组合式钢货架的分析与有限元辅助设计

　　组合式钢货架的分析与有限元辅助设计>>张卫国丨上海国宝鼎虎集团昆山天普物流设备有限公司组合式钢货架（或称组装式货架）一般由若干竖向丨§立柱、若干层与竖向框架立柱组合连接的梁、杆结构等构成。梁与框架立柱为典型的半刚性节点连接，这种连接方式一方面允许梁绕受力前的轴线有一定的转动，另一方面又要求梁端点可以传递梁上的载荷对框架立柱的弯矩、扭矩的组合作用。货架结构件的计算及其选型需要从应用环境、安全性设计、生产工艺及安装条件、力系等方面进行分析，以确定其选材、结构形式、连接节点类别、荷载及内力加载方式、各节点位移及应力应变的分布状态等，并对框架立柱结构、梁结构进行设计验算或足尺荷载试验验证，以确保货架结构具有足够的极限承载能力、稳定性和安全性，且在正常使用极限状态下不会发生超限量变形。也可通过有限元、钢结构设计软件等辅助设计手段加以校核修正或结构优化，既考虑货架各部件的基本布局及设计结构、设计原则、力学简化模型、载荷组合与校核的方法，又考虑货架组合整体结构的强度、刚度、稳定性及其结构的加固模式，特别是各种实际工况下的适应性设计与计算，同时还要考虑制造工厂的加工精度及其工艺对装配结构的影响，以及在工作载荷下的合理、有限的弹性变形，以满足客户的实际需要，并追求货架系统方案的*优性价比。

　　格构式货架立柱、梁的构造及其分析格构式货架立柱、梁的设计选型、生产制造及安装等，直接关系到货架钢结构的技术经济性、安全性和使用的便捷性。

　　组合式货架的竖向框架立柱结构通常以本文所述的格构式结构体为典型代表（如），主要由立柱构件（柱肢）与支撑构件（腹杆或横、斜撑）组成，立柱构件多采用单轴对称冷弯薄壁有孔截面型钢，多采用c型截面的有孔冷弯型钢或其他型钢。现行的设计规范中，对于单轴对称冷弯薄壁多孔截面型钢的设计理论依据和试验数据都不充分，生产厂家试验样本的可代表性也不够。实际应用中，此类冷弯薄壁多孔截面型钢的局部屈曲、弯扭屈曲及其承载能力的影响机理比较复杂，与框架立柱上孔洞的格构式货架立柱示意图形状、大小、分布部位及构件的支承情况和荷载条件等诸多因素有关联，需根据其受载状态和结构布置等，分别详细分析并形成力学简化模型，针对货架立柱在冷弯成型过程中造成的截面局部减薄现象、加工后的初始变形及其截面材料整体加工应力不均匀性的影响等，从构件的有效截面的变化上进行修正或试验比较修正；并分别按轴压构件和压弯构件进行强度和稳定性验证分析。可采用有孔货架立柱样本和无孔货架立柱样本的对比试验来获得相关货架立柱的孔洞影响系数，再根据货架立柱的截面形状，参照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中的单轴对称开口截面的相关公式验算货架立柱的强度与稳定性。此外，应注意保证格构柱的缀条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校核，并通过限值要求以确定选型时是否需要再次校核。目前，企业多采用经足尺试验验证合格的梯阶式理论数据表格或数值模拟图表来确定货架立柱的选型规格。

　　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》中的有关公式计算其整体稳定性。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方法，但该方法是理想化的，还必须综合考虑格构式立柱的长细比限值。

　　组装式货架结构的横梁两端通常焊有与立柱相连的连接件，该连接件的承载能力可由试验确定，横梁应按受弯构件分析与计算，并按照简支梁进行简化处理。若横梁与立柱采用机械式连接时，计算横梁的强度和挠度应计入梁、柱半刚性连接节点的部分嵌固影响。

　　货架其他组件的分析货架局部及单个构件的计算，可采用材料力学、结构力学、弹塑性力学的方法和原理进行。货架结构构件的受拉强度应按净截面计算，受压强度及稳定性应按有效截面计算，变形及各种稳定系数可按毛截面计算，在计算过程中需要分析考虑货架结构组件的截面形状和尺寸、截面的残余应力分布、初始几何缺陷、构件的端部和侧向支承的条件、荷载的类型及其加载作用点、连接节点的约束等。计算荷载包括恒荷载、货架活荷载、竖向冲击荷载、水平荷载、7X平地震荷载等。

　　组合式货架可按照承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计，并按*不利的荷载组合情况考虑各种受力状态，支撑类构件应按轴心受压构件分析与计算。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，必要时需进行货架结构的抗震强度设计与校核；设计计算货架结构时，需要限定货架结构的变形尺寸、构件的细长比等，保证货架结构的变形满足规定要求。

　　货架系统的有限元分析法在研究货架结构的过程中，由于受实验条件（试验设备、测量技术、设计及交货周期、经费等）的限制，不可能从试验中获得所有需要的信息，而且也不可能精细地调整各个影响因素而反复试验，只能从试验现象及其破坏模式上着手进行推测，并按照一定的理论对试验结果进行解释或计算推导。目前的研究途径除了通过足尺工况模拟性试验研究外，就是利用电脑进行有限元仿真模拟计算。

　　有限元仿真计算首先要建立与试验中所用货架构件一样的模型，进行构件模拟对比分析，在确定货架结构的同时，还应将货架受到的各种约束条件简化到约束处所对应的节点上；其次，在构件的基础上改变各种影响因素，如：货架立柱结构中的孔洞的形状、大小、部位等影响因素，梁柱节点位置、形式和荷载条件等影响因素，从而更深入地研究影响货架结构的应力应变性能以及影响因素，并获得各种分析曲线或图表，在此基础上实现货架整体结货架结构图示及加载、荷载分布图某货架结构载荷组合下的位移图某货架结构载荷组合下的应力图构的可简化空间三维框架模型和力学计算结构模型，从而实现货架整体结构的强度、刚度和稳定性的分析与校核。

　　在使用有限元法进行货架系统的分析与计算时，需要适当简化货架的力学计算结构模型，特别是要详细分析货架结构中的各种结构组件的可能性空间组合布局，分别建立适用于有限元分析的各种典型结构模型和修正参数，简化货架的约束和边界条件；在不同的计算工况下，按照不同的载荷组合建立货架的有限元计算网格结构，计算货架结构的荷载及加载情况（如），获得整个货架模型结构组件节点的位移模拟及计算值（如）、应力应变模拟和计算值（如），以实现货架结构的强度和稳定性校核，判断货架结构是否满足客户的实际要求；根据各个组件的强度和稳定性结果进行结构加固和修正，并再校核以实现结构的设计优化。

　　在使用有限元法进行货架系统的分析与计算时，需要明确有限元的校核结果不一定能揭示诸如材料性能、几何特征等重要的变量是如何影响应力的，一旦输入数据有误，结果就会大相径庭，而分析者却难以觉察，为此需要综合经验数据、有限元分析结果和足尺试验结果，修正货架系统的结构和计算校核结果，确保实施项目的合理性、科学性。

　　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、荷载等因素进行详细分析和核算，结合企业自身的货架设计规划水平、基础研究资料、工况模拟试验数据及工程类比性设计等，探索符合企业产品特点的、科学合理的货架内力分析计算及组合式货架结构的稳定性分析与计算方法，并综合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tfe影响、货架底座底板厚度及其与地面基础的固定形式等，结合现行的国内外设计规范和成功案例进行分析，依靠成熟的钢结构软件进行分析评价，或开发合适的货架结构的有限元辅助设计分析软件，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，以获得满意的设计规划效果及性价比高的组合式货架结构系统。