深度解读《GBT7284-2016 框架木箱》标准（二）

■ 文/蔡少龄

续2018年2月刊第46页《深度解读《GBT7284-2016框架木箱》标准（一）》

（二） 作为拉伸构件的滑木

我国按《JB/Z 114-1982 出口机床包装箱》标准设计的底座，在稳上内装物之后，无须装上侧面和端面即可起吊。而日本的底座在稳上内装物后，在没有装好侧面和端面时是不允许起吊的。否则，因为滑木的截面尺寸太小而有可能会断裂。然而，日本木包装箱在储运过程中之所以不会损坏，主要是因为承受内装物载荷的不单单是底座，而是由底座和侧面、端面甚至是顶盖所组成的整体来承受的。

也就是说。侧面和端面不仅仅是包住内装物和承受堆码时的堆码载荷，它还需要承受内装物的一部分载荷。即内装物的一部分载荷分给侧面和端面去承担了，因而滑木的截面尺寸就可以变得很小，底座就可以做得很单薄了，这就很合理了。而过去我们的包装箱用不着侧面和端面，只靠底座就可以起吊，那么侧面和端面只起一个罩的作用（当然，还承受堆码载荷），这不就是一个很大的浪费吗？

根据美国林产试验所发表的框架木箱设计便览，将滑木看作桁架下弦材的一部分。他们认为用木材做的桥梁桁架，其骨架是用螺栓及连接用的金属配件组装起来的；而框架木箱的侧面，其骨架是用许多钉子把它钉在侧板上组装起来的。因此，把这两种骨架看作几乎有相同的效果也无妨，如图4所示。

图4 桥梁与木箱框架示意图

于是，在骨架的每个构件上分别有压缩或拉伸的内力在起作用，作为整体而发挥桁架的强度。所以，作为下弦材的滑木，其截面尺寸是可以比较小的。

下面，对对这个侧面的框架结构进行分析，见图5。设斜撑的角度为45°，根据该图所示的结构，以作图法求出骨架各构件内力的性质和大小。在图5的a侧面框架的下面是桁架图，其尺寸与侧面各构件的中心线相同，假定用绳索将木 箱吊起的起吊点就在其两端。为简化问题起见，将这超静定桁架简化为静定桁架。用实线表示的是施以载荷时的受力构件，而虚线则表示不受力的构件。

图5 桁架与内力图的作图法

在这里假设木箱的总重为60kN，那么一个侧面就承受30kN。设想这30kN在侧面的4个区间是均匀分布的。另外，为了便于分析问题，假定在中间的3个立柱上分别有10kN向下的力在作用。这样一来，在两端就会分别产生向上的、起支持作用的反力15kN。

在图5的b内力图中，以适当的长度在垂直方向上画出eb表示30kN，ef和ab为15kN，ed、dc和cb为10kN。然后，用与桁架图FG与GE夹角相同的角度在内力图上画fg和ge，如果斜撑的角度为45°，则fg就是21kN（压缩），而ge是15kN（拉伸）。

再用同样的方法画出GH（gh）、HI（hi）、ID（id），根据实际测量就可以知道gh是15kN（拉伸）、hi是7kN（压缩）、id是21kN（拉伸）。

框架图中滑木上最大拉伸力是在下弦的ID，为21kN，构件所需的截面积可由下式求出：

式中，A —构件的截面积，mm；

P —最大拉力，N；

ft—许用抗拉强度，MPa。

如果现在按《GB/T 7284-2016 框架木箱》来设计，根据这个例子，查《GB/T 7284-2016 框架木箱》的表11和表12，下框木的尺寸为90mm×40mm。另外，本标准规定=14.0kPa，于是：

即仅仅下框木还没算上滑木就可以经得住50.4 kN的拉伸力，所以对于ID的21kN来说是不成问题的。

作为下弦材，即使认为最大拉伸力的25%有下框木分担，而75%由滑木分担，则本标准规定的滑木尺寸也是足够的。

如上所述本标准中规定的滑木尺寸远远大于所需的尺寸，这是考虑到实际储运过程中，滑木不可能只是单纯的拉伸构件，还可能会承受弯曲应力，同时考虑到在组装成箱时， 滑木是一个基础构件，在它上面要安装枕木、侧面和端面，所以本标准规定本例的滑木尺寸为100mm×100mm。

我国以往框架木箱中滑木的尺寸比本标准规定的要大得多，但有时还会出现问题，其原因除了材质因素之外，一个重要的原因是木箱加工制作比较粗糙，从而使框架不能充分发挥其桁架的作用。

另外，对于我国国内运输的一些框架箱，有时会使用竹笆、柳笆、苇蓆或纤维板等。虽然在箱的侧面和端面也有框架，但这些框架由于其与竹笆、柳笆、苇蓆或纤维板等的连接效果与木板的情况不同，因而不能协同滑木承受内装物的载荷。这时的滑木就需要按弯曲构件来设计，对这类框架箱的底座可参照底盘的设计方法设计。

关于上面的理论分析，1985年在沈阳重型机械研究所进行的框架木箱电测试验中也得到了证实。虽然测得的数据与理论分析的数据不尽相符，但这是由于理论分析时总是把问题尽量简化，而实际上的受力状况要复杂得多。电测试验用的两个木箱是参照《JIS-Z 1403-1984木质框架式包装箱》设计的，滑木的截面尺寸都很小，但起吊时滑木的应力值一般都在许用强度以下。制定《GB/T 7284-1987 框架木箱》时，考虑到我们对滑木的认识刚刚从弯曲构件转变为拉伸构件，而且我国国情确实与日本不同，所以为稳妥起见，当时对于不同内装物质量的滑木截面尺寸，规定得比日本标准的要大一档。经过近三十年的实践，在《GB/T 7284-2016 框架木箱》中我们规定的滑木截面尺寸已经和日本标准的一致了。

（三）作为弯曲构件的滑木

本标准表5中的滑木截面尺寸是将侧面看作是具有桁架功能的结构来考虑，滑木则看作是下弦材的一部分作为拉伸构件而规定的。但是，当箱的内高为65cm以下时，因为没有斜撑，不能获得桁架的功能，所以要将滑木作为弯曲构件来考虑。

这时应该怎样设计滑木在本标准中没有提到。下面我们将《JIS-Z 1403-2012 木质框架式包装箱》中的附录A（资料性附录）所规定的设计方法介绍给大家以供参考。

1.滑木的截面尺寸

对于箱的内高不大于650mm的滑木的截面尺寸可有下式求得：

式中，b：滑木宽度的总和（cm）；（注意： JIS中的长、宽和厚的单位为cm）

h：滑木的厚度（cm）；

M：内装物的载荷（W）为均布载荷时，在滑木上的支持点或中心点的弯距（N·cm）（W =内装物质量×9.8）；

fb：许用抗弯强度（10.5MPa）；（注：这是JIS规定的fb值）

b1：上、下框木的厚度（cm）；

h1：上框木的高（宽）度（cm）；

h2：下框木的高（宽）度（cm）。

2.滑木的数量

滑木的数量可根据底座的宽度，在滑木总宽（b）的范围内确定其适当的数量。但是，每根滑木的宽度不得小于其厚度（h）。另外，弯距M随内装物载荷、载荷状态和支持位置而变化。如图6所示，如果简支梁受均布载荷W作用，支持点在简支梁的两端，支持点的间距为l，则弯距M的最大值为Wl/8，其位置在中心点。随着支持点往中央靠近，中心点的弯距逐渐变小，而在支持点则有方向相反的弯距在作用，而且这弯距在逐渐变大。将这个关系图示出来就是图7。由于支持点的移动引起弯距的变化如表8所示。

图6 支持点与弯距

图7 弯距图

表8 弯距随支持点移动的变化

3.计算滑木截面尺寸时应考虑以下的问题

a. 先根据挂绳索的起吊位置或叉车货叉的位置等确定l1的值，然后以表8的弯距Ms和Mc中较大的一方为基准来计算；

b. 并不一定要整根滑木都有由公式（1）算出的滑木截面尺寸，也可以在GB/T 7284-2016表5规定的滑木尺寸的滑木的侧面附加长度为2l/3以上的副滑木，使这部分达到公式（1）算出的滑木截面尺寸（见图9）；

c. 内装物是中央集中载荷时Mc = Wl2/4（l2为支持点之间的距离）；

d. 内装物在长度方向上是一个整体，而且对弯曲有足够的刚性，或它在长度方向上是两点集中载荷，而支持点又在这两点的附近时，也可以采用《GB/T 7284-2016 框架木箱》表5所规定的滑木。

图9 副滑木图

（四）底座的其他构件

底座除滑木之外，还有枕木、端木、辅助滑木（有时采用垫木）和底板。除枕木之外，其他构件的尺寸都可以在《GB/T 7284-2016 框架木箱》的表5中查到。枕木的设计计算方法可按本标准的6.1.6条的规定进行。

关于辅助滑木，辅助滑木并不作为应力构件来考虑，它是为便于挂起吊绳索，以及调节挂绳索口的位置和内装物的重心相适应而安装在滑木的下面的。过去我国许多框架木箱都没有辅助滑木，起吊绳索挂在滑木两端的倒角上。起吊时绳索容易滑脱而造成事故，特别是在包装件的重心较偏时。所以，这就需要由辅助滑木来调整起吊点的位置，使包装件的重心正好在两起吊点的中间，以保证包装件的平稳起吊。

辅助滑木的厚度主要是根据内装物的重量而定。因为越重的箱子，所需的起吊绳索越粗，所以辅助滑木就应该越厚，而美苏标准中对辅助滑木厚度的规定不变，这是不够合理的。

由于使用叉车搬运木箱越来越多，所以采用垫木代替辅助滑木也是很方便的。但是，要注意很多时候要将木箱推进集装箱，这时垫木的阻力很大，若安装不牢固，很容易将垫木推掉，特别是最前面的垫木。

端木时横向连接滑木的构件，在其上安装端面。端木所受的载荷比滑木要小的多，这在木结构包装箱的电测试验试验中已经得到了证实。所以，端木的设计主要应作为组装底座和端面的联结构件来考虑，其尺寸应比相应的滑木小。

底板已不作为受力构件考虑，但其厚度随内装物质量的增加而相应增加。

五、侧面和端面

侧面和端面是由框架结构与箱板组成的。框架是包装箱的骨架，在储运过程中它承受如下三种形式外力的作用：

1）作为框架结构在起吊时与滑木共同承受内装物的载荷；

2）承受堆码时的堆码载荷；

3）承受储运过程中来自各个方向的冲击。

（一）框结构的形式

从框架结构的形式来说，《JB/Z 114-1982 出口机床包装箱》规定的与日本的JIS标准规定的比较接近，而与美军和前苏联的标准相差较大。图10是《JB/Z 114-1982出口机床包装箱》的框架结构选择图。

图10 《JB/Z 114-1982出口机床包装箱》的框架结构选择图

《JB/Z 114-1982 出口机床包装箱》的框架结构选择图虽然与日本的相似，但实际上差别也是比较大的。我们立柱的中心距最大为1500mm，而日本的为1200mm；我们的箱高超过2400mm时才有平撑，而日本的箱内高超过1500mm～1700mm时就有平撑；我们从2HK到4HK，或从4HK到6HK的变化太突然，而日本的则中间有3HK或5HK的过渡，变化较为缓和等等。

这里对同一产品MB1520磨床，分别按《JB/Z 114-1982 出口机床包装箱》和《JIS-Z 1403-1984 木质框架式包装箱》设计框架木箱做一比较，如图11 和图12和所示。

同样的MB1520磨床，按《JB/Z 114-1982 出口机床包装箱》设计时，侧、端面的耗材为1.285 m3，能承受的堆码载荷为1000 kgf/m2；而按《JIS-Z 1403-1984 木质框架式包装箱》设计时，侧、端面的耗材为1.014 m3，是我们的78.9%，同样也是能承受1000 kgf/m2的堆码载荷。

图11 按《JB/Z 114-1982 出口机床包装箱》设计的框架木箱

图12 按《JIS-Z 1403-1984 木质框架式包装箱》设计的框架木箱

总的来说，日本的框架比我们的密实，但耗材并不比我们的多。从桁架作用发发挥，抵抗外力的作用以及构件尺寸的减少等方面都比我们的优越。因此，我们决定采用日本的框架结构形式。

本标准文件中的图14的框架结构形式选择图是如何制作的呢？对于木板箱，作为桁架结构，为使各构件的内应力有机地联系起来要采用斜撑，而且其角度最好是45°。然而，实际上木箱的尺寸是各种各样的，斜撑的角度很难保证45°。但是，只要能做到45°±10°就好。所以，根据tg35°≈0.7和tg55°≈1.4这个关系制成这个框架结构形式选择图。例如，本来是X形的斜撑，当箱长（宽）不变而箱高逐渐增加时，斜撑的角度就会逐渐增加变成55°，这时选择图就开始变成HK形，而这时斜撑的角度就变成35°，这样就可以保证斜撑的角度总是在35°～55°之间。

对于2型箱，由于它是用胶合板做箱板的，所以其框架结构的形式是以胶合板的尺寸（3″×6″）为基础的。如本标准文件中的图12和图13所示。这种结构形式在《JIS-Z 1403-1976 木质框架式包装箱》时就是这样。现在大多数胶合板都是4″×8″了，所以这种结构形式早就应该改成立柱中心距为1220mm。听说，日本今年要修订标准，就准备这样改。

2型箱（胶合板封闭箱）不像1型箱或3型箱那样箱板是一块块的木板，互相之间没有联系。胶合板是整板，用胶合板做箱板时可以认为桁架结构内应力的作用已经通过胶合板有机地联系起来了，所以2型箱不用斜撑。

另外，本标准文件中的图14的框架结构形式选择图的框架结构有很强的桁架功能，适用于一个箱内装有几种内装物那样的分布载荷。因此，当内装物在长度方向上是一个整体，而且具有足够的刚性时，其框架结构就可以简化。对于1型箱和3型箱，为防止箱体歪斜，仅在箱子的两端有斜撑就可以了，如本标准文件中的图16 所示。对于2型箱，箱板的不大于1220mm时，可以省略下框木，如本标准文件中的图17 所示。

（二）框架构件的尺寸

前面提到同是MB1520磨床，同样也是承受1000 kgf/m2堆码载荷的框架木箱，按日本标准设计时其侧、端面的耗材仅为我们的78.9%。为什么耗材会相差那么多呢？原因如下：

日本在设计框架木箱时，主要考虑侧面框架的受力状态。通过分析认为立柱的截面尺寸应该比斜撑、平撑、和下框木的截面尺寸要大。侧下框木因为与滑木共同组成桁架的下弦材，而滑木已有作为下弦材的足够尺寸，所以侧下框木的截面尺寸可以比较小，甚至有时还可以不用下框木。侧上框木因为它既是桁架的上弦材，同时还要承受起吊时起吊绳索对它的横向挤压力，所以其截面尺寸要大，一般与立柱的相同。但是，为了制箱时的方便，立柱、上框木、下框木、斜撑和平撑的截面尺寸最好一样。

那么，应如何解决立柱需要较大的截面尺寸呢？日本的标准中就采用了辅助立柱这一构件，即在立柱的内侧再用钉子钉上辅助立柱。具体到MB1520磨床包装箱，就是在90mm×45mm的立柱上钉上90mm×24mm的辅助立柱。这样，立柱的截面积就扩大到90mm×69mm了，而上、下框木、斜撑和平撑仍为90mm×45mm。

辅助立柱还有另外的一个作用，就是支撑住梁承，而梁承又托住横梁。从图7 可以看出，按《JB/Z 114-1982 出口机床包装箱》设计的框架木箱既无辅助立柱又无梁承，横梁只靠钉子钉在侧上框木上，以致横梁在承受顶盖载荷的能力方面是很差的， 往往在储运过程中造成顶盖塌下，损坏内装物。

下面，先介绍立柱的设计方法。

（三）立柱的设计方法

在确定框架构件尺寸时，有一个很重要的问题就是立柱的压曲强度问题，它直接关系到立柱的正确设计。本标准表3规定的许用（顺纹）抗压强度并不能直接用于立柱的设计，因为柱子有长短之分。同样截面尺寸的长柱和短柱，在受到轴向压力的时候，其抗压能力的表现是很不相同的。对于很长的柱，只要沿轴向稍稍加力，柱子就会侧弯，随着压力加大，柱子越来越弯，最后是弯折而断； 而很短的柱则不会弯，最后是被压溃的。这就是说，许用（顺纹）抗压强度是不变的，但柱子的许用压曲强度是随着柱子的长细比的变化而变化的。所以，关键就是如何确定柱子的压曲强度。

《JB/Z 114-1982 出口机床包装箱》中对立柱的设计方法已经参考了《JIS-Z 1403-1976 木质框架式包装箱》的设计方法，那是以戈登·兰金公式为基础的。但是，日本在1984年修订标准时认为那种计算方法不合理，也浪费木材。所以，他们对立柱压曲强度的计算公式作了重大修改。他们根据木箱立柱受力的特点，将日本的建筑基准法的许用压曲强度计算公式修正成木箱立柱的许用压曲强度计算公式。

那么，我们应该怎样确定立柱的许用压曲强度呢？我们根据我国的《GB J5-1973 木结构设计规范》，仿效日本的修正方法，将建筑用的立柱许用压曲强度计算公式修正成《GB/T 7284-1987框架木箱》的木箱立柱许用压曲强度计算公式。《GB/T 7284-1998框架木箱》仍沿用这个计算公式。但是，《GB J5-1973 木结构设计规范》已经于1988年修订成《GB J5-1988木结构设计规范》，又于2003年修订成《GB 50005-2003 木结构设计规范》。其中建筑用的立柱压曲系数计算公式已做了修改。所以，我们在制定《GB/T 7284-2016 框架木箱》时，也必须对木箱立柱计算公式做出相应的修改。以下介绍我们是如何确定木箱的立柱计算公式的。

（未完待续）