钢货架结构纵向抗侧体系及抗震性能分析

尹凌峰，王 康，徐正林，陈昕媛，董 威

（1.东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096；2.南京六维物流自动化设备工程有限公司，江苏 南京 210019）

1 引言

1.1 研究背景与意义

随着现代物流业的飞速发展，为了适应现代工业高度自动化生产的需要，各企业都在不断提高仓储密度、仓储及货物周转率，降低仓储成本，加快资金与货物周转，改善工作环境，提升经济效益，而这些都为钢结构货架的生产制造提供了广阔的发展空间，近年来组装式钢结构货架已在国内外蓬勃兴起，使仓储系统的需求量持续增长，钢货架的种类也越来越多。组装式钢货架结构一般由冷弯薄壁型钢构件组成,具有安装简便、形式灵活等优点，逐渐成为市场的主流[1]。

1.2 钢货架支撑体系简介

因钢货架结构功能要求，背拉仅在钢货架结构的一侧设置且有很大的偏心，如图1所示,背拉、背拉横梁以及隔撑短梁形成背拉支撑系统，水平支撑一般设置在与背拉相交或邻近的横梁层上。背拉支撑系统和水平支撑形成“半开敞式”支撑结构，其布置方式及刚度将直接影响组装式钢货架结构的整体抗侧性能。

图1 钢货架结构支撑体系示意图

目前国内不少货架厂商能认识到背拉支撑的重要性，但往往忽视了与之配套的水平支撑。缺少水平支撑，将对结构的纵向抗侧性能造成严重影响。本文将对此问题进行深入研究，同时对高层及多层货架结构的抗震性能进行分析评估。

1.3 纵向抗侧体系研究现状

目前，关于组装式货架这种特殊的“半开敞式”支撑结构的研究报道尚不多见，Bernuzzi等（2004）[2]分别进行了典型实际无支撑货架结构与增设支撑货架结构的抗震性能研究，发现结构增设合理的支撑体系后，整体抗震性能大大提高。

Gilbert、Rasmussen（2011）[3]对足尺的4跨4层货架结构进行了整体试验研究，指出背拉支撑偏心、柱脚底板翘曲、隔撑短梁刚度对货架的刚度影响较大。Kilar、Petrovcic、Koren等（2011）[4]指出背拉系统货架的不对称性和刚度传递的不连续性，致使刚度分布不均匀，在地震作用下，与背拉支撑连接的立柱极易发生破坏。尹凌峰等（2013）[5]对货架结构的支撑体系和刚度传递效率进行了研究，指出隔撑短梁的竖向和水平偏心越大，支撑体系的传递效率越低，并推导了相应的刚度传递公式。

1.4 本文工作

针对目前实际工程中对钢货架结构纵向抗侧体系及抗震性能研究的不足，本文采用振型分解反应谱法，对典型的高层钢货架结构与多层钢货架结构进行抗震性能分析，通过不同的模型来研究背拉支撑与水平支撑对这两种钢货架结构的影响。

2 钢货架分析模型

某典型钢货架结构，立柱型号为N90（如图2所示），横梁型号为K100×50（如图3所示），均采用Q235钢，梁-柱采用半刚性节点，节点转动刚度值为243.3kN·m[6]。抗震设防烈度8度，二类场地土，地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.2g，场地土特征周期为0.4s，阻尼比0.035，地震动最大影响系数为0.16，并且横梁上作用的竖向荷载为2kN/m（每货格1t货物），本模型及后续模型分析均采用满载。综合货架结构参数建立了三维有限元模型，如图4所示。

图2 N90型立柱截面

图3 K100×50抱焊梁

图4 钢货架结构整体三维模型图

对图4所示的三维整体模型进行模态分析后可知，三维整体模型前三阶模态（如图5所示）均为单榀货架结构的X向（纵向）振动，结构整体性不强，因此，可以简化为如图6所示的单榀模型来进行抗震分析。在该单榀钢货架模型中，第4层（层高5.65m）和第9层（层高13.9m）横梁上设置通长的纵向水平支撑。

图5 三维整体模型前三阶模态

总高为21.15m的高层钢货架结构模型如图6所示，该高层钢货架结构为13层，顶面以下12层为货物存放层。总高为10.6m的多层货架结构如图7所示，该钢货架结构为7层，顶面以下6层为货物存放层。两模型均在顶部设置面外滑移约束，即约束顶部Y向的变形。将图6所示的单榀钢货架结构模型记为A（高层货架结构），图7所示的单榀钢货架结构模型记为B（多层货架结构）。

图6 钢货架A（高层货架结构）

图7 钢货架B（多层货架结构）

3 钢货架结构纵向抗侧体系及抗震性能分析

为考察两种不同纵向抗侧体系（即背拉和纵向水平支撑）的影响，现按照钢货架A和钢货架B，考虑三种不同的纵向抗侧体系组合进行分析：

模型Ⅰ：无纵向抗侧力体系，即无背拉支撑且无水平支撑；

模型Ⅱ：模型中仅设置背拉支撑，但无水平支撑；

模型Ⅲ：模型中既设置背拉支撑，也在背拉相交或邻近的横梁层面上设置水平支撑。

3.1 纵向抗侧体系对高层货架的影响

依据钢货架A，采用振型分解反应谱法将三种模型的外立柱（定义近背拉立柱为内立柱，远背拉立柱为外立柱）在前两阶基本模态下的反应进行对比记录，如图8、图9所示。

图8 钢货架A外立柱第1阶模态下的振型幅值

图8和图9分别为钢货架A的三种结构模型在前两阶模态下的位移反应。在第1阶和第2阶模态下三种模型的周期值见表1。

图9 钢货架A外立柱第2阶模态下的振型幅值

表1 钢货架A三种结构模型在前两阶模态下的周期值

由图8和图9可得出，模型Ⅰ、Ⅲ的基本振动模态与框架结构基本类似，内外立柱协同变形，但模型Ⅲ的基本周期明显小于模型Ⅰ，也就意味着模型Ⅲ的刚度远大于模型Ⅰ。添加背拉支撑体系的模型Ⅱ与框架结构的反应产生了差异，内外立柱变形不协调，外立柱在顶部和底部分别受到天轨支撑及柱脚约束，振动幅值较小，而在中部因背拉区水平支撑的缺失，幅值最大，第一振型呈现半波受弯振动形式。根据其基本周期可知，模型Ⅱ的刚度也远小于背拉支撑及水平支撑协同工作的模型Ⅲ。钢货架A第2阶振型则在第1阶振型的基础上，往高阶发展，表现为半波或全波弯曲振动。

图10 钢货架A三种模型外立柱层间位移角（单位：rad）

图10为钢货架A的位移角曲线，模型Ⅰ的最大层间位移角是1/88，呈现剪切型变形；模型Ⅱ的最大层间位移角是1/119，相对无支撑的模型Ⅰ，增设背拉后的高层货架抗侧能力有一定提升，但在中上部变形趋势逆转，发生“甩尾”现象；模型Ⅲ的最大层间位移角是1/417，相对无支撑的模型Ⅰ及仅设背拉支撑的模型Ⅱ，提升显著。说明背拉支撑和水平支撑协同工作，有效地约束了内外柱层间位移。图10进一步论证了上述结论的正确性，由此即可看出背拉支撑和纵向水平支撑配套设置方可显著提高高层货架结构的纵向抗震性能。

3.2 纵向抗侧体系对多层货架的影响

依据钢货架B，采用振型分解反应谱法将三种模型在前两阶基本模态下的反应进行对比记录，如图11、图12所示。

图11 钢货架B三种模型外立柱第1阶模态下的振型幅值

图12 钢货架B三种模型外立柱第2阶模态下的振型幅值

图11和图12分别为钢货架B三种结构模型在前两阶模态下的位移反应，在第1阶和第2阶模态下三种模型的周期值见表2。

表2 钢货架B三种结构模型在前两阶模态下的周期值

由图11和图12可得出，钢货架B第1阶模态的表现与钢货架A类似，第2阶模态的振型与钢货架A存在一定的差异，尤其是钢货架B的模型III相对钢货架A表现出更高阶的全波振动趋势。

图13是钢货架B的层间位移角曲线，模型Ⅰ的最大层间位移角是1/136，位移角曲线大致呈剪切型，进一步说明无纵向抗侧体系的钢货架B结构反应与框架结构较为类似；模型Ⅱ的最大层间位移角是1/135，与模型Ⅰ几乎一样，且货架结构出现明显的“甩尾”现象，位移曲线呈S型，此现象说明仅设背拉支撑对于多层钢货架的纵向抗侧能力几乎无提升；模型Ⅲ的最大层间位移角是1/427，较前两种模型提升显著，货架下部呈剪切型，但是上部结构位移也发生小幅偏转，但位移角值较小。

图13 钢货架B三种模型外立柱层间位移角(单位：rad)

4 结论

随着生产安全性指标要求的提高，针对钢货架结构进行专门的抗侧体系研究和抗震性能分析，具有重要的现实意义和实际应用价值。

通过建立典型钢货架三维整体有限元模型并进行模态分析，结果表明三维整体模型前三阶模态均为结构的纵向振动为主，钢货架结构可以简化为单榀模型来进行抗震分析。

在对高层货架结构与多层货架结构的抗震性能对比分析中发现，无纵向抗侧体系的多层货架结构与框架结构的受力方式类似；而高层货架结构的受力方式与多层货架结构存在较大差异性，仅设背拉但无水平支撑的多层钢货架的抗侧能力几乎没有提高，背拉支撑与水平支撑相结合方可形成有效的结构纵向抗侧体系。

[1]王拓,赵宪忠,陈以一.组装式钢货构研究现状[J].建筑钢结构进展,2010,12(6):1-10.

[2]Bernuzzi C,Chesi C,Parisi M A.Seismic behavior and design of steel storage racks[A].13th World Conference on Earthquake Engineering Vancouver[C].2004.

[3]Gilbert B P,Rasmussen K J R.Drive-In steel storage racks I:stiffness tests and 3D load-transfer mechanisms[J].Journal of Structural Engineering,2011,138(2):135-147.

[4]Kilar V,Petrovcic S,Koren D,et al.Seismic analysis of an asymmetric fixed base and base-isolated high-rack steel structure[J].Engineering Structures,2011,33(12):3 471-3 482.

[5]Lingfeng Yin,Zhanjie Li.Lateral stiffness of spine bracing system in fabricated high-rise steel racks[A].EMI Conference of ASCE[C].2013.

[6]董威.考虑插接式节点半刚性钢货架抗震方法研究[D].南京:东南大学,2011.