張春偉,朱宏偉,王曉龍,朱 浩
我國“十四五”規(guī)劃明確提出“加快發(fā)展現(xiàn)代物流,完善物流網(wǎng)絡(luò)”。隨著電子商務(wù)、制造業(yè)、醫(yī)藥業(yè)等眾多行業(yè)的高速發(fā)展,貨物的接收、入庫、儲存、揀選、分類、包裝、集貨和發(fā)運等一系列工作越來越依賴于自動化立體倉庫的高效運轉(zhuǎn),而高層鋼貨架(高度通常大于15m)作為自動化立體倉庫中用來存儲貨物的核心設(shè)備,其結(jié)構(gòu)可靠性至關(guān)重要。
國內(nèi)外學(xué)者圍繞鋼貨架的構(gòu)件和節(jié)點力學(xué)性能、整體力學(xué)性能、設(shè)計計算方法等進行了大量理論和試驗研究。陳文生[1]研究了鋼貨架多卷邊柱的開孔效應(yīng),擬合了多卷邊柱開孔折減系數(shù)K的計算公式;謝昆[2]進行了多溫度工況冷彎薄壁鋼貨架插接式梁—柱節(jié)點疲勞性能試驗研究,得到了節(jié)點關(guān)于溫度的S-N曲線和幾種不同溫度下的疲勞壽命計算公式;李成亮[3]系統(tǒng)研究了鋼貨架柱腳等效剛度與軸力相關(guān)性及其對整體性能影響,并建立了3種常用柱腳的精細化有限元模型;唐敢等[4]研究了貨物重心及偏心對鋼貨架抗震性能的影響,發(fā)現(xiàn)有背拉鋼貨架受貨物重心影響明顯,但受貨物偏心影響較??;Nima Talebian等[5]基于有限元方法,準確驗證了鋼貨架橫向剛度的試驗結(jié)果,并且發(fā)現(xiàn)螺栓彎曲和支架軸向變形對鋼貨架剪切變形的影響較大;Firouzianhaji Ahmad等[6]對鋼貨架進行了足尺模型的振動臺試驗,研究了鋼貨架的動力特性和阻尼特性。
由現(xiàn)有研究成果可知,鋼貨架的力學(xué)性能,如剛度、承載力、動力特性等是影響其結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵因素,而背拉支撐體系作為影響高層鋼貨架力學(xué)性能的關(guān)鍵組成部分,相關(guān)的研究成果偏少,關(guān)于背拉支撐布置方法的研究更是處于空白。目前,在高層鋼貨架的工程設(shè)計中,背拉支撐布置往往基于工程經(jīng)驗和功能需求,缺少理論依據(jù)和規(guī)范約束,布置不合理、不經(jīng)濟的現(xiàn)象較多。本文研究背拉支撐數(shù)量、背拉支撐分布方式對高層鋼貨架力學(xué)性能的影響規(guī)律,基于鋼貨架基本模型探索最優(yōu)背拉支撐分布方式,總結(jié)和歸納高層鋼貨架背拉支撐布置原則,為工程設(shè)計提供理論依據(jù)。
高層鋼貨架作為一種密集型倉儲設(shè)備,具有建設(shè)周期短、土地利用率高、可利用空間大等特點。受倉庫面積限制及堆垛機運行巷道等影響,為達到空間有效利用及貨物存取方便等要求,高層鋼貨架分為單榀和標準榀兩種結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示。其中單榀為單排鋼貨架,一般靠近倉庫墻體,具有單向出貨口;標準榀為“背靠背”的雙排鋼貨架,位于倉庫內(nèi)側(cè),具有雙向出貨口。
圖1 高層鋼貨架倉庫側(cè)立面示意圖
背拉支撐體系是高層鋼貨架結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分,一般由背拉、背拉立柱、背拉橫梁、隔撐短梁等組成,是限制貨架整體結(jié)構(gòu)側(cè)向變形、維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)體系。背拉支撐體系在單榀和標準榀鋼貨架中的結(jié)構(gòu)形式略有不同,在單榀中,背拉支撐布置在靠近墻體一側(cè),如圖2所示;在標準榀中,背拉支撐布置在兩排貨架之間,如圖3所示。
圖2 單榀鋼貨架及背拉支撐單元示意圖
圖3 標準榀鋼貨架及背拉支撐單元示意圖
本文選擇工程中常見的“12層、21列”高層鋼貨架(以下稱為“基本模型”)為研究對象,其設(shè)計參數(shù)詳見表1~表3,計算工況根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[7]、《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(CECS23:90)[8]相關(guān)規(guī)定,詳見表4。本文采用SAP2000軟件進行結(jié)構(gòu)計算與分析。
表1 基本模型結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)
表2 基本模型構(gòu)件與節(jié)點屬性
表3 基本模型荷載作用
表4 基本模型計算工況
在基本模型中,取無背拉支撐作為對照組,背拉支撐數(shù)量分別為1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21列作為分析組,且將背拉支撐均勻布置,如圖4所示(陰影表示背拉支撐所在列,下同)。背拉支撐數(shù)量對單榀、標準榀鋼貨架力學(xué)性能影響的計算結(jié)果如圖5所示。
圖4 背拉支撐均勻分布示意圖
圖5 貨架力學(xué)性能與背拉支撐數(shù)量的關(guān)系
分析圖5可以得到如下結(jié)論:
(1)由(a)(c)(d)可知,增加背拉支撐數(shù)量,可以提高貨架剛度,但當背拉支撐數(shù)量超過7列時,變化趨勢趨于平緩;取最大層間側(cè)移角限值為1/250,當背拉支撐數(shù)量達到3列時,單榀、標準榀貨架的最大層間側(cè)移角分別可以滿足設(shè)計要求;
(2)由(b)可知,相比于對照組,布置1列背拉支撐時,貨架最大立柱應(yīng)力比突增,該現(xiàn)象是由背拉支撐中隔撐短梁的豎向偏心使其與立柱連接處產(chǎn)生較大的彎矩,使立柱局部內(nèi)力突增引起的。隨著背拉支撐數(shù)量進一步增加,最大立柱應(yīng)力比不斷減小。取工程設(shè)計中常用的閾值0.95,則背拉支撐均勻布置時,單榀、標準榀鋼貨架中分別至少布置9列、15列背拉支撐時,最大立柱應(yīng)力比可以滿足設(shè)計要求;
(3)由(e)可知,當背拉支撐均勻布置時,單榀、標準榀貨架分別布置至少9列、13列背拉支撐,可以使貨架成為無側(cè)移結(jié)構(gòu)體系,此時立柱的計算長度系數(shù)減小,最大立柱應(yīng)力比計算結(jié)果下降趨勢明顯。
因此當背拉支撐均勻布置時,綜合考慮各項力學(xué)性能指標的設(shè)計要求,同時使基本模型成為無側(cè)移結(jié)構(gòu)體系,單榀、標準榀貨架的最優(yōu)背拉支撐數(shù)量分別為9列、13列,此時標準榀貨架的最大立柱應(yīng)力比略超限,可以通過截面選型進行控制。
在基本模型中,分別取背拉支撐數(shù)量為5列、6列、7列,探索背拉支撐數(shù)量不變時最優(yōu)的背拉支撐分布方式。
3.3.1 5列背拉支撐
在基本模型中布置5列背拉支撐,按照最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量由少到多,整體分布由疏到密的規(guī)律,可分為“1-1-1-1-1”“2-1-2”“1-3-1”“5”共4類7種不同的分布方式,如圖6所示。不同分布方式對貨架力學(xué)性能影響的計算結(jié)果如圖7所示。
圖6 5列背拉支撐不同分布方式匯總
分析圖7可以得到如下結(jié)論:
(1)由(a)(c)(d)可知,貨架剛度隨背拉支撐分布方式的變化趨勢呈“階梯狀”:當最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量增加時,貨架剛度隨之增加;當最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量相同,但整體分布由疏到密時,貨架剛度變化不明顯;
(2)由(b)可知,增加最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量、“集中”分布背拉支撐,整體上可以減小最大立柱應(yīng)力比,但當在貨架邊緣連續(xù)布置2列背拉支撐時(分布方式3),最大立柱應(yīng)力比出現(xiàn)局部增大;
3.3.2 6列背拉支撐
在基本模型中布置6列背拉支撐,按照最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量由少到多,整體分布由疏到密的規(guī)律,可分為“1-1-1-1-1-1”“1-2-2-1/2-1-1-2”“3-3”共3類13種不同的分布方式,如圖8所示。不同分布方式對貨架力學(xué)性能影響的計算結(jié)果如圖9所示。
圖9 貨架力學(xué)性能與背拉支撐分布方式關(guān)系(6列背拉支撐)
分析圖9可以得到如下結(jié)論:
(1)由(a)(c)(d)可知,貨架剛度隨背拉支撐分布方式的變化趨勢呈“階梯狀”:當最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量增加時,貨架剛度隨之增加;當最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量相同,但整體分布由疏到密時,貨架剛度變化不明顯;
(2)由(b)可知,增加最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量、“集中”分布背拉支撐,整體上可以減小最大立柱應(yīng)力比,但當在貨架邊緣連續(xù)布置2列背拉支撐時(分布方式3~4),最大立柱應(yīng)力比出現(xiàn)局部增大;
(3)由(e)可知,單榀貨架最大連續(xù)布置至少3列背拉支撐(分布方式11~13),可以使貨架成為無側(cè)移結(jié)構(gòu)體系,但標準榀貨架在所有背拉支撐分布方式中均為有側(cè)移結(jié)構(gòu)體系,分析其原因易知,當考慮對稱性時,在21列(奇數(shù)列)貨架中布置6列(偶數(shù)列)背拉支撐,最大可連續(xù)布置的背拉支撐數(shù)量僅為3列,該數(shù)量不足以使標準榀貨架成為無側(cè)移結(jié)構(gòu)體系,因此在奇數(shù)列貨架中布置偶數(shù)列背拉支撐不夠經(jīng)濟合理。
3.3.3 7列背拉支撐
取系統(tǒng)適用性溶液進樣測定,在上述色譜條件下,理論板數(shù)按度洛西汀計為6 255,度洛西汀峰與雜質(zhì)Ⅴ峰、雜質(zhì)Ⅲ峰及雜質(zhì)Ⅷ峰之間的分離度分別為 2.32,3.36 和 11.48。
在基本模型中布置7列背拉支撐,按照最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量由少到多,整體分布由疏到密的規(guī)律,可分為“1-1-1-1-1-1-1”“1-1-3-1-1”“2-3-2”“1-5-1”“7”共5類9種不同的分布方式,如圖10所示。不同分布方式對貨架力學(xué)性能影響的計算結(jié)果如圖11所示。
圖10 7列背拉支撐不同分布方式匯總
圖11 貨架力學(xué)性能與背拉支撐分布方式關(guān)系(7列背拉支撐)
分析圖11可以得到如下結(jié)論:
(1)由(a)(c)(d)可知,貨架剛度隨背拉支撐分布方式的變化趨勢呈“階梯狀”:當最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量增加時,貨架剛度隨之增加;當最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量相同,但整體分布由疏到密時,貨架剛度變化不明顯;
(2)由(b)可知,增加最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量、“集中”分布背拉支撐,整體上可以減小最大立柱應(yīng)力比,但當在貨架邊緣連續(xù)布置2列背拉支撐時(分布方式5),最大立柱應(yīng)力比出現(xiàn)局部增大;
(3)由(e)可知,單榀貨架最大連續(xù)布置至少3列背拉支撐(分布方式3~9),標準榀貨架最大連續(xù)布置至少5列背拉支撐(分布方式7~9),可以使貨架成為無側(cè)移結(jié)構(gòu)體系。
本文基于基本模型,先后研究了背拉支撐數(shù)量和背拉支撐分布方式對貨架力學(xué)性能的影響,通過對比分析,可歸納出如下結(jié)論:
(1)當背拉支撐數(shù)量固定時,貨架剛度與最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量呈密切的正相關(guān),而只改變背拉整體分布的疏密程度對貨架剛度的影響不明顯;
(2)增加最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量、“集中”分布背拉支撐,整體上可以減小最大立柱應(yīng)力比,但當在貨架邊緣連續(xù)布置2列背拉支撐時,立柱應(yīng)力比會增大;
(3)為了使貨架成為無側(cè)移結(jié)構(gòu)體系,如果背拉支撐均勻分布,單榀、標準榀貨架分別需要布置至少9列、13列背拉支撐;而改變背拉支撐分布方式,使單榀、標準榀貨架中最大連續(xù)布置背拉支撐數(shù)量分別達到3列、5列即可滿足;
(4)考慮對稱性,在21列(奇數(shù)列)貨架中布置6列(偶數(shù)列)背拉支撐時,最大可連續(xù)布置的背拉支撐數(shù)量僅為3列,其對貨架力學(xué)性能的優(yōu)化效果不如布置5列或7列(奇數(shù)列)背拉支撐,缺乏經(jīng)濟性。
因此,綜合考慮貨架力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理性,在“12層、21列”鋼貨架中,建議單榀貨架的背拉支撐分布方式為“1-3-1”(圖6(f))或“2-3-2”(圖10(f)),標準榀貨架的背拉支撐分布方式為“1-5-1”(圖10(h))。
建議高層鋼貨架背拉支撐布置遵循以下原則:
(1)在奇數(shù)列規(guī)格貨架中布置奇數(shù)列背拉支撐,在偶數(shù)列規(guī)格貨架中布置偶數(shù)列背拉支撐;
(2)在設(shè)計合理及不影響功能需求的前提下,盡量增加最大連續(xù)布置背拉支撐的數(shù)量;
(3)避免在貨架邊緣連續(xù)布置2列背拉支撐。