“库架合一”结构体系抗侧力性能研究

曾大明 朱学华

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

0 引 言

近年来随着我国物流行业的快速发展，仓库建筑呈现出新的发展趋势：首先，新型自动化取存货架系统取代传统的叉车取存方式得到广泛应用，这使得货架结构排布密度较传统仓库大大增加；其次，出于增大库容量和提高经济效益的需求，建设方对货架高度的要求越来越高，这导致对仓库建筑高度的要求也越来越高。基于以上发展趋势和市场需求，越来越多的新型自动化高架立体仓库建成运营。

自动化高架立体仓库的高度一般超过20 m。该种类型建筑的货物取存工艺对结构水平位移角有特殊限值要求，一般要求不大于1/400，小于我国钢结构设计标准中对各类钢结构弹性层间位移角的最小容许值（1/250）［1］。如果结构体系采用传统的门式刚架结构，要满足水平作用下的位移控制要求对结构计算和设计来说较为困难，而且为了达到足够的抗侧刚度，结构构件的截面高度往往较大，且常需要采用刚接柱脚方可满足位移限值要求，这种情况下的结构基础工程量往往也较大。又因为该种仓库建筑高度一般要大于传统门刚结构的高度适用限值（18 m）［2］，其构件的板件宽厚比或高厚比须按普通钢结构标准进行控制，这就会导致结构板件厚度较大，造成结构用钢量显著增大。总之，在自动化高架立体仓库建筑中，如果采用传统的门式刚架结构体系，结构计算满足相关指标往往较为困难，且结构工程用量往往十分不经济。

在上述背景下，“库架合一”结构体系的出现为高架立体仓库建筑提供了新的结构体系解决方案。“库架合一”结构体系把工业货架和库房的承重结构合为一体，既承受来自风、雪、地震各种外部荷载作用，又作为设备货架，同时承受着变化莫测的货物流动荷载的作用［3］。这种结构形式，既要满足由电子计算机控制的堆垛机工作对货架的精度要求，同时还要将全部货架作为一个整体结构进行力学分析，以满足强度、刚度和稳定等结构要求。

近年来，该结构形式在我国有了较快的发展，在嘉兴、常熟、淮阴、上海、仪征等地相继有建成投入使用，而在日本、韩国、中国地区台湾等也有较大数量的“库架合一”结构形式实例。但我国目前在该结构形式的设计方面尚无规范可循，多为根据经验设计，相关计算理论和特性研究也不是很充分［4］。因此，本文基于某采用“库架合一”结构体系的高架立体仓库工程实例，利用Midas Gen有限元软件进行结构整体建模计算分析，对该类型结构体系在风荷载和地震作用下的抗侧力性能进行研究。

1 库架合一结构体系介绍

高架立体仓库建筑常用的结构体系有两种：一种是传统的门式刚架结构体系（图1），即建筑内部货架与建筑主体结构之间是分离的；另一种是“库架合一”结构体系（图2），即货架除承受货物的荷载外，还兼作仓库的骨架支承屋面和墙面围护。

图1 门式刚架结构体系Fig.1 Structural system of gabled frame

图2 “库架合一”结构体系Fig.2 Structural system of‘integration of shelf-structure and main-structure’

“库架合一”结构体系有两种属性：第一，它属于特种结构，需要承受所有的建筑荷载；第二，它属于设备货架，设计时库房的承重格构柱是按货格的尺寸设计的，其格构柱本身就是仓库货架的立柱，承受建筑荷载的同时还承受货物的静载与动载。由于两种属性要求，货架结构必须同时满足建筑结构和货架结构两方面的要求［5］。

“库架合一”结构体系的典型纵、横向结构布置系统分别如图3和图4所示。

竖向结构体系主要由立柱、柱片、背拉支撑系统以及半刚接框架组成，其中半刚接框架由立柱、横梁以及节点形成；横向水平荷载通过屋架和柱片形成的多跨门式结构传至基础，纵向水平荷载则通过背拉支撑系统与半刚接框架组成的双重抗侧力体系传至基础。

水平结构体系主要由屋架和横梁组成。屋面荷载通过屋架直接传至立柱，货物荷载则通过横梁传至立柱，竖向荷载均经立柱（柱片）传至基础。屋架将横向各列货架在顶部连系在一起，形成整体。

图3 典型横向结构体系Fig.3 Typical transversal structural system

图4 典型纵向结构体系Fig.4 Typical longitudinal structural system

2 工程概况

本工程实例位于江苏省太仓市，为某商品物流转运中心。因日常运行时货物的存储及取运量较大，故建设方要求按自动化高架立体仓库进行设计，并采用“库架合一”结构体系。工程实例现场照片见图5。

图5 工程实例照片Fig.5 Project picture

本工程结构高度37 m，平面尺寸36.8 m ×84 m。结构主要平面和立面尺寸详见图6 和图7。货架的结构尺寸根据货物托盘及货箱高度等尺寸综合确定，同时货架结构按照其兼做主体结构支撑建筑外围护及抵抗外荷载进行结构计算和设计。典型货架结构布置见图8-图10，仓库内部货架存取货物实景见图11。

图6 结构横向布置（单位：m）Fig.6 Transverse structure layout（Unit：m）

图7 结构纵向布置（单位：m）Fig.7 Longitudinal structural layout（Unit：m）

图8 货架纵向平面结构（单位：m）Fig.8 Longitudinal plan-layout of shelf（Unit：m）

主要设计参数：设计使用年限为50 年；安全等级为二级；结构重要性系数为1.0；抗震设防类别为丙类；抗震设防烈度为7 度，设计基本加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.45 s；阻尼比取0.04。

图9 货架纵向立面结构（单位：m）Fig.9 Longitudinal elevation-layout of shelf（Unit：m）

图10 货架典型柱片及与屋架连接结构Fig.10 Typical shelf column and roof connection

图11 内部货架货物布置Fig.11 Goods arrangement on inner shelf structure

主要结构构件的截面形式、尺寸及材质：①钢柱：□120×6.0；②钢梁：横向□80×5.0，纵向：□120×80×5.0；③柱片内斜撑：□60×5.0；④背撑拉杆：φ20圆钢。⑤结构材质均为Q235B。

每层货架承担的竖向荷载主要有：①托盘货物，1.5 kN/m²；②喷淋管道及电气桥架等机电吊挂荷载，0.25 kN/m²；③托盘，0.25 kN/m²。

屋面竖向荷载：恒载0.5 kN/m²；活载0.5 kN/m²。基本风压0.5 kN/m²，地面粗糙度类别B类；基本雪压0.4 kN/m²。

3 结构建模

本工程结构采用Midas Gen 有限元软件进行建模及计算。三维整体结构有限元模型如图12所示，结构模型平、立面布置示意见图13-图16。结构杆件单元类型均为一般梁单元。横梁与钢柱的连接、支撑两端的连接以及柱脚连接均定义为铰接。

图12 三维结构整体模型Fig.12 3D structural model

图13 结构模型横向立面Fig.13 Transverse layout of structure model

图14 结构模型纵向立面Fig.14 Longitudinal layout of structural model

图15 结构模型中间层平面Fig.15 Interlayer layout of structural model

图16 结构模型屋面层平面Fig.16 Roof layout of structural model

4 结构抗侧力性能研究

4.1 风荷载作用下的抗侧力性能研究

水平风荷载作用（下文简称WL）下的结构位移计算结果如图17 和图18 所示。结构顶部最大横向位移为20 mm（位移角：1/1 850），结构顶部最大纵向位移为2 mm（位移角：1/18 500），均满足要求。

图17 横向风荷载作用下结构水平位移（单位：mm）Fig.17 Horizontal displacement under wind load（Unit：mm）

图18 纵向风荷载作用下结构水平位移（单位：mm）Fig.18 Longitudinal displacement under wind load（Unit：mm）

分析横向风荷载作用下结构水平位移计算结果可知：①边排货架变形为两端小中间大，类似于简支梁计算模型；中间排货架下部变形为弯曲型，上部变形为剪切型，整体呈弯剪型。②横向风荷载作用下，最大位移发生在边排货架竖向中间位置（36 mm），超过了结构的顶部水平位移。

对比分析边排和中间排货架结构在横向风荷载作用下的计算结果可知：①两者刚度不同：边排货架柱片为单排格构式结构，抗侧及抗弯刚度较小；中间排货架柱片为多跨联合格构式结构，抗侧及抗弯刚度较大；②两者荷载作用方式不同：对于边排货架，风载荷作用于整个竖向高度范围内；对于中间排货架，风荷载仅作用于结构最顶部；③两者静力计算模型不同：对于边排货架，中间排货架的较大刚度在顶点位置为边排货架提供较强水平向支撑，可简化为一个水平支座。其荷载作用方式及静力计算方案可简化为图19 所示。对于中间排货架，风荷载通过边排货架顶部传递至屋面桁架，再由屋面桁架传递到各中间排货架结构最顶部。其荷载作用方式及静力计算方案可简化为图20所示。

图19 边排货架结构风荷载静力计算方案Fig.19 Static calculation scheme of edge column under wind load

图20 中间排货架结构风荷载静力计算方案Fig.20 Static calculation scheme of middle column under wind load

分析纵向风荷载作用下结构水平位移计算结果可知：由于货架结构在纵向长度较大，抗侧刚度较大，纵向风荷载作用下的位移最大值发生在结构顶部（2 mm），位移绝对值非常小，几乎可忽略不计。

综合前述分析，虽然该结构高度较高（37 m），远大于传统单层钢结构仓库（一般≤18 m），但该结构在水平风荷载作用下的顶部水平位移远小于规范要求（H/250）及工艺要求（H/400），说明“库架合一”结构体系具有良好的抗风侧移性能。

4.2 地震作用下的抗侧力性能研究

地震作用计算方法分析：货架结构上的货物质量是经常变化的，因此质量沿高度分布经常是不均匀的。因此，底部剪力法不适用于“库架合一”结构体系的抗震计算。时程分析方法虽然得到的计算结果更为精确，但是较为繁琐。考虑到由于严苛的位移限制，“库架合一”结构体系的钢结构处于弹性工作状态，因此采用反应谱方法进行抗震验算较为合理。

该工程抗震设防烈度7 度（0.10g），抗震计算采用的反应谱参考《建筑抗震设计规范》［6］。在采用反应谱方法对结构进行抗震计算时，重力荷载代表值取结构自重标准值和各可变荷载组合值之和（其中，针对该种仓库建筑的货物存放特点，货物可变荷载地震作用组合值系数取0.8）。

需要特别说明的是，由于该种结构体系上的货物分布情况变化性较大，导致质量分布沿竖向和水平向常处于不均匀状态。而不同的货物质量分布假定会导致不同的结构自振周期，从而导致不同的地震反应。故本文假定了3 种不同的货物质量布置模式进行地震作用分析研究，即第1 种：均匀布置（满布货物质量，图21）；第2 种：水平向不均匀布置（左半部满布货物质量，右半部空置，图22）；第3种：竖向不均匀布置（上半部满布货物质量，下半部空置，图22）。在图21、图22中，阴影区域或箭头区域表示布置货物质量区域，其余为空置区域。

图21 货物质量均匀满布Fig.21 Uniform goods arrangement on shelf structure

图22 货物质量水平向不均匀布置Fig.22 Non-uniform goods arrangement on shelf structure in horizontal

由于文章篇幅所限，下文仅给出第1 种货物质量布置模式（均匀满布）的图形计算结果。其余两种情况的主要计算结果详见表1。

图23 货物质量竖向不均匀布置Fig.23 Non-uniform goods arrangement on shelf structure under vertical load

货物质量均匀满布模式下，结构自振特性分析结果见图24-图26。前三阶振型分别为：第一阶振型为横向平动，第二阶振型为扭转，第三阶振型为纵向平动。对于“库架合一”结构体系，结构横向整体刚度最小，而纵向结构尺寸很长，使得纵向的整体刚度要大得多，结构的抗扭刚度比纵向的整体刚度要小，造成了结构扭转振型的提前出现，与一般规则结构的两个平动振型后伴随扭转振型的规律不同。

图24 第一阶振型（T1=1.39 s）Fig.24 First order mode shape（T1=1.39 s）

货物质量均匀满布模式下，水平地震作用（下文简称EQ）结构位移计算结果见图27 和图28。分析可得：①地震作用下，结构变形呈弯剪型。②结构在横向地震和纵向地震作用下的顶部位移分别为20 mm（位移角：1/1 850）和14 mm（位移角：1/2 640），均满足要求。

图25 第二阶振型（T2=1.28 s）Fig.25 Second order mode shape（T2=1.28 s）

图26 第三阶振型（T3=0.96 s）Fig.26 Third order mode shape（T3=0.96 s）

图27 横向地震作用下结构位移（单位：mm）Fig.27 Horizontal displacement under earthquake load（Unit：mm）

图28 纵向地震作用下结构位移（单位：mm）Fig.28 Longitudinal displacement under earthquake load（Unit：mm）

3 种不同货物质量布置模式下的地震作用计算主要结果汇总详见表1。

通过3 种货物质量布置模式下的地震作用计算分析发现：①第1 种货物质量均匀满布情况下的结构整体平均位移最大。因为该种模式下的货物总质量最大，相应的地震作用最大。②第2 种货物质量水平向不均匀布置情况下，结构整体扭转效应最为明显，结构布置货物质量部分与未布置货物质量部分的横向水平地震位移存在明显差值。且由于质量分布不均引起的地震扭转效应，导致结构平面角点处的最大水平位移较第1 种模式更大。③第3 种货物质量竖向不均匀布置模式下，因上半部满布货物质量，下半部空置，导致“头重脚轻”，整体重心抬高，结构前两阶自振周期超过了第1种模式。④3种模式下，结构整体水平位移角均满足要求。

表1 地震作用计算结果Table 1 Results of earthquake analysis

综合前述分析，“库架合一”结构体系前3 阶振型呈现出依次为平动、扭转和平动的特点。地震作用下，“库架合一”结构体系的侧向变形呈弯剪型。虽然该结构高度较高（37 m），远大于传统单层钢结构仓库（一般≤18 m），但该结构在水平地震作用下的顶部位移远小于钢结构标准要求（H/250）及工艺要求（H/400），说明“库架合一”结构体系具有良好的抗水平地震侧移性能。

5 结 论

根据上述结合工程实例进行的“库架合一”结构体系抗侧力性能研究，得出的主要结论如下：

（1）“库架合一”结构体系具有良好的抗侧力性能。在水平风荷载和地震作用下，结构顶部位移较小，远小于规范要求和工艺要求，可以满足库板、机械等对水平位移提出的严苛要求，非常适用于高度较大的自动化高架立体仓库建筑。

（2）“库架合一”结构体系最外侧的边排货架受水平风荷载影响最大，中部变形最大，可简化为上下两端铰接的简支梁模型。中间排货架受风荷载作用可简化为施加在货架结构最顶部的水平向集中力。

（3）“库架合一”结构体系的横向整体抗侧刚度最小，纵向整体抗侧刚度最大，整体抗扭刚度位于两者之间，前三阶振型呈现出依次为平动、扭转和平动的特点。

（4）“库架合一”结构体系在地震作用下的变形为弯剪型。反应谱方法最适用于“库架合一”结构体系的抗震计算。

（5）“库架合一”结构体系中，由于屋面桁架将密布货架结构连为整体，具有较强的整体抗侧力性能，更利于抗风和抗震。相对于传统门式刚架结构体系，其省去了主体结构钢柱、钢梁，节省了钢结构用量及基础用量，增加了库容量，因此具有显著的经济效益。

（6）“库架合一”结构体系应用于高架立体仓库时，稳定性控制显得尤为重要，严格控制侧移，保证结构的整体刚度，是结构设计的关键。

（7）“库架合一”结构体系的地震反应受货物质量分布模式影响较大。结构计算和设计应考虑货物质量不均匀分布。