摘要：本文2009年發(fā)表于物流技術，對新標準“工業(yè)貨架設計計算”的關鍵內容進行解讀，旨在指導讀者準確理解標準，達到正確應用標準完成對工業(yè)貨架的設計與計算的目的。

01 概述

        即將報批的國家標準“工業(yè)貨架設計計算”是一個新的標準，與以往的相關標準不同的是，本次發(fā)布的標準主要針對組合式貨架。鑒于組合式貨架的廣泛應用( 保守估計超過90%)，該標準對于我國貨架的安全設計具有重要的指導意義。

        由于國家經濟的快速發(fā)展，帶動了物流業(yè)的快速發(fā)展。作為物流系統(tǒng)的重要組成部分，組合式貨架最近10年以每年超過25%的速度增長，2009年全國貨架行業(yè)產值超過30億，其中約50%是組合式托盤貨架。然而，與之不相適應的是貨架的設計計算技術嚴重滯后，貨架生產單位和用戶長期對貨架的計算缺乏科學的態(tài)度，結果不僅導致極大浪費，而且造成重大損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，近年來，貨架垮塌現(xiàn)象造成的直接經濟損失至少超過1億元，并且伴隨著造成重大人員傷亡。此外，2008年的汶川大地震，也給貨架的設計計算提出了新的要求。本文對新標準的部分章節(jié)進行解讀，以幫助用戶正確理解并應用標準。

02 關于適用范圍

        標準“1范圍”明確規(guī)定“適用于托盤貨架、窄巷道托盤貨架、自動化立體倉庫貨架的設計和計算”。

        標準沒有明確規(guī)定其他貨架的基本原因有兩點:

        1) 限于篇幅，本標準主要是以托盤貨架為對象，包括以周轉箱等以單元形式儲存的高層貨架，對于擱板貨架(含閣樓)、流利貨架、超市陳列貨架等不進行論述;

        2) 其他貨架的荷載相對較小，高度較低。如陳列貨架，每層荷載一般在100kg以內，高度一般在2200mm以內，一般不要求進行整體計算。但不排除需要生產企業(yè)進行單組貨架的力學計算和力學實驗。

        除此之外，“范圍”明確之外的有些貨架結構也是適用的。如儲存鋼板的高層貨架，雖然不屬于托盤貨架，但其原理是一致的。而且由于其荷載非常大，進行力學分析是非常必要的。

        關于其他貨架的設計計算，一方面可以參考本標準，此外還可以參考其他相關資料。

03 關于計算方法的選擇

        標準“4.1設計計算方法”明確“貨架局部及單個構件的計算，可采用材料力學、結構力學、彈塑性力學的方法，也可采用有限元方法進行深入分析”，“貨架整體分析應采用有限元方法”。

        本次發(fā)布的標準首次提出采用有限元方法進行分析是有其深刻原因的。有限元方法作為常用的力學分析法，成熟于上世紀80年代。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，有限元方法變得更加快捷和簡單，為推廣應用奠定了技術基礎。

        但是，隨著有限元方法的應用，越來越發(fā)展成一種趨勢：過于概念化有限元分析，甚至缺乏對有限元的基本了解，這樣往往導致了走過場。這與有限元的嚴密性和科學性是背道而馳的。

        除了有限元的基礎知識，關鍵還在于建立模型、確定邊界條件和荷載，這方面的問題下面將進一步闡述。有關有限元的著作很多，有興趣者可以從參考書中找到需要的知識。

04 橫梁式貨架簡化

        早期的有限元分析，由于受限于計算機的存儲能力和計算能力，往往不對整體貨架進行計算，僅選取其中的一部分進行分析。這是必要的，也是可行的。

        標準“5.2托盤貨架結構”對橫梁式貨架進行了簡化和分類。限于篇幅，列出了主要的3類結構。

        對于獨立的托盤貨架，由于通道上方沒有連接，貨架簡化一般選取一整“排”就足夠了，對于立體庫或一個巷道上有連接件的貨架，選取兩排更加符合實際。列的方向大部分情況可以簡化。但必須包含6列以上( 即7個貨架片)，并有兩組完整的垂直拉桿結構。在層方向，必須按照實際的層數(shù)進行計算，不得簡化。

        垂直拉桿是托盤貨架必不可少的構件，也是貨架設計的重要內容。但遺憾的是，目前眾多的橫梁式托盤貨架沒有設計垂直拉桿，這對于未來的使用不能不說是一個巨大的安全隱患，尤其是地震工況下。

        本標準“5.2.3垂直拉桿”明確：“對于托盤貨架和窄巷道托盤貨架，當貨架列數(shù)大于6列時，建議每5~6列增加垂直拉桿，且最好設置在沿巷道方向貨架兩端和中間位置”。這是非常必要的。

        單元選擇方面，一般情形下，立柱和橫梁采用梁單元，而其他拉桿則采用桿單元即可。具體參考標準6.2單元簡化”。

05 牛腿式貨架簡化

        牛腿式貨架是一種特殊貨架。它有非常好的性能，但一般只是在立體庫中采用。

        與橫梁式貨架不同，由于缺少橫向連接梁，因此牛腿式貨架的要求具有更高的穩(wěn)定性，所以標準“5.3.3垂直拉桿結構”明確“牛腿式托盤貨架的垂直拉桿在列方向必須布滿整個貨架”。

        計算時，與橫梁式貨架類似，可以選取一個完整的“巷道” ( 共兩“排”)進行計算。若計算的“列太多，也可以選取一部分，但必須是完整的一部分。一般情況下，列不得少于6列(7個貨架片 )。

        牛腿式貨架一般在高度上靠近堆垛機一側應設計若干層橫梁(即連續(xù)梁)，以加強整體的穩(wěn)定性。連續(xù)梁的層數(shù)一般按照每兩層貨位設置一個，若貨位的層高比較小，也可以多層貨位設置一層梁，但高度不宜超過4500mm。這是應該注意的。

06 關于約束與邊界條件

        標準“6.3約束與邊界條件”專門論述了有限元分析時，計算模型的約束問題和邊界條件。標準引入了“半剛半”的概念，使計算更加符合實際，但需要正確理解。

        有些地方需要補充說明。

     （1）柱腳問題。標準對于采用化學螺栓、膨脹螺栓連接的貨架，建議Z方向(XOY)約束釋放，而采用預埋件工藝的貨架，則采用剛性連接。這是符合實際情況的。但若全部采用剛性連接，其計算結果也是符合要求的。這是由于XOY方向的扭矩可以忽略不計。

     （2）橫梁與立柱的連接。標準建議采用半剛半較接方式。并建議按照CECS 23:90中8.4節(jié)的實驗方法確定。由于每個廠家的橫梁掛片的形式有很大差異，所以導致試驗結果有較大差異。應用有限元分析時，就存在比較大的困難。在缺乏試驗數(shù)據(jù)的情形下，若掛片掛孔多于2個(含2個)，建議采用剛性連接。若掛孔只有一個，則建議采用鉸接。更多的情況可以按照兩種連接方式分別進行計算，再對結果進行比較分析。

     （3）實際使用過程中，掛片柱腳斷裂情況并不少見，因此，對掛片應進行有效的測試。考慮到托盤放置的沖擊力，一般要求測試的荷載是設定荷載的1.5倍，而考慮到地震荷載的影響，一般要求安全系數(shù)達到2.0以上。順便指出的是，有些廠家的掛片設計是不合理的，開孔以圓孔或圓孔為宜，三角形，梯形等都是不合理的。

07 關于載荷的計算與簡化

        標準定義的荷載類型為：恒荷載、貨架活荷載、豎向沖擊荷載、地震荷載。

        恒荷載主要指貨架本身的自重所引起的荷載。

        貨架活荷載指托盤荷載。一般以額定荷載作為參考。

        豎向沖擊荷載主要是放置托盤時產生的荷載，與堆垛機的微升降速度和叉車放置貨物的速度有關。

        值得注意的是，對于立體庫而言，水平荷載還要考慮滿荷載下貨叉伸叉時堆垛機載貨臺偏載對于貨架的作用力F。一般的計算公式為

        F=k*P*(I/H)

        式中，k為加權系數(shù)，P為額定荷載，H為堆垛機高度，I為伸叉長度。若以 H=18m，l=1.4m，P=1000kg，k=1.2為例進行計算，F(xiàn)=93.3kg或933N。

        地震荷載目前僅考慮水平方向的荷載。即地震縱波作用于貨架產生的荷載，與地震烈度有關。

        標準給出了4種組合。這是在實際運行中會發(fā)生的組合。但需要注意到4種組合發(fā)生的工況和應用場合。一般情況下，4種工況均應進行校核。

        關于地震工況下的荷載，“標準”強調基本荷載為正常工況的80%。正確的理解是:地震工況下，基本荷載僅考慮恒荷載和貨架活荷載，其中活荷載按照滿荷載的80%計算，地震工況下水平荷載G則按照以下公式計算:

        G = (Gh +Gt)* a

        其中Gh為恒荷載，Gt為貨架活荷載P*80%，a為水平加速度，應按照當?shù)氐脑O防等級進行計算。

        鑒于組合式貨架結構的特殊性，在烈度為8級時將導致成本的急速增加。由于目前計算的地震荷載主要是縱波所引起的水平荷載。實際情況是縱波最大的破壞作業(yè)定直接導致托盤從貨架跌落。當加速度超過7級烈度對應的加速度后，影響貨架安全的已經不僅是地震力本身，而是托盤跌落所產生的破壞。因此，除非特殊情形，一般不建議貨架按照8級設防，而應取相對較低的7級烈度設防以節(jié)約成本。地震時，垂直拉桿的作用得到凸顯，這就是為什么強調托盤貨架需要增加垂直拉桿的原因。此外，對于立體倉庫而言，若要增加抗震能力，采用預埋件的方式是非常有效的。

08 關于強度、變形和穩(wěn)定性校核

        正常工況下的強度校核應首先按照許用應力進行校核，對于立柱等重要構件還應進行壓桿(主要是立柱)的穩(wěn)定性校核。

        地震工況下強度校核只需要按照許用應力進行校核即可(考慮安全系數(shù))，穩(wěn)定性和變形已經不是關鍵因素。需要注意的是，地震荷載工況下，構件允許達到的許用應力值與正常工況是不一樣的。按照我國國家標準，在建筑設計中，對于地震荷載工況下應達到“小震不壞，大震不倒”的標準，貨架在地震荷載工況下也應符合這一要求。應注意本標準是采用了“安全系數(shù)”來定義許用應力的。這一點更加容易為工程應用所接受。

        變形限制主要是考慮托盤放置的平穩(wěn)性要求。對于自動化立體庫而言，要求要嚴格一些。主要是考慮到貨叉取貨時，橫梁的撓度不能影響貨叉正常工作。對于立體庫而言，橫梁的繞度不能大于橫梁長度的1/300，對于托盤貨架，可以放寬到1/200;

穩(wěn)定性校驗主要考慮構件的穩(wěn)定性和貨架片的穩(wěn)定性。構件的穩(wěn)定性驗算應注意有效長度的確定，貨架片的穩(wěn)定性驗算要求計算外力作用下，整個貨架片是否失穩(wěn)。“標準”給出的荷載組合是合適的。