ≤ f 式中，σ为正应力，N 为轴力， A e 为有效净截面面积， f 为钢材的抗压、抗弯强度设计值（当然根据立柱的实际加工手段和材料选择该值是有变化的，如单轴对称冷弯薄壁多孔截面型钢柱构件是通过冷弯成型加工制作的，需要考虑此构件的冷弯效应下的f’，此处立柱通过计算为：236.436N/mm2），需要考虑孔洞影响系数的折减量（此量值是通过有孔立柱和无孔立柱的承载试验获得的经验参数），即：f’*Q。则：根据轴压构件的强度原理确定的单货架立柱的最大轴力

Nmax=236.436*444.63*0.85=89.36(KN)，则等效货架柱片（此考虑为双肢格构式货架立柱）的最大可承载轴力可达到：178.72(KN)，同理根据规范可以再考虑实际案例中的弯矩的大小对压弯立柱承载性能的满足程度，以确定等效货架柱片的承载能力。

表一：作用于货架结构上的荷载效应组合

通过计算X、Y向货架立柱的长细比并查GB500018-2002冷弯薄壁型钢结构技术规范中关于Q235钢轴心受压构件的稳定系数，可以获得相应的稳定系数φx、φy和φw，如果选用其它代用材料就必须获得试验验证，或遵循采用的其它代用原则。

则：根据轴压构件的稳定性原理确定的单货架立柱的轴力：σ= N /（A e*φw）≤ f’*Q N= f’*Q* A e*φw=236.436*0.85*444.63*0.62=55.4(KN)对截面对称轴(X轴)的欧拉临界力：NEX=π*π*E*A/（λx *λx ）=1.957*105N，

N/(0.62*444.63)+1.0*Mx/((1-N/ NEX*φx)*WEFX) ≤ f’*Q=200.97(N/mm2)由此可以看到弯矩作用对货架立柱的稳定性影响主要表现为柱底弯矩（假设立柱的反弯点在每层柱子中间）：Mx=0.015*N*lc1，即地面至其上第一根梁之间的柱段长度lc1对货架立柱的承载性能影响是重要的因素之一，也可以计算出此等效货架柱片的满足稳定性的承载能力约为110.8(KN)。

立柱的稳定性验算

对应格构柱的轴压与压弯受力状态，稳定性验算也应分别按轴压构件的稳定性、压弯构件的稳定性两种情况验算，其中压弯构件的稳定性应考虑平面内和平面外两种稳定状态，稳定性验算根据文献2中的相关公式处理。如:计算全截面有效的冷弯型钢货架结构的受拉、受压或受弯构件的强度时，可采用计及冷弯效应的强度设计值，当偏心弯矩作用于对称平面时，除应按文献2中的第5.5.2条计算弯矩作用内的稳定性外，尚应按文献2中的公式5.5.2计算其弯矩作用平面外的稳定性，此时的轴心受压构件稳定系数应按文献2中的公式5.5.4-1算得的弯扭屈曲的换算长细比及文献2中的规范表A.1.1-1或表A.1.1-2查得，其稳定性可按文献2中的第5.5.4条计算，（术语、符号说明及计算公式可参照有关文献），当偏心弯矩作用于非对称主平面内时，除应按文献2中的公式5.5.5-1计算其弯矩作用平面内的稳定性外，尚应按文献2中的公式5.5.5-1计算其弯矩作用平面外的稳定性，其弯矩作用平面内的计算长度L可参照文献1、2中的有关规定采用。

3、柱肢的强度与稳定性验算

进行柱肢强度与稳定性验算的主要目的是保证单肢不先于整体破坏。在进行柱肢的强度与稳定性验算时，首先要确定作用的柱肢的内力，假设组合式钢货架中的格构柱的各柱肢截面均相等，则轴力和弯矩平均分布在相应柱肢上，以此确定单柱肢的内力大小；柱肢的强度与稳定性，根据柱肢的截面形状参照文献2中的单轴对称开口截面的相关公式验算；在稳定性验算时，柱肢的计算长度依据上文中关于计算长度的相关处理和计算。此外，应注意保证格构柱的缀条或缀板应具有足够的强度与刚度，可一次性对某型产品进行定型设计和验算，并通过限值要求以确定选型时是否进行再验证，现行规范是通过保证缀材的受剪承载力来满足上述要求的，验算公式参见文

献2，格构柱构件的局部稳定性是通过采用有效净截面来实现的，因此在稳定性验算过程中，必须要注意对构件有效截面的核算，为提高手工规划设计货架结构的有效性，对次重要构件多采用过量设计，并规定在大于柱片某设计承载时才重点验算部分结构件。

4 、格构式立柱的侧向支撑设计

文献1中的计算长度是建立在格构柱或柱肢的侧向支撑能提供足够的支承作用条件下的，然而如何设计立柱的侧向支撑文献1中并未给出具体的规定，这给工程实践带来了很大的不便。目前在实际工程中大多是依据容许长细比来处理，如容许长细比：压杆为150～200，拉杆为200～400，张紧的圆钢则不限，单轴对称绕对称轴的长细比作为稳定计算的参数时应计入弯扭效应的折减系数，如仅由长细比控制，则不考虑弯扭效应，构件长细比应按平面内外或斜平面分别计算。

5、梁结构的分析与计算

横梁是货架支承货物的主要受力部件，横梁由梁主体和端部挂片两部分组成，一般通过焊接成为一体；组合式货架的横梁与立柱采用机械式锁紧装置连接或螺栓连接，横梁利用端部的挂钩嵌入到立柱的挂孔中，这是一种半刚性的节点连接；这种连接方式一方面允许横梁绕受力前的轴线有一定的转动，另一方面又要求横梁端点可以传递横梁上的载荷对立柱的力矩作用，目前国内大多数货架设计规划及生产企业，以双C型抱合横梁作为主体设计形式，也有相当一部分企业选择具有相同负载能力的封闭梁，在实际应用过程中还是有很大区别的，如针对连续截面的截面惯性矩可以通过计算或相关软件模拟获得比较准确的数据，但是针对双C型抱合横梁的截面惯性矩就不能将两个C型截面冷弯薄壁型材的截面惯性矩进行简单的“1+1”，必须考虑双C型截面之间的抱合因素所起到的截面增强作用，特别是当两C型截面之间存在断续焊接连接时，其实际截面惯性矩的变化是很大的，按照文献1计算横梁的挠度时，可不计竖向冲击荷载的影响，托盘横梁的最大挠度不宜大于横梁跨度的1／200，而且一般取安全系数n=1.6。由于横梁的截面和具体的受力情况比较复杂，手工计算时比较繁复，横梁的受力与实际工作状态中货物的摆放情况有关，因此受力的形式是比较复杂的，但一般可以分为均匀受载和多点集中载荷两种基本类型，在实际使用中，多为两种形式的组合，对此也需要结合相应的力学计算原则和规范确定力学模型和计算公式，并根据简支梁试验判断原则和试验测得的梁柱节点弹性常数等进行修正，从而科学地选择横梁或其它类似的梁结构构件；组合式货架结构中的其它梁构件可以参照文献2、3两个规范执行。

6、其它构件单元稳定性分析与计算

由于实际货架结构本身的复杂性，详细计算每个结构和部件的稳定性是相当繁琐和复杂的，必须借助于计算机技术和有限元理论等来处理以提高货架结构的规划效率和可靠性，如图3所示的上海国宝鼎虎集团某个设计案例中的有限元计算力学模型，就是根据某型货架的结构类别、荷载、各构件的截面特性及各构件间的连接节点形式等建立的，我们通过对企业产品详细分类、理论研究和试验数据积累，并与高校科研机构成功开发的为企业量身定制的组合式货架结构设计的有限元辅助设计软件，能很方便地验证各类构件的应力、应变、位移等值，并对其在结构中的稳定性进行合格与否的判定，且能进一步寻求整体结构中的薄弱环节以实现系统结构的优化调整与补强，为客户提供高性价比的货架结构，也极大地提高了集团规划设计货架系统的能力。

在组合式钢货架结构的稳定性分析与计算的有限元辅助设计软件中，对于规范的选择依据、各类货架构件的截面选择及其截面特性的准确计算和输入、试验修正参数及结构荷载的施加方式与安全系数的确定等对计算结果的影响都比较大，由于各设计及生产制造单位均有其设计的结构截面、材料及料厚选择、尺寸系列等方面的承载理论基础或试验数据，尤其是在材料的选择与代用时，都需要设计人员根据验算数据进行再设计和调整，以保证货架结构及部件具有足够的承载强度、刚度和稳定性要求。

7、结论

综上所述，组合式钢货架所涉及的结构因素、系统理论和规范比较烦琐，必须根据货架的类别、结构、荷载等进行详细考虑和核算，由于目前缺乏科学合理的设计和计算方法，组合式货架结构的稳定性分析与计算仍停留在经验性、工况模拟性及工程类比性设计的水平上，需要结合企业的货架设计规划水平和基础研究资料及货架的规划设计原理，探索符合企业产品特点的、合理的货架内力分析计算方法，同时也要考虑货架结构本身的支撑基础对结构稳定性的影响，如地面基础类别与沉降对结构的可能性影响、货架底座底板厚度及与基础的固定形式等，并结合现行的国内外的设计规范和成功案例进行分析，依靠有限元分析手段或成熟的钢结构软件进行分析评价，特别是模拟工况的试验数据处理和分析方法，自身产品的试验数据开发合适的计算机辅助设计手段来保证组合式钢货架结构的设计规划质量，提高设计规划效率，确保货架结构体的稳定可靠，以指导货架钢结构的设计规划和生产制造过程，以求获得满意的设计规划效果及性价比很高的组合式货架结构系统。