组合式钢结构货架荷载能力分析

2021-07-28张贤根宦朋松

机械管理开发 2021年6期

张贤根，黄彬，宦朋松

（中天科技精密材料有限公司，江苏南通 226500）

引言

随着工业4.0到来，制造业工厂大力推进智能制造，而智能仓储作为物料存储智能升级的必备选择[1]，货架又作为智能仓储关键部件，其结构强度、安全性、稳定性要求越来越高。目前我国多是对组合式钢结构货架进行静力学分析研究，在不断地推广钢结构货架的应用的发展环境下，货架的抗震设计需纳入考虑[2]。为保证货架结构设计的最优性，工程设计人员需借助力学知识和有限元分析，对货架关键部分进行力学分析，以满足关键承载要求。

1 组合式钢结构货架结构

组合式货架主要部分有立柱、横梁或牛腿、背拉、水平拉杆以及顶梁等部分组成，通常设计货架长度不小于20 m，高度不小于5 m，存储货物层数不小于2层。高层组合式钢结构货架长宽比较大，形成所谓的“瘦长型”，结构强度上纵向强度强于横向强度[3]，本工程设计货架长度为23 m，高度为8 m，详细货架信息见表1。

表1 货架基本信息

2 货架荷载性能分析

2.1 恒荷载

恒荷载是指货架自重，在有限元分析软件中详细标注出货架构件实际密度，在加载过程中只需要根据其实际密度施加重力加速度。

2.2 活荷载

活荷载是指在货架实际应用过程中，每层货架需要承受的荷载，在建模过程中，可以根据货物存储位置计算货架活荷载位置，然后根据货物重量将集中力分散在横梁上。在实际计算过程中，需要考虑货物不同摆放情况[5]。

2.3 地震荷载

在计算地震荷载时，参考《钢货架结构设计规范》，在计算时需要考虑X向水平地震力和Y向水平地震力。具体计算步骤如下：

1）设计反应谱（见图1），参照《建筑抗震设计规范》中的保准设计反应谱，a为水平地震影响系数。

图1 设计反应谱

2）参考下页表2计算Tg值。

表2 Tg值 S

3）根据下页表3，结合地震强度，可以得出amax的值，amax为最大水平地震影响系数。

表3 水平地震影响系数最大值amax

4）根据相关标准计算货架结构水平地震影响系数a1，主要分为如下三种情况：

5）根据相关数据计算货架结构总重力荷载代表值GE与货架结构等效总重力Geq：

式中：GE为重力荷载代表值；GK为结构构件、配件的永久荷载标准值；QKi为有关可变荷载标准值；φEi为有关可变荷载的组合值系数。

6）计算各层水平地震力Fi：

式中：FE为货架结构总水平地震作用标准值，FE=a1Geq；Gi为货架结构第i层重力荷载代表值；Hi为货架结构第i层计算高度。

3 货架有限元性能分析

3.1 货架计算工况与荷载组合

钢结构货架的计算工况包括三种，各工况的载荷组合见表4，接下来本文将对货架在正常工况和地震工况下分别从位移和应力的方向对组合式钢结构货架进行分析。

表4 载荷组合表

3.2 荷载组合一的有限元分析

在正常工作状态下的有限元分析，对货架的载荷加载，其载荷主要为货物活载荷、竖向冲击载荷以及自身重量产生的载荷。

根据分析结果（图2）可以看出，在正常载荷下，货架最大的位移范围为1.457 mm，货架整个产生的应力也不超过100.133 N，小于材料设计值234.651 N，说明货架结构设计满足应用要求。

图2 荷载组合一位移及一应力图

3.3 荷载组合二的有限元分析

在地震状态下产生X向水平地震力作用下，对货架的载荷加载，其载荷主要为货物活载荷、竖向冲击载荷、自身重量产生的载荷以及X向水平地震力。

通过分析结果可以看出（图3），在载荷加载下，货架最大的位移范围为3.739 mm，货架整个产生的应力不超过202.883 N，小于材料设计值234.651 N，说明货架结构设计满足应用要求。

图3 荷载组合二位移及二应力图

3.4 荷载组合三的有限元分析

在地震状态下产生Y向水平地震力作用下的有限元结果分析，对货架的载荷加载，其载荷主要为货物活载荷、竖向冲击载荷、自身重量产生的载荷以及Y向水平地震力。

通过分析结果可以看出（图4），在载荷加载下，货架最大的位移范围为5.244 mm，货架整个产生的应力不超过195.901 N，小于材料设计值234.651 N，说明货架结构设计满足应用要求。

图4 荷载组合三位移及三应力图

3.5 货架稳定性校核

通过对比三组载荷情况下货架的有限元分析的结果，可以得出荷载组合二的应力极限最大，在此情况下对其稳定性进行分析校核，校核分两个方面：一个是立柱部分，另一个是构件部分。最大载荷立柱应力需求为206.195 MPa，小于立柱强度设计值为234.651 MPa，设计安全富余量为12%。所有构件应力核对全部在设计范围内，说明货架设计满足要求。