高位钢货架结构单螺栓和双螺栓支柱柱脚对比分析

杜 斌，彭皓琨

（1.广东顺力智能物流有限公司，广东 东莞 523710；2.华南农业大学 水利与土木工程学院，广东 广州 510640）

1 引言

目前，随着我国经济体量的不断增大，生产力水平大幅度提高，电子商务、物流等成为市场中新兴的活跃行业，线上购物成为最主要的消费方式。物流行业的飞速发展促进了仓储模式的更新，用于存储的钢货架从之前的低层货架变为自动化高位货架[1]，承载强度也逐渐加大。

组装式钢货架是目前的主流货架设计方法，货架节点的强度是决定货架承载能力的重要因素之一[2]。柱脚节点作为钢货架与地基基础连接的构件，不仅承担了货物的巨大重量，同时也承受钢货架本身的重量，所以柱脚节点的承载力设计是重中之重。目前，行业内采用的柱脚连接方式分为两种：双螺栓连接和单螺栓连接，但在设计中如何准确选择柱脚的连接方式却没有具体的规范说明。大多数情况下，设计师只是根据经验，并结合实际可加工性[3]，进行柱脚构件各尺寸的选择。

国外对于柱脚节点的研究相对较多，欧规EN15512（2009）[4]规定了通过具体的试验准确确定柱脚的承载和刚度，美规RMI[5]建议基于底板尺寸和使用地面材料的弹性模量公式计算柱脚的转动刚度。国内对于柱脚节点的研究相对来说比较匮乏，目前还未出台有关钢货架节点的设计规范，大多数情况下需要按照钢结构设计规范相关要求进行验算。戎凯[6]通过对货架柱脚节点进行试验加载分析，提出增加底板的厚度对柱脚节点受力有较大提高，并且得出化学锚栓的间距越小，柱脚节点的等效刚度越大。针对钢货架柱脚，已有的研究一般都是将柱脚节点等效为刚性节点进行分析[7]，并没有针对具体的连接方式提出有效的设计结论。

本文通过对双螺杆连接与单螺杆连接两种钢货架设计中常用的柱脚节点形式进行受力分析，对比其受力特点，为今后钢货架结构柱脚选型提供依据。

2 计算模型与计算参数

2.1 计算模型

假定地基承载能力和固定螺栓锚固满足受力要求，计算简图如图1所示，立柱截面形式和尺寸如图2所示。其中，采用单螺栓连接情况下，螺杆与上节点板连接于立柱中心；采用双螺栓连接情况下，螺杆与上节点板连接于立柱两侧。两种连接方式的承压螺栓与节点底板焊接之后，通过焊接在下节点板，并通过螺栓锚固于混凝土地板。

图1 计算简图

图2 立柱截面图（mm）

2.2 计算参数

按照实际工程常用荷载，设每个柱位荷载为10T，螺栓和节点板均采用Q235钢材[8]，钢板抗剪强度120N/mm2，抗弯强度205N/mm2，抗压强度205N/mm2，屈服强度235N/mm2，螺栓承压强度305N/mm2，尺寸选取见表1。

表1 计算参数（单位：mm）

单螺栓为M30 级，双螺栓为M24 级，尺寸参数[9]见表2。

表2 螺栓参数（单位：mm）

3 计算过程及结果汇总

3.1 受力分析

3.1.1 双螺栓

（1）双螺栓连接钢板抗弯强度计算。按照以上尺寸参数，上节点板螺栓孔形心到立柱边缘距离为40mm。根据受力平衡可知每一侧螺栓承受承载为5t，即一侧钢板受力为49 000N。

上 节 点 板 弯 矩 为 ：M=49 000×40=1.96×106N/mm2。

（2）双螺栓连接钢板抗剪强度计算。

钢板所受剪力：V=49 000N；

钢板截面面积：A=150×20=3 000mm3，于是

（3）双螺栓连接螺纹牙抗弯强度。

其中：p-螺距；D-螺杆大径；z-实际工作的螺纹牙圈数；螺杆长度h 取h=0.541p；螺纹牙底宽度b 取b=0.75p，螺纹牙圈数z 根据所加承压螺母中螺纹牙圈数确定。

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（4）双螺栓连接螺纹牙抗剪强度。

容许应力的限值：

其中：S-安全系数，通常取2～4，本文按照重要程度取4。

（5）双螺栓连接螺杆轴压计算。

de-杆有效直径；螺栓承压强度值。

3.1.2 单螺栓

（2）单螺栓连接螺纹牙抗弯强度计算。单螺栓连接下对螺杆螺纹牙抗弯强度的验算采用式（3）计算得：

（3）单螺栓连接螺纹牙抗剪强度计算。

单螺栓连接下对螺杆螺纹牙抗剪强度的验算采用式（4）和式（5）计算得：

（4）单螺栓连接螺杆轴压计算。单螺栓连接下对螺杆轴压计算采用式（6）计算得：

3.2 计算结果汇总对比

根据以上计算结果，整理汇总见表3。

表3 螺杆连接计算结果汇总

由表3 可知，应用单螺栓连接的情况下，螺纹牙抗剪安全系数最低，说明单螺栓连接时螺栓型号的选择是控制因素；选择双螺栓连接的情况下，钢板抗弯安全系数最小，此时，钢板材料参数和厚度是控制因素。

4 结论

本文针对两种钢货架柱脚连接方式分别进行受力分析和数值计算，得出在应用单螺栓连接情况下，需要增大螺杆的尺寸，以满足螺栓螺纹牙抗剪强度和螺杆轴向压力；采用双螺栓连接情况下，选择合适的节点板材料以及尺寸以满足节点板抗弯强度。考虑到施工工艺方面，单螺栓连接使用频率较多，加工施工方法较为成熟；经济性方面，单螺栓连接提高螺杆等级较双螺栓连接增大节点板尺寸更为经济。

综上所述，只考虑轴向承载力，且各项强度均满足条件的情况下，结合施工简便性和经济性，选择单螺栓连接更经济和安装方便。