孔立柱的截面特性计算、最优化设计、受力性能模拟及承载计算等方面,如货架立柱的冷弯成型工艺分析及模拟,以确定冷弯成型加工对货架立柱性能的影响。 很多国内外学者对开孔规则的立柱构件进行了数值分析,他们采用通用有限元软件ANSYS、ABAQUS等对立柱进行有限元建模及分析,考察短柱和长柱在轴压及偏压作用下的承载力与破坏模态,分析偏心位置对立柱承载力的影响,考虑初始缺陷、几何非线性和材料非线性的影响,同时对立柱边界的约束条件进行模拟,分析孔洞大小及位置对立柱的影响,并为理论研究提供了一定的参考,以求对立柱的强度、稳定性进行分析,得出极限承载力和试件的失效、破坏模态,同时对立柱截面形状和各种孔型开设的位置、大小进行优化设计。例如。losif F.Szabo、Dan Dubi-na等国外学者采用ANSYS有限元,对不同孔洞的板件进行分析,定义出不同开孔对板件承载力的降低函数,并在冷弯薄壁构件有效宽度计算的基础上进行修正,得到了开孔板件的有效宽度计算公式。同时提出了另一种替代方法――等效厚度法,即忽略孔洞,将开孔构件转化为无孔截面构件来分析,采用临界分支荷载损失法(ECBL),将开孔看作一种几何缺陷,引入缺陷对构件承载力的修正系数来考虑相关屈曲对开孔细长构件的影响,从而得到了开孔构件的相关屈曲临界荷载。 在国内,很多高校与企业合作开展了大量立柱短柱试验等货架基础研究工作。例如:南京理工大学范进教授团队在无孔冷弯薄壁构件的理论研究基础上,对有孔柱与无孔柱在对比试验的基础上,根据试验中短柱的腹板和翼缘发生的局部屈曲变形现象,分析短柱加工后残余应力、初始几何缺陷、开孔柱与无孔柱在承载力、加工误差、试验荷载变化等因素,分析短柱的力一位移变化和翼缘腹板歪曲变形,货架立柱的弯扭屈曲强度的测定与分析等方面的研究工作;同济大学韩书银、万德安运用有限元软件MscPatran2001对某大型高层自动化仓库货架系统按常规工况和地震工况进行了有限元分析,对货架的刚度和强度进行了评价。 同时,国内同行企业就自身的产品和设计规划体系也开展了大量的足尺工况模型试验和验证工作,对我国货架规范及其设计理论的发展起到了很好的推动作用,其中,货架立柱是各项研究基础中的关键。《轴压多孔冷弯薄壁c型钢柱的弯扭屈曲》中针对多孔冷弯薄壁c型钢立柱在轴心受压荷载作用下的弯扭屈曲,考虑弹性及非弹性状态,根据平衡法建立微分方程并采用差分法求解,提出了一种在柱中考虑孔影响的简化方法――体积等效方法。在对冷弯薄壁卷边槽钢局部屈曲相关作用和畸变屈曲的分析时,《卷边槽钢的局部屈曲和畸变屈曲》中的分析为立柱选取适当的截面形式以避免畸变屈曲提供了可能性。笔者在《冷弯薄壁多孔货架立柱的稳定性分析与研究》中依据试验和相关规范提出了冷弯薄壁多孔货架立柱偏心受压的计算方法;针对立柱进行强度验算时,根据其受载状态的不同,依据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002分别按轴压构件、压弯构件及弯扭构件进行验算,并根据《CECS 23:90钢货架结构设计规范》中对孔洞的简化处理进行修正和试验验证。 除自身构造特点的影响外,立柱的边界约束也对其承载力有很大的影响。H.H.Lau、M.H.R.Godley、R.G.Beale等研究了立柱底板连接对立柱承载力的影响,从理论分析和试验验证两方面入手,对一端铰接、一端有底板的立柱在轴向荷载和立柱中间一横向荷载作用下的性能,分析在不同情况下,柱带底板一端是按刚接处理还是按铰接处理,并研究了长细比对柱的承载力的影响,指出长细比大干100的柱的承载力高于欧拉临界力。货架立柱往往采用冷弯薄壁型钢,Jyrki Kesti、J.Michael Davies等研究了两端刚接的冷弯薄壁短柱的受力性能,验证了EC3提供的短柱受压承载力预测的准确性,并指出边界条件对短柱的影响大于长柱。由于货架立柱截面形状较复杂,很难采用传统的有效宽度法计算其承载力,B.Schafer、T.Pekoz和G.Hancock等近年来提出一种全新的冷弯型钢构件承载力计算方法――直接强度法,该法不需计算有效截面,就能计算截面形状较复杂的高强冷弯型钢构件承载力,并可以利用计算机技术和有限元理论进行计算和设计。 技术发展趋势展望 目前,关于立柱的研究中引入了很多简化法,如孔洞影响的简化处理方法、以短柱试验代替长柱试验、以货架单元试验代替货架整体结构试验等,都会在不同程度上造成结果不精确。由于立柱翼缘设计不合理或截面结构设计不合理造成翼缘届曲破坏、局部屈曲破坏等,造成试验结果存在较大偏差,以及目前的研究大多集中在一种或几种特定的截面类型,特别是很多研究是基于开口冷弯薄壁多孔柱的,对其他截面结构形式的研究还有待加强;再者,由于试验样本数量的限制,试验结果分散,很难达到通用性,且各研究机构和企业问的研究与资源共享性很差。特别是目前我国对货架立柱进行的专项研究还相对较少,理论方面更是很少涉足。随着钢结构货架的发展与普及,国外先进加工工艺的引入,国外先进的设计规范和理论体系的导入及国内外应用环境的比较,立柱截面类型设计及选择的多样化,都要求对货架立柱的性能做进一步的研究和分析。 目前在讨论货架立柱性能时,基本上是以室温下获得的试验数据为前提。当货架应用在冷链物流、高温差地域中,需要对立柱进行温度影响性研究、材料选择性等方面的研究;当选用高强冷弯薄壁型钢构件时,需要针对规范中尚未涉及的内容,开展相应的试验样本数据的收集整理、研究和理论分析,以验证其适用性。例如,我国设计人员通常采用稳定系数来计算压杆的稳定承载力,但《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002中的稳定系数表是针对Q235、Q345的,需要进行适用性验证和修正;针对国内货架立柱截面折面数的增加,采取压制各种形状的边缘、中间加劲来提高其板件的局部稳定性,要通过对翼缘、加劲的设计研究与计算,优化截面结构、获得最经济的劲结构和截面结构,选择有代表性的立柱截面和样本开展各项失效试验研究,获得可靠的安全防护手段和技术;特别是有不同孔洞(尺寸、形状及布置、横截面的几何构成及所用材料的力学性能)构件的结构性能分析与研究,可借鉴AISI规范中的规定与叙述,以获得广泛的理论支持数据和验证,并综合考虑与分析货架立柱的实际受载及荷载组合情况。目前多考虑货架立柱的轴压性能,对立柱的压弯性能及扭弯性能考虑得不多,对组合荷载考虑得更少,以完善国内货架设计规范和标准;并希望在货架立柱研究的理论和试验的基础上,再综合货架框架和结构以全面考虑立柱的力学性能和结构削减与加固强化手段,形成合理的货架结构设计、计算方法和手段,尤其是能形成可广泛开展使用的计算机辅助设计手段,以减少设计过程中由于人员素质上的差异而产生的安全隐患,并在此基础上形成货架安全使用的可靠性评价体系。