(货架倒塌图片来源网络)
现如今仓储物流高度发达,货架吞吐货物效率的提升,仓储货架存储量的加大,地震、撞击等不可控因素,以及对仓储设备成本的压缩来提高企业自身竞争力的表现,均可能为货架安全埋下隐患。
— 新闻报道 —
●2019年长春市农安县一大型冷库14层货架倒塌,造成1人死亡,1人受伤
●2020年巴西一家超市货架连环倒塌,事故共造成1人死亡,8人重伤
●2021年上海松江一仓库7米高货架倒塌,造成多名工作人员受伤
问:货架发生倒塌,都是因为货架承受不住重力而发生倒塌吗?
答:是,但又不全是。
为了方便理解货架倒塌的主要原因,我们尽量用口语化来讲解结构分析。介绍三个物理指标:
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强度:货架能不能撑得住;
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刚度:货架撑住了,变形大不大(刚度控制的典型领域:铁路轨道,变形过大不会坏,但已失去功能性);
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稳定性:货架变形了会不会摇来晃去从而倒塌。
由于货架立柱的特殊形式:冷弯薄壁型钢的材质、单轴对称开口的截面、立柱连续均匀开孔等原因,梁与柱半刚性连接,不像楼房节点为钢筋锚固并浇砼成为一体的刚接;柱底为化学螺栓或膨胀螺栓居多的连接方式。
看起来就很不经撞,实际性能表现也不经撞;
所以稳定性成为货架结构是否倒塌的关键原因,也几乎是主导原因。
国内外标准
货架的结构安全
介于从设计、科研考虑的前沿范畴,再到运行维护的现场检测环节,货架检测针对于以下能代表安全隐患的侧重面实施现场抽验(结构安全重视度均用★和☆标出):
立柱垂直度超标将为货架结构体系失稳创造条件。
垂直度超标的主要原因:在受到水平力的情况下,如轻度碰撞,产生立柱的移动;因顶部侧移过大造成弯曲变形,在竖向荷载(自重、货重、其他荷载重)作用下,弯曲变形引起附加弯矩,进一步使变形增大,终造成失稳破坏的后果。
其力与位移的关系在其中相互耦合造成失稳,因此应在设计阶段、施工安装阶段、现场检验阶段严格控制钢货架立柱的垂直度指标。
在T/CSCS032-2022《货架钢结构检测与评定标准》中,对行业内货架的垂直度指标进行了整合,提出了适用于设计与现场检验的直观数值。
针对于不同货架类型,货架立柱垂直度限值如下:
GB/T 27924-2011《工业货架规格尺寸与额定荷载》中介绍了横梁的两种主要形式:抱和梁和C型梁
从结构安全考虑:不开孔的薄壁型钢,双轴对称、惯性矩大,抗弯性能好的截面特征使得在常规重型货架检测中检测横梁挠度时,检测数量并没有垂直度指标的检测数量多,对于不常规的情况:超载,肉眼可见的横梁下垂等情况,则应适当加大检测数量。
对不同的货架类型的横梁挠度,国家新规GB/T 41514-2022 《钢结构货架使用安全与评估规范》整合了各货架相关标准的现场评估限值,而T/CSCS032-2022《货架钢结构检测与评定标准》对挠度进行了补充参考。
国家新货架评估规范GB/T 41514-2022如下:
T/CSCS032-202的指标整合如下:
与挠度相关联的是在JB/T 14032-2021 《钢制货架载荷试验方法》中的垂直静载荷试验和T/CSCS032中的使用性检测和承载力检测。均是从强度(承载力)和刚度(使用性)进行试验加载。
值得注意的是,当横梁截面太高而本身薄壁的过载情况,可能会产生横梁的扭转,产生原因为荷载过大且偏离截面弯心(特别是C型梁截面),因此应实际按照GB/T 27924-2011《工业货架规格尺寸与额定荷载》进行选取横梁尺寸,不宜选择高宽比过大的截面。
在货架结构中,柱脚根据连接于底板的方式大致分为两类柱脚:
1)套接式柱脚:通过连接件将立柱连接到柱脚底板上,再采用锚栓将柱脚底板锚固于地坪上;因为装配式,成本较低,施工方便。
2)端板式柱脚:立柱直接采用焊接方式连接于底板上,因需要焊接,成本较高,但安全性高,适用于需考虑风荷载的货架或高位货架,常见于自动化立体库和库架合一式货架。
实际货架使用的地脚螺栓,普遍采用的是膨胀螺栓而不是高强螺栓,在实际检测中,地脚螺栓松动,扭矩值不达标几乎是常事。而且当螺栓孔位距立柱越近,所产生的弯矩抵抗矩越小,越容易出现底板一侧翘曲,越不安全。
01

偏心套接式柱脚
02

端板式柱脚
立柱片即为两根立柱通过横斜撑连接起来,在垂直于巷道方向提供抗侧移刚度的组合体。
EN15512对于立柱片,可由其横斜支撑与立柱连接的角度进行如下分类:
X型、常规D型、非常规D型、Z型、K型
(立柱片分类▲)
国标GB/T41514-2022中对于立柱片损伤的检测方法如下:
EN 15635-2008对于立柱片损伤的测量办法:
以上可以看出无论是国标还是欧洲EN标准,对于立柱片损伤均是以“一米标距”的量程为计算原则,所以在实际测量中,以一根经计量后的笔直的一米钢直尺作为参照,在弯曲范围内测量取蕞大值,比较原理应是:(单位:mm),相较与直接将测量数据与规范值进行比较的做法,更为准确。
立柱片损伤的检验原理大致如下:
立柱片的损伤常常是由于频繁存取货物造成的机器刮碰,随货物出入频次增多而增多。标准中将其定义为残余变形,其实也可以说是钢构件的弯曲屈曲模式下的残余变形。弯曲屈曲指构件受力时屈曲绕其截面的一个主轴产生的弯曲变形的模式,其属于整体屈曲的一种,常见于钢结构中。下面主要介绍下规范限值的大致思路。
对于弯曲屈曲模式下的破坏实际分析大致如下:
参照GB/T28576-2012《工业货架设计计算》的说法,钢货架立柱片的立柱简化为梁单元,可承受横向力和弯曲力矩,稳定性指标是否满足要求是其主要条件;在此将弯曲屈曲作为主要的破坏模式,即先发生弯曲屈曲模式,计算其弹性临界荷载,简化构件两端约束条件,由临界荷载值可得其极限应力强度;由荷载临界值去做现场试验,在主控失稳为弯曲失稳情况下(冷弯薄壁钢带开孔很难不考虑局部失稳),通过数值模拟和不断现场试验,得出屈曲模式下的屈曲半波长,可能再根据此屈曲模式下的实际半波长去拟合数据,再在此基础上乘以一个安全系数,即得出其残余变形限值。
此值是一个比值,也可通过简单的一阶线弹性分析:梁的挠曲线微分方程
弹性临界荷载确立以后,挠度的确定与跨度、材质、截面形状有关。
因此,实际的货架立柱片损伤,是借助于对于货架构件结构稳定性的考虑进行的检测,当然在T/CSCS032中提及考虑局部屈曲和畸变屈曲下的半波长进行的限值;出于设计保守考虑,其值可能有一定的安全冗余度,但对于立柱片损伤的检测不可小觑,应进行针对性的检测,否则将会对货架结构埋下安全隐患,造成企业损失。
我国蕞早的钢货架结构设计规范CECS23:1990中对于组装式钢结构货架的定义:组成货架的横梁与立柱间采用机械式锁紧装置连接且与建筑物分离的可拆装的货架,由此可知道组装式货架的蕞大特点是梁柱连接并非刚接,而是处于刚接和铰接之间的半刚接连接。
市面上流行的钢货架梁柱连接通常为挂齿式连接和螺栓式连接
01

挂齿式连接
(半刚接连接)
02

螺栓式连接
(半刚接连接)
所以对于梁柱节点的检查:
①应该对于安全销的脱落进行查找排除和记录(这一点很重要,从逻辑上解释:安全销脱落,多半是叉车错误操作,狠狠顶撞了上部横梁,它不经撞,横梁安全销脱落,但同时挂齿连接说不定也被顶撞而松动了,松动了无法承载过多重物,再一承载该货位将存在危险,也是为什么打四颗小星星的原因。)
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