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鋼結構貨架的系統分析

發布日期:2019-06-14 瀏覽次數:331

貨架鋼結構系統的分析

貨架鋼結構系統的設計分析過程是非常復雜的。如果設計不恰當,或者會浪費材料,增加自重,提高成本;或者會因局部結構強度不夠而埋下安全隱患。由于超靜定桁架結構、靜定桁架結構或鋼架結構是貨架鋼結構中的主體形式,其中超靜定桁架結構的優化設計屬于離散變量的優化設計問題,設計變量的離散性給數學規劃的設計方法帶來很大困難,目前對于較復雜的貨架鋼結構系統多采用專用分析軟件或有限元分析技術、實際承載模擬試驗以確定貨架結構體的實際工作特性,以確定其設計荷載、結構體細節設計等。


貨架結構的幾何構造原理及力學分析

貨架鋼結構的幾何構造滿足最基本的三角形規律,且實際結構在承載情況下的力學計算也很復雜,特別是在實際應用中會呈現比較復雜的空間結構體系以承受各個方向可能出現的荷載,因此可以在忽略一些次要的空間約束的前提下,將實際結構分解為平面結構。

1、貨架立柱、橫梁、支撐等組件的截面幾何尺寸(包括寬度、板料厚度)比其長度尺寸要小很多,如:一般貨架立柱的截面尺寸為30×30mm~150×120mm不等,其節點長度尺寸在300mm~1200mm之間,基本比例在10倍以上;支撐的長寬比更大,有時可超過100倍,故可將貨架結構中的組件作桿件簡化處理。

2、組裝式貨架立柱與橫梁之間的連接形式可以看作一種半剛性的連接,一般按照鉸接方式處理。其實鉸節點是組裝式貨架鋼結構中的主要節點形式,對于焊接式貨架體系需要作部分剛節點考慮,實際上貨架鋼結構在任何荷載作用下,若不計桿件的變形,其幾何形狀與位置均保持不變,也可將貨架結構簡化為鋼架結構或桁架結構,這也是貨架鋼結構體可以用有限元進行分析處理的力學基礎。

3、貨架鋼結構一般為超靜定結構,由于部分結構組件存在大變形,需要通過超靜定結構來增加約束,并通過一定的結構簡化手段將靜定結構的內力計算問題轉化為每個個體組件“桿”的內力計算問題。超靜定結構的全部內力和反力僅靠平衡條件計算不出,還必須考慮變形條件;如在力法計算中,多余未知力由力法方程(變形條件)計算。再由M=∑MiXi+MP疊加內力圖。如只考慮平衡條件畫出單位彎矩圖和荷載彎矩圖,Xi是沒有確定的任意值。因此單就滿足平衡條件來說,超靜定結構有無窮多組解答。

超靜定結構的特點在于:

(1)超靜定結構的多余約束破壞,仍能繼續承載,具有較高的防御能力。

(2)超靜定結構的整體性好,內力較均勻且峰值小。

(3)超靜定結構具有較強的剛度和穩定性,從根本上滿足了貨架的基本應用力學原理。

超靜定結構的內力與材料的物理性能和截面的幾何特征有關,即與剛度有關。在設計貨架鋼結構系統時需事先假定各組件的截面尺寸和選用的材料特性、厚度系列等,才能求出內力;然后再根據內力重新優化選擇組件截面特性等設計參數;另外,也可以通過調整各桿剛度比值達到調整內力的目的,以改善某些薄弱環節的結構性能,提高貨架鋼結構設計規劃中的性價比。若在實際計算中不考慮結構組件的變形,還可以進一步簡化為桁架結構,因為超靜定結構的整體性比靜定結構好,內力較均勻且峰值小,結構剛度和穩定性都有所提高,此為偏安全性考慮;從簡化處理的角度可以用平面靜定結構來替代;采用節點法或截面法來計算結構中各組件的軸力,并利用相關計算原理和方法對各組件進行承載性、剛性和穩定性等的校核及優化設計。針對以上方法也可采取一般的結構計算程序或相關有限元軟件進行輔助設計分析,并進一步優化實際的貨架鋼結構系統。

貨架鋼結構荷載及荷載效應的分析

貨架的荷載分為恒荷載、貨架活荷載、豎向沖擊荷載、水平荷載以及風載、屋面活荷載(或雪載)和地震作用。貨架結構設計應按上述荷載效應的最不利組合設計。   實際上可以將貨架各組成件簡化為軸線,上述荷載在一定程度上可以進行軸力簡化處理。其中恒荷載指貨架結構的自重;活荷載指擱置在貨架結構上的貨物和貨箱(或托盤)的重量;豎向沖擊荷載指儲運機械存放貨物時產生的對模梁的沖擊力,通??扇∫粋€貨箱或托盤(含貨物重)靜載設計值的50%考慮;作用于組裝式貨架結構的水平荷載指由貨架結構構件的初彎曲、安裝偏差、荷載偏心以及儲運機械的輕度碰撞等引起的水平力;貨架結構的抗震設計可僅考慮水平地震作用的影響,不計豎向地震作用。

貨架鋼結構設計方法:

傳統的貨架鋼結構設計的整個過程是基于手工設計完成的,分為初步設計與技術設計兩個階段。隨著計算機技術的發展,可以利用CAD軟件提供的復合建模功能,探索貨架設計規劃新方法,或開發專用貨架軟件包,以縮短設計規劃周期,降低開發成本。有限元輔助分析手段是把貨架系統實體(或圖紙)抽象為一組由力學元件構成的模型,把貨架單元轉換成能為計算機接受的計算模型,同時給出載荷及支持狀態的數學描述。

在貨架鋼結構簡化過程中的原則是:

在盡可能如實地反映結構體的主要力學特性的前提下,力求用較少的單元和簡單的單元形式來表現;在滿足貨架鋼結構構件剛性與主架連接的可靠性的前提下,力求減輕主架立柱的自重或減薄材料尺寸,如:在高架庫中采用貨架立柱分段厚度控制方法,即上部可選擇1.8mm厚度材料、中部選擇2.0mm厚度材料、下部選擇2.3mm厚度材料,或合理選擇橫梁規格與立柱規格,以獲得最佳的設計效果、最優的經濟效益。

冷彎薄壁多孔貨架立柱壓桿穩定性分析

貨架立柱多采用冷彎薄壁多孔結構,且通過多折面截面形式來提高貨架的屈曲后實際承載能力?!朵撠浖芙Y構設計規范CECS23:90》中規定,若孔位于板件的無效部位,此開孔板件的有效寬度可按相應無孔板件的有效寬度取用;若孔位于板件的有效部位,則此開孔板件的有效寬度可按相應無孔板件的有效寬度扣除位于有效區內的孔寬取用。冷彎薄壁多孔立柱是貨架鋼結構體系中最復雜的構成組件之一,其彎扭失穩問題一直是貨架鋼結構設計的關鍵問題,直接決定了貨架鋼結構體系的設計、計算復雜程度,其他冷彎結構組件可直接應用《冷彎薄壁型鋼結構技術規范GB50018-2002》中的原理和方法處理,依據相關試驗結果進行全截面有效的冷彎型鋼貨架結構的受拉、受壓或受彎構件的強度校核,力求在貨架新產品的設計開發初期就進行有限元分析或計算;或根據該規范的有關規定,結合冷彎薄壁多孔貨架立柱的特點,計算全截面有效的冷彎型鋼貨架結構的受拉、受壓或受彎構件的強度。 當偏心彎矩作用于對稱平面時,除應按《冷彎薄壁型鋼結構技術規范GB50018-2002》中的第5.5.2條計算彎矩作用內的穩定性外,還應按其中的公式5.5.2計算其彎矩作用平面外的穩定性。

組合式貨架橫梁承載的計算       貨架體系是一個三維空間桁架結構,但在計算橫梁承載時可以把計算模型簡化為平面模型,且橫梁的跨度遠大于其截面尺寸。根據材料力學的相關理論可以將其簡化為梁單元體,通常的處理方法是把梁的兩端作為鉸支或半鉸支來處理。然后根據設計圖紙確定基本橫梁的截面特性參數,確定基本判斷標準為平面內或者空間中的撓度值不超過梁總長的1/200,安徽貨架步瑞貨架公司最后采用《冷彎薄壁型鋼結構技術規范GB50018-2002》、《鋼貨架結構設計規范CECS23:90》、《鋼結構設計規范》GB50017-2002進行驗算設計,或通過有關鋼結構軟件進行設計校核。橫梁的實際受力效果是部分鉸支加部分固支,鉸支或固支可以由標準力學模型分別獲得橫梁的撓度值;針對不同的橫梁與立柱的連接結構,通過標準試驗來測得鉸支效應和固支效應的比例;進行力學效應疊加計算,可以得到接近實際的橫梁變形特征,在獲得橫梁的最大變形量限制后,采用應力法和撓度法計算梁的最大承載。

貨架鋼結構體系穩定問題的可靠性分析

一個貨架鋼結構單元系統由若干基本元素(零件)組成。在系統分析中主要確定對貨架鋼結構體系穩定性的可靠性元素和貨架鋼結構系統的可靠性結構,從而計算整個貨架鋼結構體系穩定性的可靠度。根據貨架基本鋼結構組成并采用價值分析方法中的A、B、C分類法,可以把貨架鋼結構的零件分為A、B、C三類:

A類:直接影響貨架鋼結構的整體穩定性,貨架鋼結構設計應用風險較大,設計制造的成本高。如貨架立柱及其不同的冷彎結構件、橫梁、擱板、拉桿或支撐桿等。

B類:間接影響貨架鋼結構的整體穩定性,貨架鋼結構設計應用風險一般,設計制造的成本低,易更換。如立柱底座的結構、安全扣銷、緊固件等。

C類:一些輔助部件,無關緊要,影響很小。如調整墊片、立柱端蓋等。    由此確定貨架鋼結構體系穩定性的可靠性元素為立柱、橫梁、拉桿、擱板等,并對它們各自的穩定性失效可能進行FMEA分析。

貨架鋼結構的可靠性設計規劃方法、貨架鋼結構的優化設計等,在貨架鋼結構設計的整個過程中都應該強調“概念設計”,它在結構選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規范未規定的問題,可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想,從全局的角度來確定控制結構的布置及細部設計。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇,并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時,它也是判斷計算內力分析輸出數據可靠與否的主要依據方法。

其他因素分析

貨架鋼結構系統的設計規劃過程涉及的因素很多,從貨架鋼結構的選材、貨架結構部件的生產制造工藝與力學設計結構的符合性、具體貨架單元的數學模型的建立及其簡化思路、研究試驗標準的建立和有效數據的收集整理等,到新技術、新工藝及新的分析應用軟件的使用等方面,均對貨架鋼結構系統的應用起到了良性推動作用.


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