高层钢货架背拉支撑布置方法研究

2022-05-20张春伟朱宏伟王晓龙

滁州学院学报 2022年2期

张春伟，朱宏伟，王晓龙，朱浩

1 引言

我国“十四五”规划明确提出“加快发展现代物流，完善物流网络”。随着电子商务、制造业、医药业等众多行业的高速发展，货物的接收、入库、储存、拣选、分类、包装、集货和发运等一系列工作越来越依赖于自动化立体仓库的高效运转，而高层钢货架(高度通常大于15m)作为自动化立体仓库中用来存储货物的核心设备，其结构可靠性至关重要。

国内外学者围绕钢货架的构件和节点力学性能、整体力学性能、设计计算方法等进行了大量理论和试验研究。陈文生[1]研究了钢货架多卷边柱的开孔效应，拟合了多卷边柱开孔折减系数K的计算公式；谢昆[2]进行了多温度工况冷弯薄壁钢货架插接式梁—柱节点疲劳性能试验研究，得到了节点关于温度的S-N曲线和几种不同温度下的疲劳寿命计算公式；李成亮[3]系统研究了钢货架柱脚等效刚度与轴力相关性及其对整体性能影响，并建立了3种常用柱脚的精细化有限元模型；唐敢等[4]研究了货物重心及偏心对钢货架抗震性能的影响，发现有背拉钢货架受货物重心影响明显，但受货物偏心影响较小；Nima Talebian等[5]基于有限元方法，准确验证了钢货架横向刚度的试验结果，并且发现螺栓弯曲和支架轴向变形对钢货架剪切变形的影响较大；Firouzianhaji Ahmad等[6]对钢货架进行了足尺模型的振动台试验，研究了钢货架的动力特性和阻尼特性。

由现有研究成果可知，钢货架的力学性能，如刚度、承载力、动力特性等是影响其结构可靠性的关键因素，而背拉支撑体系作为影响高层钢货架力学性能的关键组成部分，相关的研究成果偏少，关于背拉支撑布置方法的研究更是处于空白。目前，在高层钢货架的工程设计中，背拉支撑布置往往基于工程经验和功能需求，缺少理论依据和规范约束，布置不合理、不经济的现象较多。本文研究背拉支撑数量、背拉支撑分布方式对高层钢货架力学性能的影响规律，基于钢货架基本模型探索最优背拉支撑分布方式，总结和归纳高层钢货架背拉支撑布置原则，为工程设计提供理论依据。

2 高层钢货架结构体系

高层钢货架作为一种密集型仓储设备，具有建设周期短、土地利用率高、可利用空间大等特点。受仓库面积限制及堆垛机运行巷道等影响，为达到空间有效利用及货物存取方便等要求，高层钢货架分为单榀和标准榀两种结构形式，如图1所示。其中单榀为单排钢货架，一般靠近仓库墙体，具有单向出货口；标准榀为“背靠背”的双排钢货架，位于仓库内侧，具有双向出货口。

图1 高层钢货架仓库侧立面示意图

背拉支撑体系是高层钢货架结构体系的重要组成部分，一般由背拉、背拉立柱、背拉横梁、隔撑短梁等组成，是限制货架整体结构侧向变形、维持结构稳定性的重要结构体系。背拉支撑体系在单榀和标准榀钢货架中的结构形式略有不同，在单榀中，背拉支撑布置在靠近墙体一侧，如图2所示；在标准榀中，背拉支撑布置在两排货架之间，如图3所示。

图2 单榀钢货架及背拉支撑单元示意图

图3 标准榀钢货架及背拉支撑单元示意图

3 背拉支撑布置方法研究

3.1 基本模型参数

本文选择工程中常见的“12层、21列”高层钢货架(以下称为“基本模型”)为研究对象，其设计参数详见表1～表3，计算工况根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)[7]、《钢货架结构设计规范》(CECS23：90)[8]相关规定，详见表4。本文采用SAP2000软件进行结构计算与分析。

表1 基本模型结构设计参数

表2 基本模型构件与节点属性

表3 基本模型荷载作用

表4 基本模型计算工况

3.2 背拉支撑数量对货架力学性能影响

在基本模型中，取无背拉支撑作为对照组，背拉支撑数量分别为1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21列作为分析组，且将背拉支撑均匀布置，如图4所示(阴影表示背拉支撑所在列，下同)。背拉支撑数量对单榀、标准榀钢货架力学性能影响的计算结果如图5所示。

图4 背拉支撑均匀分布示意图

图5 货架力学性能与背拉支撑数量的关系

分析图5可以得到如下结论：

(1)由(a)(c)(d)可知，增加背拉支撑数量，可以提高货架刚度，但当背拉支撑数量超过7列时，变化趋势趋于平缓；取最大层间侧移角限值为1/250，当背拉支撑数量达到3列时，单榀、标准榀货架的最大层间侧移角分别可以满足设计要求；

(2)由(b)可知，相比于对照组，布置1列背拉支撑时，货架最大立柱应力比突增，该现象是由背拉支撑中隔撑短梁的竖向偏心使其与立柱连接处产生较大的弯矩，使立柱局部内力突增引起的。随着背拉支撑数量进一步增加，最大立柱应力比不断减小。取工程设计中常用的阈值0.95，则背拉支撑均匀布置时，单榀、标准榀钢货架中分别至少布置9列、15列背拉支撑时，最大立柱应力比可以满足设计要求；

(3)由(e)可知，当背拉支撑均匀布置时，单榀、标准榀货架分别布置至少9列、13列背拉支撑，可以使货架成为无侧移结构体系，此时立柱的计算长度系数减小，最大立柱应力比计算结果下降趋势明显。

因此当背拉支撑均匀布置时，综合考虑各项力学性能指标的设计要求，同时使基本模型成为无侧移结构体系，单榀、标准榀货架的最优背拉支撑数量分别为9列、13列，此时标准榀货架的最大立柱应力比略超限，可以通过截面选型进行控制。

3.3 背拉支撑分布方式对货架力学性能影响

在基本模型中，分别取背拉支撑数量为5列、6列、7列，探索背拉支撑数量不变时最优的背拉支撑分布方式。

3.3.1 5列背拉支撑

在基本模型中布置5列背拉支撑，按照最大连续布置背拉支撑数量由少到多，整体分布由疏到密的规律，可分为“1-1-1-1-1”“2-1-2”“1-3-1”“5”共4类7种不同的分布方式，如图6所示。不同分布方式对货架力学性能影响的计算结果如图7所示。

图6 5列背拉支撑不同分布方式汇总

分析图7可以得到如下结论：

(1)由(a)(c)(d)可知，货架刚度随背拉支撑分布方式的变化趋势呈“阶梯状”：当最大连续布置背拉支撑数量增加时，货架刚度随之增加；当最大连续布置背拉支撑数量相同，但整体分布由疏到密时，货架刚度变化不明显；

(2)由(b)可知，增加最大连续布置背拉支撑数量、“集中”分布背拉支撑，整体上可以减小最大立柱应力比，但当在货架边缘连续布置2列背拉支撑时(分布方式3)，最大立柱应力比出现局部增大；

3.3.2 6列背拉支撑

在基本模型中布置6列背拉支撑，按照最大连续布置背拉支撑数量由少到多，整体分布由疏到密的规律，可分为“1-1-1-1-1-1”“1-2-2-1/2-1-1-2”“3-3”共3类13种不同的分布方式，如图8所示。不同分布方式对货架力学性能影响的计算结果如图9所示。

图9 货架力学性能与背拉支撑分布方式关系(6列背拉支撑)

分析图9可以得到如下结论：

(2)由(b)可知，增加最大连续布置背拉支撑数量、“集中”分布背拉支撑，整体上可以减小最大立柱应力比，但当在货架边缘连续布置2列背拉支撑时(分布方式3～4)，最大立柱应力比出现局部增大；

(3)由(e)可知，单榀货架最大连续布置至少3列背拉支撑(分布方式11～13)，可以使货架成为无侧移结构体系，但标准榀货架在所有背拉支撑分布方式中均为有侧移结构体系，分析其原因易知，当考虑对称性时，在21列(奇数列)货架中布置6列(偶数列)背拉支撑，最大可连续布置的背拉支撑数量仅为3列，该数量不足以使标准榀货架成为无侧移结构体系，因此在奇数列货架中布置偶数列背拉支撑不够经济合理。

3.3.3 7列背拉支撑

取系统适用性溶液进样测定，在上述色谱条件下，理论板数按度洛西汀计为6 255，度洛西汀峰与杂质Ⅴ峰、杂质Ⅲ峰及杂质Ⅷ峰之间的分离度分别为 2.32，3.36 和 11.48。

在基本模型中布置7列背拉支撑，按照最大连续布置背拉支撑数量由少到多，整体分布由疏到密的规律，可分为“1-1-1-1-1-1-1”“1-1-3-1-1”“2-3-2”“1-5-1”“7”共5类9种不同的分布方式，如图10所示。不同分布方式对货架力学性能影响的计算结果如图11所示。