自动化立体仓库货架柱脚力学分析

程亮

摘  要：自动化立体仓库在现代物流仓储系统中被有效运用，在该种全自动化货架中，存取货活动更加便捷，高层仓库的可靠性与合理性也随之增强。设计货架时，必须要把控相应的货位空间与标准尺寸，确保货架柱脚维持合理的受力状态，不会轻易出现倒塌等危险事件。文章结合某市南区商超自动化立体仓库项目的情况，对货架柱脚部分的设计工作，展开力学方面的研究，并建设相应的模型，全面保障该商超内部的自动化货架的安全使用。

关键词：自动化立体仓库货架;柱脚;力学设计;模型

中图分类号：F253.4        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）10-0065-03

Abstract： Automated warehouse is effectively used in modern logistics warehousing system. In this kind of fully automated shelf， it is more convenient to access goods， and the reliability and rationality of high-level warehouse are also enhanced. When designing the shelf， it is necessary to control the corresponding space and standard size of the cargo space to ensure that the base of the shelf column maintains a reasonable stress state and will not easily collapse and other dangerous events. In this paper， combined with the situation of the commercial super-automated warehouse project in the southern district of a city， the design work of the shelf column foot part is studied， and the corresponding model is constructed to ensure the safe use of the automated shelf inside the commercial super-district in an all-round way.

Keywords： automated warehouse shelf; column foot; mechanical design; model

自動化立体仓库货架的柱脚系统需要保持合理的受力结构，这类货架的构成材料主要为钢筋混凝土或者钢材料，建设货架时必须关注相关结构系统的设计合理性，包括柱脚部位以及巷道等。本文参照某项目的情况，从力学的角度，探讨柱脚的受力情况，并建设相应的力学模型。某市商超运用全自动化货架，其柱脚部位的受力情况比较特殊，通过力学设计优化可以提升柱脚系统的稳定性。力学分析与设计的过程如下：

1 项目概况

2016年11月到2017年10月，嘉兴南区某项目与无锡某商超自动化立体仓库货架项目均形成了完善的现代化电商仓储分拣系统，可以全方面地支持顾客退货处理、配送、包装与分拣等物流服务。这两种项目均能够满足未来一段时期内的电商发展需求，优化天猫商超各个区域的物流配送中心时可参照这两个项目的仓库货架来确定设计标准与相关指标。

立体仓库分别被设立于嘉兴与无锡，两个仓库总建筑面积均为12000m2，项目一的立体仓库货架高度达21m，共有23条巷道，12层，储位共计45000个;项目二的货架高度为21m，层数为12层，只有22条巷道，储位为43000个。现结合项目中的仓库货架的情况，对柱脚受力情况展开研究，通过建模来确定具体的受力形式以及相关受力数据。

2 自动化立体仓库货架柱脚工作原理

货架柱脚主要可支持固定柱构件的下端，使其与基础部位有效连接，将柱身施加的内力转移给基础系统。在钢材质的货架的结构系统中，柱脚节点发挥重大作用，其形式种类丰富，结合现有的柱脚研究理论可知，从柱脚强度的角度对几种柱脚形式进行对比，可调式柱脚的强度最低，预埋板式柱脚的强度最高，垫片式柱脚与灌浆式柱脚的强度值差异不大。

垫片式柱脚的技术原理如下：利用化学螺栓可固定地面系统与底板，添加垫片后可调整货架的实际水平度，这种柱脚更适合具有一定平整性的场地中，如果地面平整度比较低，其应用成本也会随之升高。可调式柱脚比较灵活，运用化学螺栓可固定其下底板，调整货架水平度时需利用可调螺母与上底板，这种柱脚在平整度一般的区域也可被使用，在螺栓可调节范围内调整柱脚不需增加技术成本[1]。

如果需将地面当做基础系统，可使用预埋件式柱脚，在预埋件上焊接可调螺栓，通过调整可调螺母的位置来控制货架水平度，完成所有调试货架的工作后，直接在可调螺栓分布区域展开二次浇筑工作，增强柱脚的稳定程度，如果没有完整的基础系统可运用该种柱脚，实现货架与仓库合一的目的。灌浆型柱脚与预埋式柱脚的应用原理相似，在大多数场地中可发挥作用。

3 货架柱脚力学计算

3.1 计算与设计难点

在本次项目优化过程中，技术人员必须参考实际的货架建设条件来完善柱脚设计方案，如果单一运用传统化的预埋板完成柱脚设计工作，不仅项目的技术成本比较高，同时柱脚施工的难度也会大幅提升。因此采用建模分析的方法，确定在不同工况条件下柱脚的实际受力情况，借此获取上拔力、最大压力数值，转变设计柱脚的方法，利用化学螺栓支持的技术方法固定柱脚。调整施工方法，与预埋时柱脚设计相比，成本降低20%，施工方法更加灵活，仓库货架建设区域的基础土建施工时间被缩短，设计者优化了节点部位的设计工作。

3.2 常规参数设计

该项目的安全等级相关参数如下：抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅱ类;设计荷载参数代号：最大活载PL，活载为LL，地震载荷为EL，恒载为DL。

DL为钢结构本身的重量，根据已知项目信息可知，重量为60kg/层;PL为12层货物载荷：1600kg/层;LL设置为100%最大活载。

3.3 地震效应分析

参考相关抗震规范的要求，阻尼比数值设定为0.04，该地区的地震加速度为0.10g，展开货架结构系统的相关抗震设计工作，只需参照水平地震作用即可，不需计算竖向地震作用，计算横、纵两个方向的水地震作用的标准值时可运用以下公式：

计算地震作用时，还需根据活载种类设计情况，确定相关的组合值系数与相关的标准值，活荷载的组合值系数为0.5，屋面活荷载的相应数值为0，根据实际情况确定货架各层的活荷载建筑时，数值被设计为1.0，根据等效均布荷载确定组合值系数数值为0.8。

货架结构的基本自振周期T1可按下列方法计算：

经过计算后得到荷载组合（抗震验算）结果如下：

4 建模分析

借助现有的货架结构资料确定计算模型，为了缩减计算量，直接提取当前结构系统中的典型货架单元展开计算工作，有限元模型如图1：

结构模态可直接反映出结构在受到地震作用影响后形成的反应，运用模态分析的方法可确定结构的具体自振周期数值，强化结构系统的抗震性能[2]。

货架结构在一定的外部荷载作用下会出现变形的情况，在不同荷载组合的工况条件下，最大侧向位移的情况也存在差异，无论是承载力达到极限状态，还是在正常使用的情况满足极限状态条件，该货架结构的侧向位移均不会超出限制设置。货架结构系统的内力分布情况被完整地储存到相应的数据库中，校核结构构件时可运用这些数据资源，在不同的荷載组合条件下，结构构件内力分布情况也比较清晰[3]。

分析柱脚节点的实际刚度数值时，必须有效区分不同的条件，在常规的钢结构系统中，底板系统的柱脚节点会被直接设置为铰接节点，处理方式也比较简单，在钢材质的货架结构中，这种方法并不能发挥作用，研究柱脚节点的受力情况时，应关注立柱的性能，建设相应的模型进行分析，参考柱脚节点的具体刚度设定值，计算立柱的长度。焊接底板与货架立柱时，选择使用的焊接方式也会影响到最终的节点弯矩，利用全部焊接的手段处理立柱角部区域时，虽然节点的刚度水平提升得并不明显，但是可有效预防建筑焊接撕裂的问题。增加底板的厚度之后，底板具有的抵抗变形与扭曲的能力可被提升，柱脚节点处的刚度水平也能够充分增加。

节点试件采用的立柱为标准规格截面立柱（长宽均为55mm）。其腹板上有一系列分布规律的矩形和圆形孔洞，这些孔洞是为了使立柱方便连接横梁等其他构件。采用角焊缝将立柱下端直接焊接在一块底板上，具体焊接的位置为立柱截面的后翼缘和腹板。试件的变形主要发生在立柱受拉翼缘附近的柱脚底板上，此处底板被拉起。同时由于立柱翼缘并没有与底板焊接，当横向荷载较大时，受拉力的一侧翼缘与底板间出现缝隙[4]。

在小幅值荷载作用下，一直保持弹性状态，直到增加到大幅值荷载时，才有明显的塑性变形。螺栓受力前柱脚所承受的弯矩主要是由于轴压力所产生的，使滞回曲线的形状发生变化，这与试验中所得到的结果吻合较好[4]。

通过建模分析的方法可以获取以下结论，立柱轴力给柱脚节点部位带去的影响主要体现在极限弯矩与初始抗弯刚度两个方面，柱脚底板存在扭曲变形的问题，立柱腹板系统的角焊缝的边缘在产生明显的变形后，柱脚等其他的货架结构系统可能会产生撕裂破坏的情况。运用有限元模型可直接模拟柱脚节点相关抗弯性能;立柱的底板厚度与竖向轴力数值增加后，立柱节点的整体抗弯承载力与初始刚度的数值均有所提升，但是在控制柱脚节点处的受力情况时，不可忽视节点性能受到的立柱轴力的影响，当轴力增加之后，节点性能会随之减少。利用化学螺栓支持结构连接工作，可以充分增强柱脚系统的稳定性，更安全地支撑货架系统。

5 结束语

本文根据某市商超使用的自动化立体仓库货架，对其柱脚系统展开了研究，从柱脚系统的运行原理入手，展开了相应的力学计算工作，根据获取的计算数值建设了相应的力学模型，确定了不同位置的柱脚的实际受力状况，为后续维持货架稳定的工作做好了数据相关的准备工作，提升整体货架的安全性，形成最完善的柱脚受力体系，优化柱脚设计时，也缩减了相对应的施工工期，施工者可以更加灵活的方式来应对货架土建方面的施工问题。

参考文献：

[1]尹凌峰，吴四夫，郭海峰，等.自动化立体仓库高层货架立柱偏移超限原因分析[J].钢结构，2018.

[2]曹清龙.现代物流与自动化立体仓库系统的构成浅析[J].科技经济市场，2018.

[3]孙永吉.自动化立体仓库高层货架瞬态动力学分析[J].兰州工业学院学报，2013，20（1）.

[4]许亚红.钢结构中柱脚的力学性能研究[D].安徽建筑大学，2016.