组合式托盘货架设计与规划

       货架按存储的货物重量大小可分类为:重型货架每层货架载重量在500公斤以上;中型货架每层货架(或搁板)载重量200-500公斤;轻型货架每层货架载重量在200公斤以下。由于轻、中型货架的设计规划高度较低，对货架系统的抗震性等安全设计的考虑较少，在实际选型设计规划过程中多采用单元设计规划模式，选择的货架单元均满足客户的要求，出于对成本方面的考虑，只是对货架体系进行了分类分区规划布置方式来局部优化处理，在实际使用过程中仍存在一定程度上的缺陷。对于重型货架系统而言，由于每个托盘位的载重多在1吨以上，而且货架系统的设计规划高度已超过10米，在货架系统的规划设计中就必须依据不同区域位置的要求及货物的属性等对货架系统的安全性设计进行评价分析，并根据货架系统应用的区域和范围进行风载考虑和抗震性设计。

关键零件的安全与设计
      1、组合式托盘货架立柱系统。由于货架钢结构体系设计与装配上的要求见图1，需要在特定冷弯型钢的立面、侧面冲压出一系列的具有一定分布规律和精度要求的孔或不规则的连续孔洞，形成了冷弯薄壁多孔型钢立柱构成的货架钢结构体系，且广泛应用于组装式货架、整体式货架和库架合一式货架钢结构体中，单从货架立柱的冷弯折面上看就经历了下面的发展过程，如图2:

       从角铁货架系统的两折面到C形断面的五面立柱，这类货架立柱的设计规划高度在3米以内的重型货架系统中的应用很少，其弱点在于立柱与横撑、斜撑的连接处过于脆弱，形成短向力的严重不足，在遇到大地震或大的冲击载荷时易发生弯折破坏，而且货架立柱上设计规划的配合孔径大小对于立柱强度的削弱性也比较强;

       之后将货架立柱折面改进为六面、七面或九面的系统，其抗扭弯性能得到了有效提高，多应用于在高度6米以内的货架系统中，若应用于6米以上的货架系统中，常需采取其它补强的措施，来增加货架系统的抗扭弯强度，如增加桁架支撑节点数、增加库区立柱分布密度并限制层高，特别是底层横梁高度的影响;

       由于货架系统设计规划高度的加大，如超高位货架高度一般在30米以内，国外有50米以上高的设计，货架总高由若干段12米以内的货架立柱依据不同的厚度系列组接构成，当考虑其抗震性要求、柱的稳定性设计及抗弯扭屈曲能力时，理想的货架设计规划高度不宜超过货架宽度的4倍;货位不宜过高，通常控制在10米以内，且为了加强整个货架系统的稳定性，除规格选型要大一些外，还需要加设拉固装置，单托货物重量控制在1.5吨以内，目前多需要一定的承载试验数据和有限元等分析软件的支持，或套用钢结构分析软件来处理;

       还有一类货架立柱是运用闭口焊管生产技术及在线预冲孔冷弯成型技术来实现的，闭口型冷弯薄壁型钢及预冲孔的闭口型冷弯薄壁型钢也将在货架的应用领域占据一席之地，而且这类货架立柱的受力特性更好，材料更省。

       2、横梁。在均布载荷的作用下,P型梁允许的最大挠度为跨距1/200左右，通过选择不同规格型号的横梁及其变形设计和组合，能满足客户的实际承载要求和多种物料的储存，由于横梁两端固结或半固结在货架立柱上，货架立柱便产生一定的扭转变形或弯扭屈曲，目前很多货架系统设计规划人员在进行重型料架规划时，几乎只做横梁受负载后的挠曲变形量计算或根据实际负载试验结果来处理，经粗略估计，整座仓库约有3.0%-5.0%的货架立柱系统能力是用来支撑横梁的。

       目前国内大多数货架生产设计规划企业，一直以双C型横梁作为主体设计形式，也有相当一部分企业选择具有相同负载能力的封闭梁，在实际应用过程中还是有很大区别的，如图3中所列的部分横梁截面:

       3、货架立柱与横梁的连接方式。货架立柱与横梁的连接是通过挂片或连接板的方式实现的，有挂接模式、插嵌模式、柱销卡扣模式、焊接模式和螺栓连接等模式。其中挂接模式与柱销卡扣模式主要为面接触形式，其受力状态比较好，能够实现横梁垂直方向的承载力的有效传递到立柱上，但是不能有效保证横梁及货架框架的水平方向的作用力，对货架系统的安全稳定性设计有一定的影响，易造成货架系统的摇摆现象，并在接点处会有明显应力集中现象，使构件易于破坏。而插嵌模式或螺栓连接等模式为立体的接触形式，能够实现货架连接空间三维方向力的有效控制，确保货架系统的安全可靠;如图4所示结构上的差异;焊接模式在国内应用最成熟，其中多可以参考钢结构设计规范。

       4、货架型式。货架型式的选择是货架系统设计规划考虑过程中很关键的问题。货架按其结构型式分为整体式焊接货架、组装式货架及库架合一式货架系统。按标准规定，组装式货架的立柱最大垂直偏差不应大于全高的1/120，而库架合一、整体式货架立柱的垂直偏差不得大于全高的1/1000，垂直绝对偏差值不得大于10mm，因此可以看出，整体式货架的加工和安装精度要比组合货架要高。整体式自动仓库的货架型式选择主要取决于各种荷载的计算，取决于仓库的外型尺寸。由于组装式货架在安装施工中具有较大的不确定性，所以在整体式仓库的设计上经常采用的是整体式焊接货架。整体式焊接货架的立柱选材也有方管、矩型管、槽钢等材料，根据型材本身的特性和指标，选择方管为佳。对于较高的仓库，立柱选择变截面和壁厚不一的案例也是常见的。　

　

受力分析和计算
       作用在货架垂直方向上的荷载有货架自重均布载荷，货物和托盘的重力集中载荷以及地震载荷效应，此外对于库架合一的货架系统还需要考虑风载等因素，货架结构应按下列荷载效应的最不利组合设计。恒荷载指货架本身结构的自重等;活载荷指搁置在货架上的货物和托盘的重量;竖向冲击荷载指堆垛机或叉车等存取货物操作过程中产生的冲击载荷;风载是对货架立柱的影响的计算一般将通过钢结构受力计算软件来完成，同时要采用系统受力仿真和理论计算进行复核;抗震裂度按GBJ11-89《建筑抗震设计规范》执行，一般取抗震裂度设防等级为7级。

       尤其注意下列两种最不利的荷载的组合:风载起作用时的全库空载状态下的受力;水平地震作用时全库满载下的受力。另外，对仓库货物分配状态要充分给予考虑，即仓库一侧满载，另一侧空载状态时，仓库基础的受力分析。尽管存在着仓库的货物分配存放理论;尽管在仓库的使用说明中已规定货物在仓库中的分配存放尽可能的均匀，但在设计计算时必须考虑最坏的可能性。

安装与地面平坦度要求
       组合式托盘货架钢结构的设计与规划、安装与理想的设计计算模型之间不能存在太大差异，否则对组合式托盘货架钢结构的稳定性设计规划影响很大，如下所述:

        一般规定货架安装的地面平整度标准为3.0mm/2m2;全面平整度累积误差20mm，如果地面达不到有关要求必须对货架系统的安全性设计进行考虑并给出一定的设计富裕量。

  在客户提供的已有库房地面存在坡度落差及地面内埋钢筋过浅的问题时，对货架底座的设计是要多预留一个膨胀螺栓螺孔，以供在较大坡度的地面多打一个膨胀螺栓，或在钻地遇钢筋时，得以更换钻孔位置，确保货架底座的设计安装要求，这在笔者设计施工的多个案例中存在类似问题。
  

货物载重的认定
       进行组合式托盘货架钢结构的设计计算时，载重的认定是最基本的前提。由于一般客户会基于安全保守方面的考虑，所提供的最大荷重都会放宽一些，因此如以客户所提供的最大荷重去规划设计的话，货架肯定会超标超重设计，对货架的安全性及稳定性设计是保证了，但货架系统的整体设计规划是不经济的。有资料表明:以日本经验，货架系统中每储格的荷重在3000kg以下时，载重是以最大荷重的80%，乘以满格率，再乘以有效值量来认定;每储格的荷重在3000kg以上时，载重是以最大荷重的80%，乘以满格率来认定。所谓有效值量，据日本实验报告，当地震发生时，货物实际作用于货架上的力只有60%。货物置放于货架上时，是铰接式，而非固接式，故当地震时，货物没有直接作用于货架上，而是靠摩擦及自重置放于上方，货物与货架间还有滑动，货物实际作用于货架上的力只有60%，日本保守点取80%。故为避免过度设计，在货架规划时，横梁的大小以最大荷重来计算，货架立柱系统则如依日本经验处理，不失是一种安全又省料的方法。