货架钢结构系统的分析
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作者: 张卫国
货架钢结构系统的设计分析过程是非常复杂的。如果设计不恰当，或者会浪费材料，增加自重，提高成本，或者会因局部结构强度不够而埋下安全隐患。由于超静定桁架结构、静定桁架结构或钢架结构是货架钢结构中的主体形式，其中超静定桁架结构的优化设计属于离散变量的优化设计问题，设计变量的离散性给数学规划的设计方法带来很大困难，目前对于较复杂的货架钢结构系统多采用专用分析软件或有限元分析技术、实际承载模拟试验以确定货架结构体的实际工作特性，以确定其设计荷载、结构体细节设计等。
货架结构的几何构造原理及力学分析
货架钢结构的几何构造满足最基本的三角形规律，且实际结构在承载情况下的力学计算也很复杂，特别是在实际应用中会呈现比较复杂的空间结构体系以承受各个方向可能出现的荷载，因此可以在忽略一些次要的空间约束的前提下，将实际结构分解为平面结构。
1、货架立柱、横梁、支撑等组件的截面几何尺寸(包括宽度、板料厚度)比其长度尺寸要小很多，如：一般货架立柱的截面尺寸为30×30mm～150×120mm不等，其节点长度尺寸在300mm～1200mm之间，基本比例在10倍以上；支撑的长宽比更大，有时可超过100倍，故可将货架结构中的组件作杆件简化处理。
2、组装式货架立柱与横梁之间的连接形式可以看作一种半刚性的连接，一般按照铰接方式处理。其实铰节点是组装式货架钢结构中的主要节点形式，对于焊接式货架体系需要作部分刚节点考虑，实际上货架钢结构在任何荷载作用下，若不计杆件的变形，其几何形状与位置均保持不变，也可将货架结构简化为钢架结构或桁架结构，这也是货架钢结构体可以用有限元进行分析处理的力学基础。
3、货架钢结构一般为超静定结构，由于部分结构组件存在大变形，需要通过超静定结构来增加约束，并通过一定的结构简化手段将静定结构的内力计算问题转化为每个个体组件“杆”的内力计算问题。超静定结构的全部内力和反力仅靠平衡条件计算不出，还必须考虑变形条件；如在力法计算中，多余未知力由力法方程(变形条件)计算。再由M=∑MiXi+MP叠加内力图。如只考虑平衡条件画出单位弯矩图和荷载弯矩图，Xi是没有确定的任意值。因此单就满足平衡条件来说，超静定结构有无穷多组解答。
超静定结构的特点在于：
(1)超静定结构的多余约束破坏，仍能继续承载，具有较高的防御能力。
(2)超静定结构的整体性好，内力较均匀且峰值小。
(3)超静定结构具有较强的刚度和稳定性，从根本上满足了货架的基本应用力学原理。
超静定结构的内力与材料的物理性能和截面的几何特征有关，即与刚度有关。在设计货架钢结构系统时需事先假定各组件的截面尺寸和选用的材料特性、厚度系列等，才能求出内力；然后再根据内力重新优化选择组件截面特性等设计参数；另外，也可以通过调整各杆刚度比值达到调整内力的目的，以改善某些薄弱环节的结构性能，提高货架钢结构设计规划中的性价比。
若在实际计算中不考虑结构组件的变形，还可以进一步简化为桁架结构，因为超静定结构的整体性比静定结构好，内力较均匀且峰值小，结构刚度和稳定性都有所提高，此为偏安全性考虑；从简化处理的角度可以用平面静定结构来替代；采用节点法或截面法来计算结构中各组件的轴力，并利用相关计算原理和方法对各组件进行承载性、刚性和稳定性等的校核及优化设计。针对以上方法也可采取一般的结构计算程序或相关有限元软件进行辅助设计分析，并进一步优化实际的货架钢结构系统。
货架钢结构荷载及荷载效应的分析
货架的荷载分为恒荷载、货架活荷载、竖向冲击荷载、水平荷载以及风载、屋面活荷载(或雪载)和地震作用。货架结构设计应按上述荷载效应的最不利组合设计。
实际上可以将货架各组成件简化为轴线，上述荷载在一定程度上可以进行轴力简化处理。其中恒荷载指货架结构的自重；活荷载指搁置在货架结构上的货物和货箱(或托盘)的重量；竖向冲击荷载指储运机械存放货物时产生的对模梁的冲击力，通常可取一个货箱或托盘(含货物重)静载设计值的50％考虑；作用于组装式货架结构的水平荷载指由货架结构构件的初弯曲、安装偏差、荷载偏心以及储运机械的轻度碰撞等引起的水平力；货架结构的抗震设计可仅考虑水平地震作用的影响，不计竖向地震作用。
货架钢结构设计方法
传统的货架钢结构设计的整个过程是基于手工设计完成的，分为初步设计与技术设计两个阶段。随着计算机技术的发展，可以利用CAD软件提供的复合建模功能，探索货架设计规划新方法，或开发专用货架软件包，以缩短设计规划周期，降低开发成本。
有限元辅助分析手段是把货架系统实体(或图纸)抽象为一组由力学元件构成的模型，把货架单元转换成能为计算机接受的计算模型，同时给出载荷及支持状态的数学描述。
在货架钢结构简化过程中的原则是：在尽可能如实地反映结构体的主要力学特性的前提下，力求用较少的单元和简单的单元形式来表现；在满足货架钢结构构件刚性与主架连接的可靠性的前提下，力求减轻主架立柱的自重或减薄材料尺寸，如：在高架库中采用货架立柱分段厚度控制方法，即上部可选择1.8mm厚度材料、中部选择2.0mm厚度材料、下部选择2.3mm厚度材料，或合理选择横梁规格与立柱规格，以获得最佳的设计效果、最优的经济效益。
冷弯薄壁多孔货架立柱压杆稳定性分析
货架立柱多采用冷弯薄壁多孔结构，且通过多折面截面形式来提高货架的屈曲后实际承载能力。《钢货架结构设计规范CECS23:90》中规定，若孔位于板件的无效部位，此开孔板件的有效宽度可按相应无孔板件的有效宽度取用；若孔位于板件的有效部位，则此开孔板件的有效宽度可按相应无孔板件的有效宽度扣除位于有效区内的孔宽取用。
冷弯薄壁多孔立柱是货架钢结构体系中最复杂的构成组件之一，其弯扭失稳问题一直是货架钢结构设计的关键问题，直接决定了货架钢结构体系的设计、计算复杂程度，其他冷弯结构组件可直接应用《冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002》中的原理和方法处理，依据相关试验结果进行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校核，力求在货架新产品的设计开发初期就进行有限元分析或计算；或根据该规范的有关规定，结合冷弯薄壁多孔货架立柱的特点，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。
当偏心弯矩作用于对称平面时，除应按《冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002》中的第5.5.2条计算弯矩作用内的稳定性外，还应按其中的公式5.5.2计算其弯矩作用平面外的稳定性。
组合式货架横梁承载的计算
货架体系是一个三维空间桁架结构，但在计算横梁承载时可以把计算模型简化为平面模型，且横梁的跨度远大于其截面尺寸。根据材料力学的相关理论可以将其简化为梁单元体，通常的处理方法是把梁的两端作为铰支或半铰支来处理。然后根据设计图纸确定基本横梁的截面特性参数，确定基本判断标准为平面内或者空间中的挠度值不超过梁总长的1／200，最后采用《冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002》、《钢货架结构设计规范CECS23:90》、《钢结构设计规范》GB50017-2002进行验算设计，或通过有关钢结构软件进行设计校核。横梁的实际受力效果是部分铰支加部分固支，铰支或固支可以由标准力学模型分别获得横梁的挠度值；针对不同的横梁与立柱的连接结构，通过标准试验来测得铰支效应和固支效应的比例；进行力学效应叠加计算，可以得到接近实际的横梁变形特征，在获得横梁的最大变形量限制后，采用应力法和挠度法计算梁的最大承载。
货架钢结构体系稳定问题的可靠性分析
一个货架钢结构单元系统由若干基本元素(零件)组成。在系统分析中主要确定对货架钢结构体系稳定性的可靠性元素和货架钢结构系统的可靠性结构，从而计算整个货架钢结构体系稳定性的可靠度。根据货架基本钢结构组成并采用价值分析方法中的A、B、C分类法，可以把货架钢结构的零件分为A、B、C三类：
A类：直接影响货架钢结构的整体稳定性，货架钢结构设计应用风险较大，设计制造的成本高。如货架立柱及其不同的冷弯结构件、横梁、搁板、拉杆或支撑杆等。
B类：间接影响货架钢结构的整体稳定性，货架钢结构设计应用风险一般，设计制造的成本低，易更换。如立柱底座的结构、安全扣销、紧固件等。
C类：一些辅助部件，无关紧要，影响很小。如调整垫片、立柱端盖等。
由此确定货架钢结构体系稳定性的可靠性元素为立柱、横梁、拉杆、搁板等，并对它们各自的稳定性失效可能进行FMEA分析。
货架钢结构的可靠性设计规划方法、货架钢结构的优化设计等，在货架钢结构设计的整个过程中都应该强调“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部设计。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算内力分析输出数据可靠与否的主要依据方法。
其他因素分析
货架钢结构系统的设计规划过程涉及的因素很多，从货架钢结构的选材、货架结构部件的生产制造工艺与力学设计结构的符合性、具体货架单元的数学模型的建立及其简化思路、研究试验标准的建立和有效数据的收集整理等，到新技术、新工艺及新的分析应用软件的使用等方面，均对货架钢结构系统的应用起到了良性推动作用。
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