摘要：介绍了组合重型货架货架结构的结构构造；结合竖向框架立柱的构造、受力特点及现行相关规范，分析了钢货架结构中格构式立柱、梁及其它构件的强度与稳定性的计算方法，进一步探讨组装式钢货架结构的稳定性分析与计算的理论依据和计算，并叙说了采用计算机辅助设计与分析手段进行货架结构稳定性分析与计算的便捷性和可靠性。

　　关键词：组合重型货架 格构式立柱 结构稳定性

　　1、 概述

　　组合重型货架系统的稳定性分析与相关计算一般可分为两个阶段，第一阶段对货架钢结构整体及可分解单元进行应用环境、结构和力系分析以确定各组成构件的连接节点形式、荷载及内力、位移及应力应变等的分布状态；第二阶段对各构件进行设计验算或试验验证，以保证构件及其结构具有足够的极限承载能力和稳定性，且在正常使用极限状态下不会发生超限量变形；货架钢结构的稳定性、安全性设计，应综合考虑货架结构的使用要求、操作搬运设备的性能及控制方式、荷载类别、货架制作材料的供应及加工工艺，货架的安装条件等因素，合理选择材料、结构形式、连接方式和构造加固措施，将理论计算与相应的足尺荷载试验进行验证，或通过有限元、钢结构设计软件等辅助设计手段加以修正和结构优化，以满足客户的实际需要。

　　应用广泛的货架形式主要有托盘式货架、驶入式货架、搁板式货架、重力式货架、压入式货架、阁楼式货架、悬臂式货架等，其结构一般由若干竖向框架立柱结构以及若干层与竖向框架立柱相连接的横梁、悬臂或搁板结构等组成，组合式钢货架也称为组装式货架，其结构是一个典型的三维空间梁柱结构组合体，多指组成钢货架的横梁、悬臂或搁板等与立柱间采用机械式锁紧装置连接（为半刚性连接）或螺栓连接且与建筑物分离的可拆装组合的钢货架结构，这种特殊的货架梁柱连接结构使得货架介于刚架和桁架两个结构力系模型之间，从安全考虑，应倾向于桁架模型，且这时的桁架是平行四边形结构，理论上不具备侧向承载能力，于是单根立柱或格构式立柱的承载能力便起重要作用，对其结构的研究和承载试验也成为货架结构分析研究的重点和难点，且立柱的承载能力主要由其稳定性所决定，其中货架立柱的承载性、刚性及稳定性是最重要的货架结构选型参数，其次才是相应的结构配套部件的单体强度、刚性及稳定性；这也是本文论述的重点。

　　2、 货架立柱的格构式构造特点与相关计算长度的确定

　　2．1 货架立柱的格构式构造

　　组合式钢货架的竖向框架立柱结构通常由本文所述的格构式结构体为典型代表，主要由柱肢（框架立柱）与腹杆(横、斜撑)组成，框架立柱多采用单轴对称冷弯薄壁多孔截面型钢柱构件（如图1），横、斜撑多采用C型截面的冷弯型钢或其它截面的冷弯型钢，框架立柱与横、斜撑通过螺栓连接和固定形成单斜杆缀条结构模式，也有通过连接板连接形成缀板结构模式，且腹杆与框架立柱多系偏心交汇，在相应节点处存在附加弯矩作用；框架立柱的压力因有横、斜撑或连接板分担一部分而略有减少，在不考虑横、斜撑或缀板的利好作用时，整个结构是偏安全考虑的；相邻框架立柱结构体之间通过梁结构半刚性或刚性连接形成货架单元的框架结构，横梁、悬臂梁或者其它部件通过机械式锁紧装置或螺栓连接框架立柱体，并根据单元的排列及组合构成各种应用形式的货架体系，且货架结构在巷道侧或货物存储侧不得设置交叉垂直支撑杆件，对结构的整体稳定性加固具有局限性，此点对驶入式货架的结构稳定性影响尤其明显，为了保证竖向框架的内外框架立柱在巷道方向的计算长度相同，可在货架结构顶平面及上下垂直支撑交点处设支撑结构，以减少货架结构的侧移量；货架格构式立柱体通过螺栓或其它连接形式与地面基础相连，以上这些措施都能极大地提高货架系统结构的稳定性；有资料表明对于高宽比不大的竖向框架，若框架单立柱计算满足要求，一般可不作货架竖向格构式立柱结构体自身平面内的整体稳定性计算。

　　货架立柱构件上一般会预冲有连续的多位置孔洞以满足变更梁柱连接位置或其它附件连接的需要，此为典型的货架冷弯薄壁多孔构件，我在文献4中进行过详细叙述，也根据钢货架设计规范和相关文献给出了某型货架立柱的稳定性分析与计算公式，现行的有关规范中对于有孔冷弯薄壁构件的设计理论依据不充分，多采用简化计算模型，如其受压强度可近似按有效截而计算，当孔洞位于板件的有效部位时，有效截面可近似按无孔板件的有效截面扣除位于有效区内的孔洞面积确定，当孔洞位于板件的无效部位时，有效截面可按相应无孔板件的有效截面取用，钢货架结构构件的变形和各种稳定系数均可按毛截面计算；实际应用中此类开孔受压板件的局部屈曲及其对钢格构式立柱结构体承载能力的影响计算比较复杂，与孔洞的形状、大小、部位及板件的支承情况和荷载条件等因素有关，须根据其受载状态的不同，分别按轴压构件和压弯构件进行强度和稳定性验证分析，既要验算平面内外的稳定性，又要验算柱肢平面内外的稳定性；

　　2．2 货架柱片单肢立柱的截面特性

　　货架柱片单肢立柱为单轴对称冷弯薄壁多孔截面型钢柱构件，在承受压力作用时易发生弯扭屈曲，使承载力下降，立柱构件的截面特性可以通过相关设计软件或理论计算获得。

　　2．4　货架立柱与柱肢的强度与稳定性验算

　　立柱的强度验算

　　货架立柱在进行强度验算时，需要对正常使用过程中可能同时出现的荷载，如：恒载（货架自重）、货架活荷载（货物单元重量）、、竖向冲击荷载（货物单元最大净载的50%）、X向水平荷载（全部恒载与活载之和的1.5%）、Y向水平荷载（全部恒载与活载之和的1.5%）、地震荷载等，取最不利的荷载效应组合计算其内力。并分别考虑压弯和轴压两种承载状态；轴压作用多出现在货架中部的格构柱上，货架立柱两侧悬臂梁（或横梁）对称且竖向荷载相等，可简化弯矩作用效果，此时承载最不利状态为货架满载；压弯作用多出现在货架端部的格构柱或两侧悬臂梁受载不等的中部柱，不考虑地震作用时，压弯柱的弯矩绕格构柱的实轴为x 轴。

　　通过计算X、Y向货架立柱的长细比并查GB500018-2002冷弯薄壁型钢结构技术规范中关于Q235钢轴心受压构件的稳定系数，可以获得相应的稳定系数φx、φy和φw，如果选用其它代用材料就必须获得试验验证，或遵循采用的其它代用原则。

　　立柱的稳定性验算

　　对应格构柱的轴压与压弯受力状态，稳定性验算也应分别按轴压构件的稳定性、压弯构件的稳定性两种情况验算，其中压弯构件的稳定性应考虑平面内和平面外两种稳定状态，稳定性验算根据文献2中的相关公式处理。3、 柱肢的强度与稳定性验算

　　进行柱肢强度与稳定性验算的主要目的是保证单肢不先于整体破坏。在进行柱肢的强度与稳定性验算时，首先要确定作用的柱肢的内力，假设组合式钢货架中的格构柱的各柱肢截面均相等，则轴力和弯矩平均分布在相应柱肢上，以此确定单柱肢的内力大小；柱肢的强度与稳定性，根据柱肢的截面形状参照文献2中的单轴对称开口截面的相关公式验算；在稳定性验算时，柱肢的计算长度依据上文中关于计算长度的相关处理和计算。此外，应注意保证格构柱的缀条或缀板应具有足够的强度与刚度，可一次性对某型产品进行定型设计和验算，并通过限值要求以确定选型时是否进行再验证，现行规范是通过保证缀材的受剪承载力来满足上述要求的，验算公式参见文献2，格构柱构件的局部稳定性是通过采用有效净截面来实现的，因此在稳定性验算过程中，必须要注意对构件有效截面的核算，为提高手工规划设计货架结构的有效性，对次重要构件多采用过量设计，并规定在大于柱片某设计承载时才重点验算部分结构件。

　　4 　格构式立柱的侧向支撑设计

　　文献1中的计算长度是建立在格构柱或柱肢的侧向支撑能提供足够的支承作用条件下的，然而如何设计立柱的侧向支撑文献1中并未给出具体的规定，这给工程实践带来了很大的不便。目前在实际工程中大多是依据容许长细比来处理，如容许长细比：压杆为150～200，拉杆为200～400，张紧的圆钢则不限，单轴对称绕对称轴的长细比作为稳定计算的参数时应计入弯扭效应的折减系数，如仅由长细比控制，则不考虑弯扭效应，构件长细比应按平面内外或斜平面分别计算。

　　5、梁结构的分析与计算

　　横梁是货架支承货物的主要受力部件，横梁由梁主体和端部挂片两部分组成，一般通过焊接成为一体；组合式货架的横梁与立柱采用机械式锁紧装置连接或螺栓连接，横梁利用端部的挂钩嵌入到立柱的挂孔中，这是一种半刚性的节点连接；这种连接方式一方面允许横梁绕受力前的轴线有一定的转动，另一方面又要求横梁端点可以传递横梁上的载荷对立柱的力矩作用，目前国内大多数货架设计规划及生产企业，以双C型抱合横梁作为主体设计形式，也有相当一部分企业选择具有相同负载能力的封闭梁，在实际应用过程中还是有很大区别的，如针对连续截面的截面惯性矩可以通过计算或相关软件模拟获得比较准确的数据，但是针对双C型抱合横梁的截面惯性矩就不能将两个C型截面冷弯薄壁型材的截面惯性矩进行简单的“1+1”，必须考虑双C型截面之间的抱合因素所起到的截面增强作用，特别是当两C型截面之间存在断续焊接连接时，其实际截面惯性矩的变化是很大的，按照文献1计算横梁的挠度时，可不计竖向冲击荷载的影响，托盘横梁的最大挠度不宜大于横梁跨度的1／200，而且一般取安全系数n=1.6。由于横梁的截面和具体的受力情况比较复杂，手工计算时比较繁复，横梁的受力与实际工作状态中货物的摆放情况有关，因此受力的形式是比较复杂的，但一般可以分为均匀受载和多点集中载荷两种基本类型，在实际使用中，多为两种形式的组合，对此也需要结合相应的力学计算原则和规范确定力学模型和计算公式，并根据简支梁试验判断原则和试验测得的梁柱节点弹性常数等进行修正，从而科学地选择横梁或其它类似的梁结构构件；

　　在组合式重型货架结构的稳定性分析与计算的有限元辅助设计软件中，对于规范的选择依据、各类货架构件的截面选择及其截面特性的准确计算和输入、试验修正参数及结构荷载的施加方式与安全系数的确定等对计算结果的影响都比较大，由于各设计及生产制造单位均有其设计的结构截面、材料及料厚选择、尺寸系列等方面的承载理论基础或试验数据， 尤其是在材料的选择与代用时，都需要设计人员根据验算数据进行再设计和调整，以保证货架结构及部件具有足够的承载强度、刚度和稳定性要求。