深度解读《GBT7284-2016 框架木箱》标准（三）

2018-07-12蔡少龄

上海包装 2018年6期

关键词：木箱横梁立柱

■ 文/蔡少龄

续2018年4月刊第33页《深度解读《GBT7284-2016框架木箱》标准（二）》

1.根据《GB J5-1973 木结构设计规范》导出《GB/T 7284-1987框架木箱》木箱立柱压曲系数计算公式

对于木材的压曲问题，我国曾经做过大量细致的研究工作，做了大量的轴心压杆试验，并对大量的数据进行整理分析得出，压曲系数φ值。曲线随树种的不同而不同，但基本可归纳为下面的A、B和C三条曲线，如图13所示。

图13　我国木材的压缩系数φ值

对于针叶树材，A曲线适用于E≥10000 MPa，fc/ fb≥0.94；B曲线适用于E≥10000 MPa，fc/ fb≥0.9；C曲线适用于E≥8500 MPa，fc/ fb≥0.8。

对于阔叶树材，应按上述标准降低一条曲线采用。

其中，E ——弹性模量；

fc——许用顺纹抗压强度；

fb——许用抗弯强度。

当然，这个fc和fb值是指木建筑设计中的许用强度值，与木包装箱设计中的许用强度值可能有所不同。另一方面，从这3条曲线的比较可知，在相同长细比的情况下，A曲线算出的许用压曲强度最大，亦即构件所需的尺寸最小，而由C曲线算出的许用压曲强度最小，即构件所需的尺寸最大。

在木箱的设计中，若根据树种的不同而分别采用这3条曲线计算，势必会给设计工作增加许多麻烦。既然在规定木材的许用强度是已经考虑到平均值这一概念，所以为简化设计，我们只采用处于中间的B曲线。

此外，再根据《GB J5-1973 木结构设计规范》，受压构件的计算长度等于实际长度乘以下列不同支持点状态条件的末端系数：

·两端铰支： 1.0；

·一端固定，一端自由：2.0；

·一端固定，一端铰支：0.8。

但是，框架木箱立柱的支持点状态条件与上述的不同，《JIS-Z 1403-1984 木质框架式包装箱》认为它属于两端轻度固定，立柱的计算长度等于实际长度乘以0.9，如图14的d)所示。

图14　支持点状态条件

这样，我们就可以将《GB J5-1973 木结构设计规范》的φ值计算式进行修正，然后用于木箱的设计。《GB J5-1973 木结构设计规范》中B曲线的φ值计算式为：

当λ≤78.5时：

当λ＞78.5时：

式中，λ——有效长细比（λ= l / k ）；

l ——立柱长度，cm；

k——回转半径，cm。

式中，I ——截面惯性矩（I = bt3/12）；

b ——立柱截面宽，cm；

t ——立柱截面厚，cm；

A ——立柱截面积，cm2,（A = bt）。

将式（3）分别代入式（1）和式（2）得：

先将式（3）、式（4）和式（5）中的l改为计算长度le，然后将图10的d) le= 0.9 l代入其中，得有效长细比λ：

由上式得到在木箱设计时区分长柱和中柱的长细比为：

由式（4）得，当 ≤25.2时为中柱，其压曲系数为：

由式（5）得，当＞25.2时为长柱，其压曲系数为：

式（6）和式（7）分别乘以木材的许用抗压强度fc就是《GB/T 7284-1987 框架木箱》立柱设计时的许用压曲强度计算公式。其中l是柱的高，即箱的内高；t是柱的厚（立柱的厚加上辅助立柱的厚和箱板厚）。

式（7）和日本框架木箱立柱设计用的公式几乎相同，只是长细比的范围不同而已。如果将式（6）和式（7）和日本、美国所用的计算式进行比较，则如图15所示。

图15　框架木箱设计用的φ — l / t 图

从图15 可以看出，我们《GB/T 7284-1987 框架木箱》用的计算式与日本《JIS-Z 1403-1984 木质框架式包装箱》的计算式相近，比《JIS-Z 1403-1976 木质框架式包装箱》的计算式节省木材，但都不如美国的节省木材。从图15还可以看出《JIS-Z 1403-1984 木质框架式包装箱》的φ — l / t 曲线从短柱到中柱的过渡是一个折线，这是很不合理的；而《GB/T 7284-1987 框架木箱》的φ — l / t 曲线从短柱到中柱的过渡是很圆滑的，是渐变的，是合理的。

2.根据《GB 50005-2003 木结构设计规范》修正《GB/T 7284-1987 框架木箱》木箱立柱设计计算公式

前面已经提到，《GB J5-1973 木结构设计规范》现修订成《GB 50005-2003 木结构设计规范》。其中建筑用的立柱压曲系数计算公式已做了修改。所以，我们在制定《GB/T 7284-2016 框架木箱》时，也必须对木箱立柱设计的计算公式做出相应修改。

《GB 50005-2003 木结构设计规范》的5.1.4条规定，轴心受压构件的稳定系数（即前面提到的φ值），应根据不同的树种强度等级按下列的公式计算：

①树种强度等级为TC17、TC15及TB20：

当λ≤75时：

当λ＞75时：

②树种强度等级为TC13、TC11、TB17、TB15、TB13及TB11：

当λ≤91时：

当λ＞91时：

式中各符号的意义同式（2）和式（3）。

包装用木材的树种一般接近于②的树种强度等级，而且式（11）和式（12）也比较接近于《GB J5-1973 木结构设计规范》中B曲线的φ值计算式（2）和式（3）。所以，我们采用②的树种强度等级的计算公式。

将式（11）和式（12）此两式与式（2）和式（3）比较可知，不但公式内的常数有所变化，而且区分长柱和中柱的有效长细比λ值也有变化，从78.5变成91。所以，我们按前面相同的步骤将式（4）分别代入式（11）和式（12）得：

先将式（4）、式（13）和式（14）中的l改为计算长度le，然后将图9的d) le= 0.9 l代入其中，得有效长细比λ：

由上式得出在木箱设计时区分长柱和中柱的长细比为：

由式（12）得，当≤29.2时为中柱，其压曲系数为：

由式（13）得，当＞29.2时为长柱，其压曲系数为：

式（14）和式（15）分别乘以木材的许用抗压强度fc就是《GB/T 7284-2016 框架木箱》立柱设计时的许用压曲强度计算公式：

当 ≤29.2时为中柱，其许用压曲强度为：

当＞29.2时为长柱，其许用压曲强度为：

式中，fk——柱的许用压曲强度，MPa；

fc——木材的许用抗压强度，MPa；

l ——箱的内高，mm；

t ——柱（包括立柱、辅助立柱和侧板）的厚度，mm。

注意，式（17）和式（18）中的t不仅仅是立柱的厚度，而且还要加上箱板的厚度和辅助立柱的厚度（如果有辅助立柱时），也就是说将紧贴立柱的箱板的与立柱同宽的部分也作为承受堆码载荷的受压构件来考虑。

由于作用于木箱每一个侧面上的载荷为堆码载荷的1/2，所以施加于侧面每根柱的堆码载荷P可由下式求得，见图16。

图16　侧面每根柱的堆码载荷

P（kN） = 【堆码载荷（kPa）×箱的外宽（m）×侧立柱中心距（m）】 / 2

对于上式中的P，立柱、辅助立柱和侧板（取与立柱相同的宽度）所需的截面积（A）按下式计算：

式中，fk是木材许用压曲强度（fk= φ·fc）。因此，侧面每一根柱的许用压曲载荷Pk由下式求出：

本标准文件中附录A的图A.4～图A.8的直线，表示相对于各种尺寸侧面立柱的中心距和箱的外宽，每根柱的堆码载荷P；而曲线则表示相应于各种尺寸箱的内高，许用压曲强度fk与柱的截面积A相乘所得的许用压曲载荷Pk。如何利用这些曲线去设计立柱和辅助立柱的尺寸，在图A.4的注中已有说明，此处不再赘述。

为方便设计，我们将图A.4～图A.8编制成本标准文件中的表11框架构件尺寸代号确定表，表中的框架构件尺寸代号就是从图A.4～图A.8查得的。尺寸代号所代表的尺寸可在本标准文件中的表12查到。

3.日本建筑基准法（1981年实施）和《JIS-Z 1403-2012 木质框架式包装箱》的许用压曲强度计算公式

以下列出日本建筑基准法和《JIS-Z 1403-2012 木质框架式包装箱》的许用压曲强度计算公式以供参考：

①日本建筑基准法（1981年实施）的许用压曲强度计算公式：

短柱：当 λ≤30 时

中柱：当 30＜λ≤100 时

长柱：当 λ＞100 时

②《JIS-Z 1403-2012 木质框架式包装箱》的许用压曲强度计算公式。

式中各代号的意义和前面的相同。

（四）侧面和端面的其他构件

侧面和端面的箱板的厚度在本标准文件的表5中已经列出。

另外，前面在介绍框架结构的尺寸时提到，以前我们的框架木箱既无辅助立柱又无梁承，横梁只靠钉子钉在侧上框木上，以致横梁在储运过程中很容易塌下，损坏内装物。所以，本标准规定要使用梁承。

梁承起支承横梁的作用，它是用钉钉在立柱和斜撑上的，其位置是从侧上框木的上缘算起，仅让出横梁的厚度。它与侧上框木有重叠时，要用钉将两者钉住，见本标准文件的图18。

设计梁承的截面尺寸时，我们将梁承看作是弯曲构件，见图17。横梁作用在位于两侧立柱中间的梁承上，其载荷的大小就是作用在一根横梁上的顶盖载荷，设横梁的中心矩为600mm就可以得出梁承的截面尺寸计算公式，如本标准文件中的附录A的A.3 。为便于设计，本标准将此计算式转化成本标准文件中的图20，其使用方法见该图的注。

图17　梁承的受力情况

六、顶盖

顶盖安装在侧面和端面之上，顶盖的设计首先是横梁的设计。

（一）横梁的设计方法

横梁除承受图3所示的顶盖载荷之外，还要承受如图18所示的起吊绳索的挤压载荷。但是，只要起吊绳索足够长，绳索与箱面的夹角很大，这个挤压力是很小的。所以，横梁承受顶盖载荷时，其所需的截面尺寸要比它承受起吊绳索的挤压载荷所需的截面尺寸大得多。因此，横梁的设计是以承受顶盖载荷的弯曲构件来考的。

图18　起吊绳索对顶盖的挤压

顶盖载荷的大小按本标准的规定，在一级流通环境条件时为4.5 kPa。这时，一根横梁承受的弯曲载荷W如式（19）所示，见图19。

图19　一根横梁承受的弯曲载荷

式中，W —一根横梁承受的弯曲载荷，N；

0.0045—顶盖载荷，MPa；

l1—横梁的长，mm；

l2—横梁的中心距，mm。

因为横梁的长必须满足：

将式（19）代入式（20）中得：

式中，b —横梁的宽，mm；

h —横梁的厚，mm；

l1—横梁的长，mm；

l2—横梁的中心距，mm；

fb—木材的许用抗弯强度，MPa。

最好将横梁的中心距l2定在600mm以下，然后根据式（21）选择对应于横梁的长的横梁的宽b和厚h。

当横梁较长的时候，为节省木材并非整根横梁的截面尺寸都一定要等于式（21）算出的那么大，也可在像前面图A.3所示的滑木那样，在横梁的中部的侧面用钉钉上厚度与横梁相同，而长度为横梁的长的2/3以上的辅助梁，使这部分的横梁达到所需的截面尺寸。

为便于设计，本标准将式（21）转化成本标准文件中的图27，其使用方法见该图的注。

另外，当起吊绳索太短而且箱太宽时，绳索与箱面的夹角太小时，这个挤压力相当大，见图18。这时，需要对横梁进行受压构件的强度核算，同时也应对上框木进行加强，如本标准文件中的图28所示。

对横梁进行受压构件的强度核算时，起吊绳索的水平方向压缩力可参照下述方法求得，如图20所示。

图20　木箱的起吊

设木箱的总载荷（包括内装物载荷和木箱的载荷）为W，起吊角（∠OEC）按《GB/T 5398-2016大型运输包装件试验方法》的规定，试验时为45°（实际装卸时的起吊角一般都比45°大。起吊角越小，绳索的水平方向压缩力越大），起吊钩与顶盖的距离OC = h，箱宽为B，箱高为H，顶盖上两起吊绳索之间的距离DE = X。可以算出起吊绳索OE的张力为，若绳索对横梁的压缩力为P，则：

如果B不变，当X增大时，h增大，从而起吊绳索对横梁的压缩力P降低，当X减少时，起吊绳索对横梁的压缩力P随之而增加，其极限是X小到等于零时，h = B / 2，代入式（22）得：

这是起吊绳索对横梁的压缩力的最大值（当起吊角为45°时），这是绝对不可能达到的，因为X绝对不可能为零。另一方面，考虑到这个本应是箱的总载荷，但因为在木箱设计阶段，即在各构件尺寸还没最后确定时，箱的总载荷是不知道的，所以为设计上的方便，一般情况下绳索对横梁的压缩力可近似地按内装物载荷的1/4计。

知道了这个压缩力的大小之后，就可以参考立柱的设计方法对按本标准文件中第6.3.2条设计出的横梁的截面尺寸进行强度核算，看其是否能抵御起吊时起吊绳索对横梁的挤压力。

这里要提醒的是，有时起吊绳索经过顶盖的位置不一定正好有横梁，很可能是两根横梁之间，这时起吊绳索的横向挤压力可能会将侧上框木挤断。为避免此类事故的发生，可按本标准文件中图28所示的方法加强侧上框木。

（二）顶盖的其他构件

按本标准文件中第6.3.3条的规定，横梁之间有时会有梁撑，但我国过去很少采用。实际上它可以加强横梁的稳定性。再说，对其截面尺寸并没有特别的规定，用方材的下脚料即可。所以，箱宽较大时，最好还是不要嫌麻烦，按标准的规定去做。

连接梁只是B型箱，或A型箱采用B型的顶盖时才有的。

顶板按本标准文件中第6.3.5条的规定。

七、钢钉和螺栓的使用方法

对于木箱的制作，如果不选择适当的钉子或钉钉方法不对，即使木箱设计得很合理，但这个木箱还是抵御不了储运过程中的外力，对这个问题必须有充分的认识。本标准对钉钉的方法有较为详细的规定。只有进行正确的钉钉作业，才能保证木箱的整体强度。

所谓握钉力是指木材对已钉入木材中的钢钉（或螺丝钉）拔出的阻力，即木材对钉子的抗拔力。握钉力的大小与木材的树种、密度、木纹的方向、含水率、钉子钉进后木材含水率的变化等有关，也随钉子的形状、表面特性、直径和钉入深度等而变化。

通常木材握钉力的大小随木材密度的增大而增大，但有的木材容易钉裂，因此对于软的轻的木材可用长点的钉子，对硬的重的木材最好用短点的钉子。

随着钉入深度的增加，握钉力急剧增加。虽然在这限度内最好是尽可能将长的粗的钉子钉得深些，但由于木材的材质、板厚和钉钉位置等因素，所以钉长也有一定的限制。当将木板钉到一个构件上时，随着钉长与板厚之比增加到2，握钉力直线增加，但超过3时就没有多大变化，在3.5倍时大最大值。3倍时的握钉力比2.5倍时约增加20%～30%。所以将木板钉到一个构件上时，钉长一般为板厚的3倍，如图21所示。

图21　钉长与板厚

钉子的形状、表面粗糙度不同，握钉力的大小也不同。钉子表面越粗糙，则握钉力越大。因此，为提高握钉力可采用涂胶钉、刻蚀钉倒刺钉或其他异形钉。钢钉和螺栓的具体使用方法按本标准文件中的第7章的规定。

八、内装物的防护和固定

（一）内装物的防护

内装物的防护包括防水、防潮和防锈，在本标准中没有涉及，但这些方法都有相应的国家标准可以参照，如《GB/T 7350-1999 防水包装》、《GB/T 5048-1999 防潮包装》和《GB/T 4879-1999 防锈包装》，这里只着重提一下防潮包装。

过去我国的防潮包装是很差的，只是放上点硅胶，再罩上个塑料袋，塑料袋与底板上的油毡无法封口，这根本没有防潮的作用。因为塑料袋不封口，外界的湿气可以源源不断地扩散到塑料罩内，使硅胶很快就失效。而且，木箱经太阳一晒，底下的湿气往上蒸，湿气在塑料罩内散发不出去，凝露成许多小水珠，使得塑料罩内湿度反而更大。

今后，必须改变这种防潮材料不封口的做法，不但要放入足够量的硅胶，还要用封口钳（电热钳）焊封防潮材料，并留出一个小口以便将防潮罩内的空气尽可能的抽掉，然后再封口。但也要注意抽气不要抽得太过分，以致内装物的突出部分扎破防潮材料，所以内装物的突出部分最好预先用EPE等缓冲材料包好。有螺栓穿过防潮罩的地方应该垫上气密垫，以防从螺栓穿孔处漏进外界的潮气。封口完成后，用塑料绳将防潮罩缠紧，以防有漏气的地方，外界空气慢慢渗入会使防潮罩腾开，这会吸进更多的外界空气，如图22所示。

图22　防潮包装

再有，为降低木箱内的湿度，包装用木材的含水率应尽可能控制在本标准规定的范围内。而且，为了通风和排水，木箱应该按本标准文件中6.1.2.5条的a)的规定在底板留有间隙，在木箱的侧面或端面按本标准文件中第6.2.5条的规定开有通风窗。

（二）内装物的固定

包装件在储运过程中由于会受到振动、急转弯、紧急制动、风浪或野蛮装卸等而受到冲击。对于脆弱的、较轻的内装物可以用缓冲材料包裹，装在纸箱内然后再固定在木箱内，即采用防震包装或缓冲包装，以防内装物的破损。对于刚性强的大型重型的内装物，则必须将其牢牢地固定在木箱的内部，以防其受到外力冲击时在木箱内发生相对位移，以防内装物的破损。

内装物的固定方式与内装物的质量、结构或状态密切相关，在本标准中难以给出统一的规定。因此，本标准对固定方法只是提出一般性的要求，而没有作出具体的规定。

常用的固定方法有：

a）用瓦楞纸板、木材、胶合板或其他材料衬垫。

b）用螺栓紧固；

c）用钢带、钢丝或其他绳索紧固；

d）用金属材料或木材支撑或压住；

其中，第一种方法一般用于小型、轻型的内装物的固定。在容器的内表面与内装物之间充填泡沫塑料或贴有瓦楞纸板的衬垫。而后3种方法适用于重型大型的内装物。

原《JB/Z 114-1982出口机床包装箱》的附录A（补充件）的机床紧固方法中列有6种紧固方法（螺栓紧固、压杠紧固、吊篮螺栓紧固、挂钩紧固、木块定位紧固和铁箍紧固）都是适用的。图23～图27是从一些资料中摘录的一些固定方法仅供参考。