组合式钢结构货架荷载能力探讨

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摘要：随着智能仓储行业在我国的快速布局，组合式钢结构货架的现场实际应用也越来越普遍，在行业内不断普及的情况下，对组合式钢结构货架要求需越来越高。因此，根据货架结构形式，对货架在实际载荷工作情况下，分别从正常工况、X向水平地震力和Y向水平地震力三方面进行有限元分析，实现在满足实际载荷情况下更优的货架结构设计，以保证货架实际结构强度，同时降低货架生产成本。

关键词：货架；载荷；地震力；有限元分析；结构强度

引言

随着工业4.0到来，制造业工厂大力推进智能制造，而智能仓储作为物料存储智能升级的必备选择[1]，货架又作为智能仓储关键部件，其结构强度、安全性、稳定性要求越来越高。目前我国多是对组合式钢结构货架进行静力学分析研究，在不断地推广钢结构货架的应用的发展环境下，货架的抗震设计需纳入考虑[2]。为保证货架结构设计的最优性，工程设计人员需借助力学知识和有限元分析，对货架关键部分进行力学分析，以满足关键承载要求。

1组合式钢结构货架结构

组合式货架主要部分有立柱、横梁或牛腿、背拉、水平拉杆以及顶梁等部分组成，通常设计货架长度不小于20m，高度不小于5m，存储货物层数不小于2层。高层组合式钢结构货架长宽比较大，形成所谓的“瘦长型”，结构强度上纵向强度强于横向强度[3]，本工程设计货架长度为23m，高度为8m，详细货架信息见表1。

2货架荷载性能分析

2.1恒荷载

恒荷载是指货架自重，在有限元分析软件中详细标注出货架构件实际密度，在加载过程中只需要根据其实际密度施加重力加速度。

2.2活荷载

活荷载是指在货架实际应用过程中，每层货架需要承受的荷载，在建模过程中，可以根据货物存储位置计算货架活荷载位置，然后根据货物重量将集中力分散在横梁上。在实际计算过程中，需要考虑货物不同摆放情况[5]。

2.3地震荷载

在计算地震荷载时，参考《钢货架结构设计规范》，在计算时需要考虑X向水平地震力和Y向水平地震力。具体计算步骤如下：1）设计反应谱（见图1），参照《建筑抗震设计规范》中的保准设计反应谱，a为水平地震影响系数。2）参考下页表2计算Tg值。3）根据下页表3，结合地震强度，可以得出amax的值，amax为最大水平地震影响系数。4）根据相关标准计算货架结构水平地震影响系数a1，主要分为如下三种情况：

3货架有限元性能分析

3.1货架计算工况与荷载组合

钢结构货架的计算工况包括三种，各工况的载荷组合见表4，接下来本文将对货架在正常工况和地震工况下分别从位移和应力的方向对组合式钢结构货架进行分析。

3.2荷载组合一的有限元分析

在正常工作状态下的有限元分析，对货架的载荷加载，其载荷主要为货物活载荷、竖向冲击载荷以及自身重量产生的载荷。根据分析结果（图2）可以看出，在正常载荷下，货架最大的位移范围为1.457mm，货架整个产生的应力也不超过100.133N，小于材料设计值234.651N，说明货架结构设计满足应用要求。

3.3荷载组合二的有限元分析

在地震状态下产生X向水平地震力作用下，对货架的载荷加载，其载荷主要为货物活载荷、竖向冲击载荷、自身重量产生的载荷以及X向水平地震力。通过分析结果可以看出（图3），在载荷加载下，货架最大的位移范围为3.739mm，货架整个产生的应力不超过202.883N，小于材料设计值234.651N，说明货架结构设计满足应用要求。

3.4荷载组合三的有限元分析

在地震状态下产生Y向水平地震力作用下的有限元结果分析，对货架的载荷加载，其载荷主要为货物活载荷、竖向冲击载荷、自身重量产生的载荷以及Y向水平地震力。通过分析结果可以看出（图4），在载荷加载下，货架最大的位移范围为5.244mm，货架整个产生的应力不超过195.901N，小于材料设计值234.651N，说明货架结构设计满足应用要求。

3.5货架稳定性校核

通过对比三组载荷情况下货架的有限元分析的结果，可以得出荷载组合二的应力极限最大，在此情况下对其稳定性进行分析校核，校核分两个方面：一个是立柱部分，另一个是构件部分。最大载荷立柱应力需求为206.195MPa，小于立柱强度设计值为234.651MPa，设计安全富余量为12%。所有构件应力核对全部在设计范围内，说明货架设计满足要求。

4有限元分析结论

1）通过对比分析结果可以得出，正常工作情况下所受到载荷安全系数最高，设计安全富余量达高达57%，完全满足使用需要。2）货架在受X向水平地震力产生的应力值最大，表明货架在X横向抵抗地震载荷能力较弱，其安全富余量仅为12%。3）借助有限元分析对货架结构强度校核，准确地判断货架结构的受力，协助设计者合理选择货架型号规格。

5结语

目前，组合式钢结构货架应用范围越来越广，作为智能仓储发展基础设备，对行业发展起着关键作用。因此，为进一步促进物流行业发展，严格遵守相关设计要求，本文提出借用有限元分析模拟荷载，有效保证货架抗震能力，对行业内货架的设计具有重要的参考价值。

参考文献

[1]赵西君.以产业互联网应“工业4.0”[N].人民政协报，2014.

[2]戴柳丝，赵宪忠.钢货架结构抗震性能研究现状[J].地震工程与工程振动，2014，34（suple1）：712-720.

[3]李志鹏，夏志远，冯飞，等.强震区新型高层钢货架抗震计算方法及结构方案分析[J].世界地震工程，2014，30（1）：170-177.

[4]刘英林，韩强.整体式货架三维有限元分析[J].有色设备，2013（5）：23-27.

作者:张贤根 黄彬 宦朋松 单位:中天科技精密材料有限公司