随着我国经济的高速发展, 现代物流理念和技术逐渐进步, 国内仓储结构取得了长足的发展。其中, 由冷弯薄壁型钢构件组成的自动化立体仓库高层货架[1,2], 被广泛应用于仓库货物的存储。

作为自动化立体仓库的主要承载结构, 横梁式货架 (简称“货架”) 不同于一般意义上的框架结构体系[2], 其受力机理比较复杂和特殊。货架的插接式梁-柱节点具有半刚性[3], 在垂直巷道方向上表现为桁架结构, 沿巷道方向表现为弱框架结构, 当横梁跨度过大或节点刚度过弱时甚至表现为排架体系[4]。此类结构体系, 应用于高层自动化立体仓库时, 其结构安全应受到重点关注。

货架结构主要由冷弯薄壁构件组成, 采用了大量的机械连接方式。此外, 自动化立体仓库运营时, 大量自动化设备穿行于货架结构内部, 设备振动对货架结构造成不利影响。因此, 货架结构在正常使用过程中内部将发生松动滑移现象。而松动将导致结构立柱发生不可逆转的偏移, 造成安全隐患。

近几年来, 我国发生的多次货架重大事故, 对仓储行业造成了很大损失。如2004年郑州陈砦冷库货架发生失稳坍塌事故, 死亡15人;2008年汶川地震, 蒙牛乳业在宝鸡的23 m高自动化库倒塌, 损失惨重。引发这些事故的根本原因还在于未重视设计安全, 且对货架使用过程中变形状态监控不严。

高层货架与高层钢框架类似, 其二阶效应较为突出[5], 因此高层货架结构性能与立柱偏移量密切相关。立柱偏移过大时将导致立柱失稳, 进而引起整体货架连续倒塌。因此, 货架立柱偏移量应得到充分关注, 一旦偏移量超过规定的限值, 应及时采取加固措施来纠偏, 以确保结构安全。

本文通过对某公司自动化立体仓库第1排高层货架进行立柱实际偏移量测量, 得到了整体结构立柱偏移量曲线, 依据相关规范评估偏移是否超限, 接着建立有限元模型, 研究影响货架立柱偏移超限的关键因素。研究结果表明, 货物荷载、背拉预张力和堆垛机作用力均会对货架立柱偏移产生较大的影响。对货架立柱偏移量超限影响因素的研究, 可以为钢货架的结构设计、既有货架结构性能评估、加固改造以及抗震研究提供参考, 具有重要的实际工程应用价值和社会意义[6]。

某公司一自动化立体仓库高层货架系统, 货架总高为29.78 m, 设计承载10 k N/货位, 实际摆放500 k N/货位。其中, 第1排货架共17层、有22列立柱, 其立面如图1所示 (XOZ坐标系的原点取在左下角处) 。其中底层高0.85 m, 第1、第2层层高为1.05 m, 第4、5、7、8、10、11、13、14、16层层高为1.65 m, 第3、6、9、12、15层层高为1.95 m, 第17层层高为2.23 m;每个货位宽1.205 m, 进深1.32 m。本文的分析研究都是针对第1排货架展开的。

该货架立柱采用NH120×95×80×3的开口截面 (图2a) , 抱焊横梁采用□70×50的矩形截面 (图2b) , 背拉采用16的圆钢截面;所有杆件均采用Q235B钢。使用数年后发现, 该排货架的立柱偏移量明显增加, 于是采用满布背拉并把货架与墙体的支撑进行加固。继续使用一段时间后, 货架的立柱偏移量仍不断增加。因此对该排货架的立柱偏移量进行测量, 从而分析出货架立柱偏移超限的影响因素。

图2 立柱和横梁截面   下载原图

a—立柱截面;b—抱焊横梁截面。

图1 第1排货架立面   下载原图

检测货架立柱偏移量一般采用经纬仪测量, 其测量方法如下。

1) 经纬仪位置的确定。测量货架的倾斜变形量时, 摆放经纬仪至货架的间距为固定值X, 要求经纬仪至货架的间距大于货架的宽度。

2) 数据测读。将经纬仪配套的激光靶放置于测量层的柱卡节点处, 利用经纬仪投射的激光进行读数, 所读数据为原始数据Y。

3) 结果整理。货架的立柱偏移量Δ=Y-X。

利用经纬仪对货架进行测量, 得到的立柱偏移情况如图3、图4所示。根据该公司货架使用要求和CECS 23∶90《钢货架结构设计规范》[7], 确定立柱偏移量达到18 mm处于危险状态, 为货架总高度的1/1 667, 达到30 mm处于非常危险状态 (为货架总高度的1/1 000) 。

图3 货架立柱沿巷道方向变形   下载原图

图4 货架立柱沿高度方向变形   下载原图

由图3和图4可知:1) 货架的立柱偏移量已经超限。多个测点偏移量超过18 mm, 有些测点偏移量甚至超过30 mm;其中第1列立柱的偏移量最大达到40 mm, 为货架总高度的1/750, 这已经严重影响了货架和堆垛机的正常使用。

2) 货架立柱出平面变形非常复杂, 沿巷道和高度方向均出现不均匀变形。沿巷道方向的出平面变形基本呈现两端和中部变形较大的特征;沿高度方向, 中、上部的出平面变形较大, 下部的出平面变形较小。

综合现场试验和勘查结果, 经过详细技术研讨, 确定对货架立柱偏移超限影响较大的因素有3个:货物荷载、背拉预张力和堆垛机作用力。

货物荷载直接作用在货架上, 对结构的受力状况和立柱偏移有直接影响。背拉预张力来自于将背拉张紧需要施加的预应力, 使结构产生一定的立柱偏移。在堆垛机运行过程中, 有可能产生较大的偶然局部冲击, 此时导轨横梁会发生一定的变形, 同时产生较大的内力并传递给货架, 对货架产生额外的侧向力, 从而使得货架立柱偏移增大。

该货架的立柱偏移出现超限情况, 是由于装载货物、堆垛机运行等原因使货架发生了不可恢复的塑性变形, 此变形的长期积累会使货架产生较大的立柱偏移量, 从而使立柱偏移超限, 最终影响整个货架结构的安全性能和使用要求。

为了具体分析货物荷载、背拉预张力和堆垛机作用力这3个因素对货架立柱偏移超限的影响, 本文建立了货架结构有限元模型并详细分析了其受力性能。

本文采用大型通用有限元分析软件ANSYS[8]对该货架的受力性能进行详细分析。根据结构受力特点和分析原则, 货架柱、抱焊梁、隅撑横梁采用Beam 188单元模拟, 背拉及水平拉采用仅受拉的Link 10单元模拟, 背拉隅撑横梁和导轨横梁采用可拉压的Link 8单元模拟。

建立的货架结构ANSYS有限元模型如图5所示。

图5 货架结构的有限元模型   下载原图

货物荷载来自货架实际使用值;每个货位都按满载考虑, 即5 k N/货位。

在货物荷载作用下, 货架结构整体变形如图6所示。

图6 货物荷载作用下结构整体变形mm   下载原图

由图6可以看出, 货物荷载作用下, 货架立柱的下部变形较小, 中部变形次之, 上部变形最大。这与现场沿高度方向的测量结果相一致。

在ANSYS平台上, 以背拉张紧作为有限元计算结束的标志, 通过迭代计算得到背拉预张力。

在背拉预张力作用下, 货架结构整体变形如图7所示, 货架立柱的变形如图8所示。

图7 背拉预张力作用下结构整体变形mm   下载原图

图8 背拉预张力作用下货架立柱变形mm   下载原图

由图7可见, 背拉预张力产生的总位移较大;由图8可以看出, 货架立柱的整体变形趋势主要为沿巷道方向, 变形由两端向中间收缩;这与现场沿巷道方向的测量结果相一致。

堆垛机作用力来自现场试验的典型应变-时间曲线的结果, 由导轨横梁应变测量值计算得到, 如图9所示。

图9 现场试验的典型应变-时间曲线   下载原图

在堆垛机作用力作用下, 货架结构整体变形如图10所示。

由图10可以看出, 堆垛机运行过程产生的作用力, 使得货架顶部的平面外变形较大, 表现出立柱顶部受力较大、变形也较大的特征, 这与现场沿高度方向的测量结果相一致。

由图6、图8和图10可知, 在这3个影响因素中, 背拉预张力产生的立柱变形最大, 说明背拉预张力对立柱偏移超限的影响最大。因此货架实际使用时, 应严格控制背拉预张力的大小, 以免对货架的立柱偏移产生不利影响。

图1 0 堆垛机作用力作用下结构整体变形mm   下载原图

5.5 3个因素的共同影响分析

在货物荷载、背拉预张力和堆垛机作用力的共同作用下, 货架结构整体变形如图11所示, 货架立柱的变形如图12所示。

图1 1 3个因素共同作用下结构整体变形mm   下载原图

图1 2 3个因素共同作用下货架立柱变形mm   下载原图

由图11和图12可以看出:与单个影响因素单独作用的情形相比, 在货物荷载、背拉预张力和堆垛机作用力的共同作用下, 结构产生了更为明显的变形, 货架的立柱偏移量更大。可见, 这3个影响因素相互作用, 共同影响结构的空间变形, 使得结构的立柱偏移量增大。

1) 该货架的立柱偏移量已经超限, 其出平面变形非常复杂, 沿巷道和高度方向均出现不均匀变形。沿巷道方向的出平面变形基本呈现两端及中部变形较大的特征;沿高度方向, 立柱中、上部的出平面变形较大, 下部的出平面变形较小。

2) 货物荷载、背拉预张力和堆垛机作用力均会对货架立柱偏移产生较大的影响。其中, 背拉预张力对立柱偏移超限的影响最大, 故货架实际使用时, 应严格控制背拉预张力的大小。货物荷载作用下, 立柱的下部变形较小, 中部变形次之, 上部变形最大。背拉预应力产生的总位移较大, 立柱整体变形趋势主要为沿巷道方向, 两边向中间收缩。堆垛机运行过程中产生的作用力则使得货架顶部的平面外变形较大, 表现出立柱顶部受力较大、变形也较大的特征。

3) 在货物荷载、背拉预张力和堆垛机作用力的共同作用下, 结构产生了更为明显的变形。可见这3个影响因素相互作用, 共同影响结构的空间变形, 使得结构的立柱偏移量增大。