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托盘横梁货架结构深度分析

更新日期:2017-04-21 08:44:49  浏览次数:898次  作者:admin  【打印此页】  【关闭

   托盘横梁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.托盘横梁货架的立柱结构
    在托盘横梁货架结构体系中,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.托盘横梁货架的横梁结构
    横梁作为托盘横梁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。

    托盘横梁货架结构件的失效分析

    冷弯薄壁型钢构件作为托盘横梁货架结构的主体,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货架系统规范进行对比分析,以期获得对托盘横梁货架系统的精确认识。
托盘横梁货架系统的规划设计与选择

    在进行托盘横梁货架系统设计时,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,不能就托盘横梁货架系统规划来代替一切可能的货架设计与规划。

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