背拉及頂拉對駛入式貨架力學性能影響的研究

廣告 | 點擊查看

摘要：通過ANSYS有限元力學軟件，分別建立了不帶頂拉、背拉的駛入式貨架模型（BASE）及帶頂拉、背拉的駛入式貨架模型（SRS），對其進行力學分析；基于背拉、頂拉的不同布置方式給出合理建議。研究結果表明：設置背拉及頂拉可以極大提高駛入式貨架在垂直門片方向的側向剛度，減小立柱頂端位移；背拉布置建議采用占據8個巷道X型背拉（SRS-B2）或占據4個巷道X型背拉方式（SRS-B3）；頂拉建議采用在巷道兩側及中間布置4道拉桿（SRS-H4）或頂端一圈布置拉桿方式（SRS-H8），此種布置方式能極有效改善立柱的承載性能，減小垂直門片方向的位移，是一種經濟且有效的布置方案。

關鍵詞：駛入式貨架；背拉；頂拉；力學性能

作者：戴永超

史必諾物流設備有限公司

一

引言

伴隨物流行業的迅猛發展，鋼結構貨架作為現代倉儲物流系統的核心裝備，得到了越來越廣泛的重視。其中按照結構類型劃分為橫梁式貨架和牛腿式貨架，橫梁式貨架主要由橫梁、立柱、斜撐組成，在設計上更加靈活和通用。牛腿式貨架也被稱為貫通式貨架，優勢在于高效的空間利用率。駛入式貨架作為典型的牛腿式貨架，憑借卓越的三維空間利用率，成為高密度存儲場景下的主流解決方案，其組成構件主要由門片、頂梁、支撐系統、牛腿、導軌、地軌組成[1]，如圖1～2所示。該貨架采用托盤存取模式，叉車可直接駛入由密集立柱構成的狹窄巷道內執行連續存取作業，顯著提升了單位面積的儲位容量。

圖1 駛入式貨架

圖2 駛入式貨架系統組成

相較于橫梁式貨架結構，駛入式貨架在抗側穩定性方面存在顯著劣勢，由于叉車需直接駛入巷道作業，沿巷道縱向（即貨架進深方向）無法設置水平支撐系統，僅能在貨架頂部設置水平拉桿及貨架背部設置垂直拉桿，這種支撐體系導致結構平面外剛度不足，穩定性較弱，容易引發立柱屈曲失穩并可能發生連續性倒塌[2]。據國內權威機構統計，近十年已發生多起駛入式貨架倒塌事故，有必要對駛入式貨架結構整體穩定進行深入細致的研究，并為駛入式貨架設計提供參考，使貨架結構更為安全、經濟、合理。

二

有限元模型建立

本文采用通用有限元軟件ANSYS，建立考慮幾何非線性與施加初始缺陷后的整體有限元模型，分別對帶背拉、頂拉的駛入式貨架有限元模型及不帶背拉、頂拉的有限元模型進行建模及分析，分析背拉及水平拉對駛入式貨架結構的影響。

1.材料的本構關系

在復雜的應力狀態下，當材料為塑性時，一般采用最大剪應力理論或者形狀改變能理論進行強度評估，后者也稱作Von Mises屈服準則，該屈服準則推導得到的塑性破壞條件參考公式（1）：

立柱采用Q355B，支撐桿件、頂梁、門片連桿采用Q235B，鋼材材性指標見表1。

表1 鋼材材性指標

2.單元的選擇

ANSYS中包含多種單元類型，根據貨架結構受力特性，選取如下三種單元類型進行受力分析：

（1）BEAM188單元：BEAM188單元是基于鐵木辛柯理論，通過S-V（Shear-Vertical）形函數自動計入剪切變形影響，消除經典歐拉梁理論對短粗構件的計算誤差，適用中等短粗和柔細的梁柱結構。BEAM188單元采用七自由度節點定義（含翹曲自由度），精準模擬彎扭耦合效應。采用Green-Lagrange應變度量與共旋坐標更新算法，對于大角度轉動、線性、非線性大應變等問題有很好的效果。駛入式貨架結構中，由立柱、連桿、頂梁組成的立柱片為超靜定結構，其受力形式為受壓或壓彎，截面特性如圖3、圖4所示，表2為駛入式貨架立柱及頂梁的截面指標。

表2 駛入式貨架桿件截面指標1

（注：S為截面面積，I為截面慣性矩）

圖3 立柱截面指標

圖4 頂梁截面指標

（2）LINK8單元：LINK8單元屬于典型的三維桁架單元，其核心特性為僅傳遞軸向拉壓荷載，不具備抗彎能力。該單元每個節點包含三個平動自由度（UX,UY,UZ）。駛入式貨架結構的支撐體系（頂拉、背拉）為二力桿，受力模式符合軸向力主導特征，可以選擇用LINK8單元來模擬，表3為駛入式貨架斜撐、背拉、頂拉的截面指標。

表3 駛入式貨架桿件截面指標2

（注：S為截面面積，I為截面慣性矩）

（3）COMBIN39單元：COMBIN39單元是單向彈簧單元，可定義線性或非線性功能，立柱與頂梁采用的“插拔式”連接節點符合半剛性特征，通過雙線性模型精準模擬節點剛度折減躍遷點。因此采用COMBIN39單元進行分析是合適的。

3.邊界條件

立柱底部通過膨脹螺栓與混凝土基礎錨固，該連接形式可完全約束平動自由度，但受限于螺栓群抗彎能力，難以實現理想剛接。根據GB 50017-2017《鋼結構設計標準》[3]，此類連接屬于典型半剛性節點，其轉動剛度顯著影響結構整體穩定性[4]。本文貨架柱腳通過工廠試驗測得，數據為2x105N.m/rad，立柱底與底座通過高強螺栓連接，安裝方式如圖5所示。

圖5 柱腳底座示意圖

4.荷載作用

每托貨物按照1000kg考慮，在一個巷道內保持貨數與門片一一對應，該模型為7個深度，因此計算采用7托貨進行分析。根據EN15512-2020標準，在進行計算分析時應考慮缺陷的影響，可以通過初始轉動角度或者通過施加等效水平力的方式來考慮，本文通過采取施加水平力的方式來考慮缺陷的影響，參考圖6。參照EN15512-7節[5]，在進行位移計算時考慮恒載和活載1.0的分項系數，在進行強度校核時恒載考慮1.3的分項系數，活載考慮1.4的分項系數，在進行立柱應力比計算時參考公式（2）：

由于立柱上有規則開孔，在計算時按照凈截面進行強度校核。

圖6 等效水平力

三

有限元模型結果對比分析

以4層8跨7個貨物深度的駛入式貨架為例，分別對以下兩個駛入式貨架模型進行有限元分析：（1）未設置背拉和頂拉桿件，模型命名為BASE；（2）設置背拉和頂拉，模型命名為SRS，兩者有限元模型如圖7、圖8所示。

圖7 BASE模型

圖8 SRS模型

分別對Base模型及SRS模型進行有限元分析，并按照立柱應力比計算公式進行計算，分析后的應力比、柱頂位移，如表4所示。

表4 駛入式貨架桿件計算結果

BASE模型的VonMises應力云圖及位移圖如圖9～11所示。

圖9 BASE模型等效應力圖

圖10 BASE模型Ux位移圖

圖11 BASE模型Uy位移圖

SRS模型的VonMises應力云圖及位移圖如圖12～14所示。

圖12 SRS模型等效應力圖

圖13 SRS模型Ux位移圖

圖14 SRS模型Uy位移圖

從表4的計算結果及圖9～14的應力云圖及位移圖可以看出，增加背拉及頂拉對于駛入式貨架的受力性能及撓度改善很好。其中BASE試件在荷載組合作用下，立柱的最大應力比為1.21，其中Ux方向的位移達到15.96mm，Uy方向的位移為0.469mm，而SRS試件的最大立柱應力比僅為0.42，Ux方向的位移也小很多，僅為2.31mm，Uy方向的位移為0.463mm，和BASE試件差別不大。這主要是因為BASE試件在貨架背部和頂部沒有設置背拉及頂拉，在Ux方向的側向剛度僅由立柱及頂梁來承擔，剛度較小，此時貨架為有側移結構，因此Ux方向的位移較大，并且在該方向的彎矩也比較大，由上文立柱應力比計算公式也可以看出這是造成立柱應力比偏大的主要原因。而SRS試件由于布置了背拉及頂拉，在Ux方向的側向剛度大大增強，減小了在該方向立柱的位移。在Uy方向因為立柱之間設置了連接桿，立柱平面內的抗側剛度比較強，兩模型的位移沒有太大差別。綜上述所，建議該類型貨架在實際安裝中在頂部及背部設置頂拉及背拉，可以大幅改善駛入式貨架的受力性能。

四

背拉及頂拉對駛入式貨架力學性能的影響

駛入式貨架的背拉及頂拉布置是其結構穩定承載力的關鍵影響因素之一。然而當前行業內對于支撐體系的布置缺乏統一規范，不同制造商采用的支撐方案存在顯著差異。為確保結構整體穩定性，許多設計傾向于在每個貨物存儲通道的背部及頂部均設置支撐拉桿，這種做法雖然增強了安全性，但也導致鋼材用量的增加和制造成本的上升。因此有必要深入研究駛入式貨架的支撐布置形式，探索如何更有效地發揮支撐構件的作用，在保障結構整體穩定性的前提下，提升結構的經濟性與合理性。

1.背拉布置形式的影響

為探究背拉對駛入式貨架受力性能的影響，參靠第2節建立4層8跨7貨物深度的有限元計算模型。在統一采用頂部拉桿滿拉前提下，針對背部拉桿提出以下五種布置形式，試件名稱及背拉形式參考表5，具體的布置方案示意圖參考圖15～19。

圖15 SRS-B1

圖16 SRS-B2

圖17 SRS-B3

圖18 SRS-B4

圖19 SRS-B5

表5 SRS-B系列背拉布置形式

對上述5種背拉形式進行有限元分析，具體計算結果如表6所示。

表6 SRS-B系列計算指標

根據表6中計算結果，可以得到貨架各項力學性能指標與背拉布置形式的關系如圖20、圖21所示。

圖20 立柱應力比、Ux位移與背拉分布形式的關系

圖21 立柱應力比、Uy位移與背拉分布形式的關系

數據分析表明，配置背拉的貨架結構（SRS-B2～5）在強度性能與撓度控制方面較無背拉結構(SRS-B1)顯著改善。對于沒有設置背拉的SRS-B1模型，在荷載組合作用下立柱應力比達1.18，Ux方向位移達13.2mm，這說明僅設置頂部拉桿不足以滿足穩定性要求，需要與背拉協同工作。隨著背拉數量增加，貨架抗側剛度逐步提升，Ux方向變形得到有效控制，立柱應力比降幅相比未設置背拉試件超50%，Ux方向撓度減小率超70%。從圖20可以看出，隨著背拉數量的進一步增加，對于整體抗側剛度的提高率在減弱，背部滿拉相對僅設置一道背拉立柱應力比僅減小了0.05，Ux方向撓度減小了0.6mm，這說明背部拉桿的存在可以顯著提升縱向穩定性與整體剛度，是保障貨架體系穩定的關鍵要素，但是繼續增加背拉數量帶來的提升效果有限。從圖21可以看到隨著背拉數量增加，沿Uy方向位移先增加后減小，但是整體的位移值均控制在1mm以內，可以忽略其影響。

綜合承載力提升效果與經濟性考量，建議采用方案2或方案3的背拉布置形式。此方案在保證結構安全的前提下，可降低材料用量并減少安裝工時，在保證結構安全的前提下實現資源的高效配置。

2.頂拉布置方式的影響

為探究頂拉布置形式對駛入式貨架力學性能的影響，分別考慮表7中九種形式的頂拉布置方案，各方案支撐布置示意圖參考圖22～30所示。

表7 SRS-H系列頂拉布置形式

圖22 SRS-H1

圖23 SRS-H2

圖24 SRS-H3

圖25 SRS-H4

圖26 SRS-H5

圖27 SRS-H6

圖28 SRS-H7

圖29 SRS-H8

圖30 SRS-H9

對上述9種頂拉形式結構進行有限元分析，具體計算結果如表8所示。

表8 SRS-H系列計算指標

根據表8的計算結果，可以得到貨架各項力學指標與頂拉布置形式的關系如圖31、圖32所示。

圖31 立柱應力比、Ux位移與頂拉分布形式的關系

圖32 立柱應力比、Ux位移與頂拉分布形式的關系

從表8中的計算指標及圖31、圖32可以看出，設置頂拉SRS-H2～9方案與僅設置背拉不設置頂拉SRS-H1結果均有不同程度的提高，立柱應力比最大降幅達63%，巷道方向（Ux）位移最大縮減12.1mm，說明只通過頂梁連接不能有效地限制貨架失穩時引起的側移，設置頂拉能夠有效地提高駛入式貨架的抗側剛度，提高其整體穩定性。結合前文背拉對其駛入式貨架的作用，可以看出單獨設置背拉或者頂拉并不能有效改善其受力性能。

具體查看SRS-H2～9不同頂拉布置形式對貨架的影響各有優劣。如果僅在沿巷道方向設置頂拉，可以一定程度上改善立柱的受力性能，并且減小Ux方向的位移。僅僅單獨設置一道頂拉，立柱應力比從1.02下降到0.78，提高了23.5%，撓度也從14.3減小到10.2，減小了28.7%。隨著頂拉數量的增加，情況改善會更加明顯，當設置4道頂拉時，相對于未設置頂拉有超過50%的提高。在垂直門片方向設置頂拉起到的作用會偏小一些，當僅在背拉側設置一道頂拉時，立柱應力比從1.02減小至0.86，撓度從14.3減小至12.1，提升效果有限，隨著頂拉數量的增加立柱應力比及位移均有小幅度的改善。當僅在頂部設置一圈頂拉時，提升效果比較明顯，立柱應力比從1.02降低至0.50，撓度從14.3減小至4.71。如果頂部全部滿拉，相對僅一圈設置頂拉立柱應力比減小了0.13，沿巷道方向位移減小了2.54，提升并不明顯，在此基礎上增加支撐對整體穩定承載力的提高很小，會造成材料的浪費，增加貨架設計成本。因此，建議選擇SRS-H4及SRS-H8方案，此方案下的頂拉數量適中，并且能極有效改善立柱的承載性能，減小垂直門片方向的位移，是一種經濟且有效的布置方案。

五

總結

針對駛入式貨架穩定性問題，本文建立了帶頂拉、背拉及不帶頂拉、背拉的三維模型并進行有限元分析。分析結果表明，駛入式貨架實際安裝中，在貨架頂部及背部均要設置拉桿，相比未設置頂拉及背拉的貨架，設置拉桿的貨架可以將垂直門片方向的位移從15.96mm減小至2.31mm，立柱應力比從1.21降低至0.42。綜合承載力提升效果與經濟性考量，對于背拉布置形式建議采用SRS-B2方案或SRS-B3方案，這兩種方案均能夠以較低的材料用量，增強貨架結構整體穩定性，實現立柱超50%的承載力提升。對于頂拉布置形式，推薦采用SRS-H4及SRS-H8方案，此方案下的頂拉數量適中，并且能極有效改善立柱的承載性能，減小垂直門片方向的位移。

參考文獻:

[1]楊紅芳.淺談駛入式貨架[J].科技資訊,2010,(27):60.

[2]李曉東,李永錄.鋼貨架結構倒塌實例分析[J].鋼結構, 2012, 27(7):3.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 鋼結構設計標準: GB 50017-2017[S].北京: 中國建筑工業出版社, 2018.

[4]王鵬.冷彎薄壁型鋼結構貨架試驗研究及有限元分析[D].南京理工大學,2006.

[5] British Standards Institution. BS EN 15512:2020. Steel static storage systems. Adjustable pallet racking systems. Principles for structural design[S]. London: BSI, 2020.

———— 物流技術與應用融媒 ————

編輯、排版：王茜

本文內容源自

歡迎文末分享、點贊、在看！轉載請聯系后臺。

廣告宣傳