货架安全典型问题分析

2020-11-26王拓

商品与质量 2020年39期

王拓

上海稳图货架安全检测技术有限公司江苏苏州 215332

货架作为一种物流存储设备，在物流的仓储环节发挥了重要作用。当前物流业在全球范围内发展迅速成熟，为了充分利用仓储空间，货物一般通过高位货架存储，少则5-10 米，多则20-30 米的立体货架成为市场主流。在高度越来越大的同时，货架的安全问题也日益显现。货架属于存储设备，需要配套专门的搬运设备进行货物的存取。搬运设备运行过程中，不可避免地同货架发生相互作用，比如碰撞，会导致货架构件的损坏，从而导致货架的承载力降低，稳定性变差，甚至发生倒塌。货架的倒塌一旦发生，会引起连锁反应形成连续性倒塌。最近几年国内货架产品质量监督抽查中，出现不合格的原因主要集中在原材料不合格、产品抗压性能不符合标准方面，并且全国范围内也发生过多起货架倒塌致人伤亡事件[1]。

1 货架连续性倒塌

货架是与搬运设备配合使用的。大部分货架都配备叉车，由于误操作导致叉车撞击货架几乎是不可避免的。但是叉车撞击引起的偶然荷载，在货架结构设计标准中却没有考虑（比较成熟的欧洲货架设计标准EN15512 中，给出的叉车存取货时的放置动载，反映的是叉车操作良好的情况。对于配备叉车作业的货架，其设计中并未考虑叉车的撞击作用），原因在于货架的立柱与横梁等主要受力构件为冷弯薄壁型钢构件，根本不能抵抗如此大的水平力（EN1991-1-7 中规定的仓库建筑立柱必须能承受的叉车撞击水平力约250kN）。到目前为止，所有货架设计都不考虑此撞击力，也就是说，货架是不抗叉车撞击的。如果考虑的话，那么结果就是单个储位的货架造价直线上升，势必对仓储物流行业造成严重影响。因此，一撞就倒的货架，设计不一定是不足的，设计符合标准的货架，一撞也有可能倒。受到撞击而不倒的货架，设计也不一定就符合标准，设计不足的货架受到撞击也可能不倒。

1.1 什么情况下货架受到撞击会/不会倒塌？

立柱受到撞击发生破坏失效，才会引起货架倒塌。问题转化为，什么情况下撞击会导致立柱破坏失效？任何撞击变形都会造成立柱承载力一定程度的降低，从而降低安全水平。

但是实际中存在有利因素可以减缓立柱破坏失效：

货架构件的钢材实际强度大于由规定的钢材等级要求的最小值（设计采用的钢材强度）（比如高达15%）；

实际总的托盘荷载小于规定的设计值，某些情况下相差很大，即储位使用率未达到100%，抑或单托盘承重远低于设计值；

制造与安装精度优于规定值；

选材时的承载力计算人为偏于保守。

对于一根符合设计标准要求的立柱，当发生有限的撞击变形时，其承载力可能会降低40%，撞击后的安全系数计算示意如下：

(撞击后的承载力)×(设计荷载分项系数)×(提升的钢材强度)/(撞击后的实际承受荷载)

因此，撞击后的安全系数=（1.0-0.4）×1.4×1.15/0.8=1.21。撞击后的安全系数1.21 小于原设计安全系数：（荷载分项系数）×（材料系数）=1.4×1.0=1.4，但是仍然大于1.0，立柱不会立即破坏失效。然而，如果减缓立柱破坏的有利因素没有同时出现，那么撞击后的安全系数大约为：（1.0-0.4）×1.4=0.84，小于1.0，因此立柱很可能会发生破坏从而失效[2]。

1.2 货架倒塌为什么是连续性的？有没有什么阻断措施？

结构连续性倒塌是指结构因偶然荷载造成结构局部破坏失效，继而引起失效破坏构件相连的构件连续破坏，最终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏。连续性倒塌的后果很严重，起因与损失不成比例。货架结构，由于自身特点，易发生连续性倒塌。

首先，货架结构冗余度较低，没有多余构件，单根立柱失效后，没有形成新的可靠的传力路径，荷重从失效立柱向相邻立柱传递，马上超载严重引起新的立柱失效，然后通过横梁扩展开来。其次，货架都是密集布置（货架高度相对巷道宽度大很多），一列货架的倒塌很难不波及相邻列的货架，掉落的货物成为新的撞击荷载。

连续性倒塌在建筑结构中研究得较为深入。结构设计中有所谓的“保险丝”概念，即让特定的构件在特定的条件下发生破坏，退出结构体系，从而阻断破坏的发展。对于货架结构而言，能起到保险丝作用的可能是横梁与立柱连接的位置，即梁柱节点。如果某座货架倒塌时，横梁与立柱能及时分离，那么就有可能阻断连续性倒塌。当然这仅仅存在于理论层面，实际设计还达不到如此精准。

2 货架梁柱节点安全插销设计

对于横梁式货架，叉车搬运存储单元时，如果提升太高就会碰到其上层横梁，从而对横梁施加向上的推力。横梁式货架设计中，要求在梁端挂片与立柱间设置一个安全插销，当偶然推力传递到梁柱节点时，由安全插销的抗剪切力抵抗，从而防止横梁从立柱孔中脱出。

安全插销设计为抗剪件，标准规定应至少能抵抗0.5 吨的剪力。而实际上，大多数生产制造商的产品的抗剪力基本都在0.5 吨到1.0吨之间。考虑到大部分叉车施加的偶然向上力引起的剪力都会超过此值，安全插销的设计理念是在偶然超标力的作用下允许其剪断或失效，横梁从立柱孔中脱出。这样事故的后果就会仅限于一组存储单元的塌落。如果横梁不能从立柱孔脱出，那么后果就是将立柱孔壁撕裂，从而导致整根立柱的破坏，接着引起与该立柱相连的所有横梁的垮塌，再传到相邻的立柱继而沿巷道方向整列货架倒塌形成连续性倒塌。

因此，安全插销的抗剪能力既要满足标准的最低要求以保证横梁不能随意脱出，又要满足在较大偶然力作用下能保证横梁脱出避免破坏立柱。各货架供应商应保证自己产品的具体设计、构造满足要求。货架安全检测发现安全插销缺失后，应使用货架供应商的原装安全插销，而不建议使用其他厂商的安全插销甚至是螺栓代替。

3 货架节点疲劳

钢货架结构的承载横梁两端一般通过焊接挂片，挂片上的挂齿插入立柱孔与立柱连接。由于此类节点的重要性，加工工艺的多样性以及理论设计的复杂性，一般是通过测试确定其承载能力与特性，安全储备较大（按照安全系数来讲，可能达到2.0）。然而在实际中，经常遇到横梁破坏前无任何征兆，在某次操作过程中突然发生摔货的现象。当然，引起破坏的原因可能有材料问题、加工工艺问题、安装造成损坏、设计不足、超载以及操作不当等等。然而本文要讨论的是排除所有这些非正常原因后，还可能产生的破坏：疲劳破坏[3]。

根据材料破坏前所经历的循环次数(即寿命)以及疲劳荷载的应力水平，疲劳又可以分为高周疲劳、低周疲劳和亚临界疲劳。高周疲劳是材料所受的最大交变应力远低于材料的极限强度，甚至只有极限强度的二分之一左右，破坏前的循环次数大于10^3 次，通常用S-N 曲线描述材料高周疲劳特性。低周疲劳是指材料所受的应力水平较高，通常接近材料的极限强度，断裂前循环次数较少，一般少于10^3，每次循环中塑性变形较大，低周破坏是塑性变形累积的结果，因此又把低周疲劳称为塑性疲劳。

伴随着货物的存取，货架结构承受着加载与卸载的循环作用。而受单个存储单元存取直接影响的构件就是横梁及梁端节点。在正常使用中，梁端节点的应力水平不高，如果发生疲劳破坏，应该是高周疲劳。疲劳破坏属于脆性破坏，在破坏前无明显征兆，比较危险，在结构设计中应尽量避免。货架梁端节点发生疲劳破坏的概率与实际加卸载频率和节点本身的疲劳寿命有关。不同吞吐能力的仓库、不同功能用途的货架、不同位置的横梁，加卸载的频率不尽相同。中转位置的频率高一些，存储位置的频率低一些。这是一个统计问题。而节点本身的疲劳寿命，则由节点的材料、设计构造、加工工艺、安装精度、使用状况等因素综合决定。目前所有货架设计规范中都没有给出具体的设计规定，原因之一在于研究的欠缺。

东南大学尹凌峰教授团队对某厂家的钢货架结构梁端节点进行了疲劳试验研究，研究包括两类不同构造的节点：设置安全插销的节点与设置螺栓的节点。在正常使用工况模拟下，设置安全插销的节点破坏模式为挂片正面冲孔角点上的脆性破坏，疲劳寿命约2.2万次；设置双螺栓的节点破坏模式为梁侧上端裂缝的出现并发展，疲劳寿命约18 万次。从这一角度来看，增设螺栓改善了节点的疲劳特性，对节点的受力是有利的。