钢货架立柱性能的研究及展望

张卫国

摘要：本文介绍了国内外关于货架钢结构立柱的性能研究，从立柱分析、立柱研究及研究展望三方面分析了冷弯薄壁货架立柱特有的力学性能和破坏模式。关键词：钢货架、立柱、冷弯薄壁型钢钢货架立柱(以下简称立柱)主要承受来自货架结构体中其他部件对其产生的垂直荷载、弯矩和扭矩的组合作用，因此，立柱的设计、生产制造及安装等将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。虽然国外学者对立柱进行了很多研究工作，如立柱承载力的设计计算、计算长度系数的取值等，但其试验所用的试件是国外常用的冷弯薄壁货架结构立柱，在选择的材料、截面形状及生产工艺、试验条件和评价指标等方面均存在差异，并不符合中国的使用要求和实际应用。国内同行和学者也对立柱的理论和试验研究做了很多有益的工作，例如，在承载能力极限状态和正常使用极限状态下，通过静力分析或试验来验证立柱性能的满足性，以减少货架材料的过量设计与使用，在此基础上，增强同行对市场的响应能力，建立并完善货架可靠性理论及其评价体系。关于立柱的分析1、立柱的截面形状分析货架立柱的截面形状分析包括以下方面：(1)开口薄壁截面、封闭薄壁截面及其他钢结构型材，薄壁截面在整体稳定性分析中有三种破坏模式(弯曲屈曲、扭转屈曲、弯扭屈曲)。由于国内封闭薄壁截面立柱的市场形式比较少，相对的理论和试验开展得也少：(2)立柱结构孔洞或因材料强度不足而局部破坏及其对整体结构和承载力的影响；(3)立柱结构约束类别及节点设计与布置不合理，或者局部补强措施不合理造成的隐患；(4)立柱结构或构件由于屈曲而丧失整体稳定性；(5)立柱结构初始成型缺陷及塑性变形超标(无法确定能使用的屈曲后强度，只能将屈曲后强度作为立柱设计的安全性储量考虑)及构件疲劳断裂等。目前有理论表明，冷弯薄壁型钢柱可能在达到整体破坏荷载前其局部就发生屈曲破坏，局部屈曲和整体屈曲互相作用，也会导致立柱整体强度降低、整体结构稳定性下降，由此在AISI规范中由控制临界屈曲应力及有效面积来代替全部横截面面积以确定立柱的额定负荷。2、立柱的冷弯成型工艺分析对立柱的冷弯成型工艺分析结果表明，要兼顾不同料厚材料所形成的成型截面尺寸的变化对货架结构装配互换性的影响。还要根据材料特性选择合理的弯曲半径和弯曲角，以防止折面根部边缘不合理裂纹、折面根部弯曲面的减薄等不良冷弯缺陷的产生。随着货架生产技术与工艺的发展，以及高强度钢板等新材料的应用，立柱折面从最基本的角钢型折面衍生到多折面结构(其形状主要是在基本折边的基础上设计合理的弯曲半径和弯曲角来增加弯折面)。由于冷弯薄壁多孔型立柱的选材厚度都较薄，开口截面立柱的扭转刚度与材料厚度的立方成正比，因此冷弯薄壁多孔型立柱的抗扭能力相对较弱，根据有效宽度理论，需要严格控制结构的宽厚比设计参数。基于以上分析，要根据生产制造工艺和货架结构、高度等选择合理的立柱加接模式，以适应高位立体库的发展，同时又不会显著降低接口处的力学性能，并考虑立柱生产制造的相对成本；既提高立柱的承载强度、刚度和稳定性，获得力学性能优异的冷弯薄壁型钢立柱，又能扩大货架立柱的应用领域。货架立柱另一个重要的结构特征是：在特定冷弯薄壁型钢的立面、侧面冲出形成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。以满足货架结构间的装配要求，形成了以多孔立柱为竖向支撑的独特力系钢结构体。这对生产工艺、产品的制造精度等方面提出了更高要求，也加大了货架结构的力学分析与研究的复杂性、困难性。因为对于冷弯薄壁多孔货架立柱来说，它的极限承载力除受到整体屈曲、局部屈曲、畸变屈曲及其相互作用的影响外，还有孔洞的影响、梁柱节点刚性及半刚性特征、支撑与立柱连接形成的节点约束、柱底板与立柱连接的影响等，均增加了立柱理论分析及试验的复杂性。《轴压多孔冷弯薄壁c型钢柱的弯扭屈曲》一文中规定：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，并需要通过开孔短柱试验和相应的无孔短柱试验来确定实际开孔型材的全截面力学性能以及开孔对构件承载力的影响，可以通过开孔型材的孔洞影响系数来描述和计算。因此，从立柱的应用角度来看。一定要关注立柱的生产制造精度、设计装配互换性要求及施工现场的安装精度、使用环境等多方面的要求。关于立柱的研究立柱的研究包括试验、数值分析及理论研究三个方面，在很多应用实例及足尺试验研究的基础上。各国相关规范中分别提出了关于开孔立柱承载力及稳定计算的设计公式，并建议针对具体设计采用试验的方法来确定相应参数。如《轴压多孔冷弯薄壁c型钢柱的弯扭屈曲》中关于开孔板件的有效宽度的计算方法就是西安建筑科技大学在对开孔受压板件的局部屈曲性能试验和理论分析的基础上建立起来的，而FEM标准中通过折减系数来直接体现试验应用。目前，绝大部分有关冷弯薄壁多孔立柱的计算均是建立在有效宽度公式的基础上，并采用试验方法和数值方法，对原有无孔构件有效宽度理论进行修正，从而建立起多孔构件有效宽度的计算公式，但这需要大量的有效试验样本的支持，并将根据使用材料的变化、截面形状的改进及型材上分布孔的尺寸、位置的变化等进行再试验获取或验证。鉴于我国货架行业起步较晚，前期在生产技术与设备上又多引进国外现成的技术及理论，因此在理论研究、试验研究方面相对滞后，同时，国内外同行在选用材料、工艺等方面存在一定的局限性与差异性，迫切需要开展相应的实验与理论研究工作。在国外，早已在轴心受压、偏心受压极限状态下对货架立柱的短柱在局部屈曲、温度变化下的影响以及有限元在冷弯薄壁型钢中的应用进行了较深入的研究，例如，N.E.Shanmugam等人对立柱开孔后承载力的影响进行了评价，提出了开孔立柱在轴向荷载及弯曲荷载作用下的设计方法；K.M.Bajoria和R.S.Talikot采用传统的悬臂法和提出的双悬臂方法两种不同的方式来确定连接件的弹性，都在一定程度上对立柱及其传力构件进行了研究和讨论。我国在应用这些理论和数据时，需要根据国内实际进行验证对比，以消除差异性。随着计算机技术、数值分析理论及方法(如有限元法、无限元法)的进一步发展与完善，上述技术已成功地用于冷弯薄壁多

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。