深度解讀《GBT7284-2016 框架木箱》標準（一）

■ 文/蔡少齡

一、前言

《GB/T 7284-2016 框架木箱》、《GB/T 18925-2016 滑木箱》和《GB/T 12462-2016 普通木箱》三項國家標準已于2016年2月24日發布，并分別于同年5月15日、5月5日和5月15日實施。

這三個標準之中，《GB/T 7284-2016 框架木箱》標準是重中之重，是最基本的。其余兩個標準的制定都引用了它。只要搞清楚了這個標準中框架木箱設計的基本理念，滑木箱和普通木箱標準就不難理解了。所以，以下主要是對《GB/T 7284-2016 框架木箱》標準中框架木箱設計的基本理念進行一個說明。

《GB/T 7284-2016 框架木箱》標準是對《GB/T 7284-1998 框架木箱》的修訂，而其最早的版本是《GB/T 7284-1987框架木箱》。在1987年之前，框架木箱的設計可參考的有我國機械工業部的標準《JB/Z 114-1982出口機床包裝箱》，以及前蘇聯的標準《ΓOCT10198-1978》、美軍的標準《MIL-C-104B》和日本的標準《JIS-Z 1403-1984 木質框架式包裝箱》等。在制定《GB/T 7284-1987框架木箱》標準的時候，我們對這些標準進行了充分的比較，最后確定參考《JIS-Z 1403-1984 木質框架式包裝箱》制定我們國家的框架木箱標準。

當時，考慮到我國國情與日本不同，為穩妥起見，對設計的基本條件—頂蓋載荷和堆碼載荷以及滑木尺寸等的規定，基本上是參考這日本標準的前一版本《JIS-Z 1403-1976 木質框架式包裝箱》。所以，《GB/T 7284-1987框架木箱》實際上才相當于日本上個世紀七十年代的水平。

1998年在修訂《GB/T 7284-1987框架木箱》時，除了刪除了其中對外框架木箱的規定之外，其他沒太大的改動。

然而，由于森林資源的匱乏和世界物流環境的改善，日本的《JIS-Z 1403-1984 木質框架式包裝箱》早已分別于1995年、2003年和2012年三次修訂標準，在保證產品安全的前提下再進一步降低了木材的消耗。

所以，《GB/T 7284-1998 框架木箱》框架木箱等國家標準，已經很不利于節約和保護森林資源，同時也不適應于我國包裝技術水平的發展。加之，制定《GB/T 7284-1987框架木箱》時我們所參考的重要標準《GB J5-1973 木結構設計規范》木結構設計規范也經過兩次修訂，成為《GB 50005-2003 木結構設計規范》。

因此，《GB/T 7284-2016 框架木箱》對于1998年的標準作出了較大的修訂，其中主要內容的變化如該標準的前言所述。以下就新標準中的一些重要規定作一些深度的解讀與說明。

二、木材的許用強度

木材的許用強度是木包裝箱設計時的重要依據。關于木材許用強度的確定，這是一個比較復雜的問題。一般資料，如《中國主要樹種的木材物理力學性質》所給出的木材強度是采用沒有缺陷，含水率為15%的木材，對其施加靜載荷，測其強度數據的平均值，此稱為試驗強度、標準強度或極限強度。

但是，由于木材總是存在著這樣或那樣的缺陷，而且即使是同一樹種，產地不同、樹齡不同、取材部位不同，其強度亦不同。再考慮到木材的木節和紋理，因干燥而收縮，對于公稱尺寸的實際尺寸大小，以及木箱在儲運過程中所受到的沖擊等因素。所以，在設計木箱時不能直接套用木材的試驗強度，而必須將試驗強度打個折扣，換算成許用強度或設計強度。

至于這個折扣如何打，則與木材本身的情況和使用環境條件等有關，但由于考慮的方法不同而各有差異。所以，不同的標準、設計手冊等資料中有不同的計算方法。

（一）日本包裝用木箱標準對木材許用強度的規定

首先，從試驗強度計算出木材的基本強度：

基本強度=試驗強度×變異率×沖擊載荷系數

其中，變異率是指由于木材的不均一性、因干燥而收縮以及相對于公稱尺寸的最小尺寸所產生的強度降低常數，取值3/4。

沖擊載荷系數是指相對于靜載荷，對起吊、跌落、振動等沖擊載荷的安全系數，取值1/3。

因此，基本強度的計算公式如下：

基本強度=試驗強度×3/4×1/3=試驗強度×1/4

表1 木材強度的降低率 (%)

然后，木材的許用強度是從基本強度減去木材缺陷所造成的降低率而得到的強度。木材缺陷的強度降低率如表1所示。計算時只考慮降低率較大的一方。

1、許用抗彎強度的計算

在日本，包裝用的木材一般是輻射松、鐵杉、落葉松等，其中試驗強度最低的是輻射松，其抗彎的試驗強度為68.65MPa。因此，基本抗彎強度可由下式算出：

基本抗彎強度=68.65×1/4=17.16（MPa）

根據表1。降低率較大的一方是：

徑向時，紋理傾斜度在1/10時為39%（日本標準規定，包裝用木材紋理傾斜度≤1/10，木節的大小占材寬≤1/3）；

弦向時，木節的大小占材寬1/3時為53%。

所以，由基本抗彎強度求許用抗彎強度時，可由下式算出：

2、許用順紋抗壓強度的計算

輻射松順紋抗壓的試驗強度為32.36 MPa。因此，基本順紋抗壓強度可由下式算出：

根據表1。降低率較大的一方是紋理傾斜度為1/10時的26%，所以，由基本順紋抗壓強度求許用順紋抗壓強度時，可由下式算出：

圖1 木節和群生節直徑的測定

3、許用順紋抗拉強度的計算

輻射松順紋抗拉的試驗強度為98.07 MPa。因此，基本順紋抗拉強度可由下式算出：

根據表1。降低率較大的一方是紋理傾斜度為1/10時的39%，所以，由基本順紋抗拉強度求許用順紋抗拉強度時，可由下式算出：

（二）《GB 50005-2003 木結構設計規范》對木材許用強度的規定

《GB 50005-2003 木結構設計規范》對普通木結構用木材規定其樹種的強度等級如表2和表3所示。

在正常情況下，木材的強度設計值及彈性模量應按表4采用。

該標準還規定木材的強度設計值和彈性模量，在不同使用條件下尚應乘以一定的調整系數，對于不同的設計使用年限也應乘以相應的調整系數（因為建筑物的使用年限最短5年，長則25年、50年、100年及以上），此外還有一些其他的調整系數，相當復雜。

《GB 50005-2003 木結構設計規范》是對建筑木結構的規定，木包裝箱不同于建筑物，因為木包裝箱與建筑物比起來，它是短期使用的。但是，它卻需要承受儲運過程中的沖擊載荷。所以，《GB 50005-2003 木結構設計規范》的規定對我們來說只能作為參考用。

（三）《GB/T 7284-2016 框架木箱》對木材許用強度的規定

考慮到我國幅員遼闊，各地所用木材的樹種、材質等較復雜，而且其強度差距相當大。如果像日本那樣以我們常用樹種中強度最低的樹種的許用強度為基礎，規定出各構件的尺寸，對于一般樹種來說，勢必會導致構件的尺寸過大，不利于木材強度的合理利用，也就是不利于木材的節約。

表2 針葉樹種木材適用的強度等級

表3 闊葉樹種木材適用的強度等級

表4 木材的強度設計值和彈性模量（N/mm2）

同時，又考慮到《中國主要樹種的木材物理力學性質》中給出的各樹種的試驗強度本身就是一個平均值。即使同一樹種，其實際的試驗強度與該書給出的試驗強度的差距亦相當大。例如紅松木材的順紋抗壓強度為334 kgf/cm2，變異系數為12.5%，當概率為99.7%時，其最大值按X+3V%估計為334×（1+3×125/100）=459 kgf/cm2；其最小值按X-3V%估計為334×（1-3×125/100）=208 kgf/cm2，最大值竟是最小值的2.2倍。

綜合考慮上面這些因素，我們將我國包裝箱常用書中的試驗強度（具體可以參閱中國林業出版社在1982年10月出版的《中國主要樹種的木材物理力學性質》一書，書中有制作框架木箱常見樹種木材的物理力學技術參數與相關數據。）進行平均，再除以安全系數得許用強度。

至于這個安全系數，對我國的木材來說一般取3.5～6，考慮到包裝箱在儲運過程中受力的特點及我國包裝用木材材質一般較差等因素，在本標準中對抗彎及順紋抗拉強度，這個安全系數暫定為7，而對于順紋抗壓強度則定為5.5。表5就是根據這種考慮方法得出的包裝用木材的試驗強度的平均值和許用強度。

木材受彎時，其許用強度與受力方向（即徑向使用和弦向使用）是有關的。一般徑向使用時的許用強度大于弦向使用時的許用強度（見前面的“1. 日本包裝用木箱標準對木材許用強度的規定”）。但是，因為在實際制箱過程中往往不注意這個問題，或木材本身的一些原因，即使分開規定也沒什么意義，所以在標準中不予以分別考慮，但在制箱時，對于彎曲構件還是應該盡可能采用徑向使用。

本標準中各圖表規定的構件尺寸都是以表5的許用強度計算得出的。如果實際使用的樹種的試驗強度與表5的試驗強度平均值相差不大，則可以直接采用本標準規定的構件尺寸。否則，可根據實際使用樹種的試驗強度除以本標準規定的安全系數，得其許用強度。然后，以這實際使用樹種的許用強度與表5許用強度之比來調整構件的尺寸，這在本標準的相關圖表下面的注中都有說明。

表5 包裝用木材的試驗強度平均值和許用強度（MPa）

圖3 頂蓋載荷和堆碼載荷

三、頂蓋載荷和堆碼載荷

在儲運過程中,包裝箱主要承受如圖3所示的兩種狀態的上部載荷。圖3的a）為頂蓋載荷，頂蓋載荷主要由橫梁等頂蓋構件來承擔；圖3的b）為堆碼載荷，堆碼載荷主要由側面的框架結構來承擔。這兩種載荷值的確定是根據儲運條件來定的。

頂蓋載荷與堆碼載荷的確定是一個比較復雜而又慎重的問題，各國的標準一般都是從大量的儲運情況中進行統計，逐步摸索出來的。以下以日本的標準為例。

（一）頂蓋載荷

日本過去的標準中曾規定橫梁所承受的頂蓋載荷為250kgf/m2，結果設計出來的木箱在儲運過程中橫梁的損壞經常發生。后來，根據美國林產試驗所的報告，對頂蓋載荷作了如下的假設：

1、相同尺寸的箱子堆碼在一起時，或利用比頂蓋寬度大的墊木在箱子上堆碼尺寸較小的箱子時，頂蓋載荷約為250kgf/m2。

2、不用墊木而將尺寸較小的箱子直接碼放在下面箱子的頂蓋上時，頂蓋載荷為500kgf/m2～850kgf/m2。

參考了這一點，日本在1976年修訂標準時，將頂蓋載荷規定為500 kgf/m2。但是，經過十幾年的實踐，發現按500kgf/m2頂蓋載荷的橫梁已很少發現損壞，所以在1984年修訂標準時將500kgf/m2的頂蓋載荷改為400kgf/m2。

隨著世界各地儲運條件的逐步改善，特別是集裝箱運輸的普及，1995年日本將流通條件分為1級和2級：

1級：適用于轉載次數多，有可能會受到非常大的外力時。主要是用散貨船進行的出口運輸，或即使是用集裝箱的出口運輸但卻在碼頭裝集裝箱，或在目的地從集裝箱卸貨再配送的情況；

2級：適用于轉載次數少，沒有可能受到非常大的外力的情況。主要是國內運輸，或即使是出口運輸但采用的是集裝聯運。

所以，1995年的日本標準中，1級的頂蓋載荷仍為400kgf/m2（3.9kPa），但2級的頂蓋載荷為1級的2/3，即265kgf/m2（2.6kPa）。2012年修訂標準時它們分別圓整成4.0kPa和2.7kPa。

我國《GB/T 7284-1987 框架木箱》根據我國的實際情況，對頂蓋載荷的規定是：頂蓋載荷按頂蓋面積規定為5.0kPa（510 kgf/m2）。1998版沒有動。2016版的規定為：作用于橫梁的頂蓋載荷按頂蓋面積計算，一級（流通環境）為4.5 kPa，二級（流通環境）為3.0 kPa，比日本標準保守一點。所以，按我國標準設計出的橫梁的截面尺寸會比按日本標準設計的大一點。

（二）堆碼載荷

正如前面所說的，堆碼載荷主要由側面的框架結構來承擔。實際上，在日本的標準中，堆碼載荷的大小是立柱的尺寸和數量設計的主要依據。堆碼載荷規定得大了會造成立柱的截面尺寸過大或立柱的數量過多，浪費木材。反之，規定得小了會造成立柱的截面尺寸過小或立柱的數量過少，導致木箱框架結構強度不足，儲運過程中容易被壓塌。

日本考慮到在散貨船的船艙中，一般越重越大的木箱堆碼在下面，越輕越小的木箱堆碼在上面。所以，在日本的標準中是根據內裝物的重量來規定堆碼載荷的。這幾十年來，由于世界各地儲運條件的改善，特別是集裝箱運輸的普及，同樣的堆碼載荷所相應的內裝物質量越來越大，見表6。

從表6可以清楚地看出日本對堆碼載荷應如何規定的摸索過程。

我國《GB/T 7284 框架木箱》對堆碼載荷的規定的變化情況如表7所示。

表6 日本標準中堆碼載荷與內裝物質量限制

表7 我國標準中堆碼載荷與內裝物質量限制

四、底座

底座是指框架木箱的底面，起安裝側面、端面及支承內裝物的作用。在標準中規定了幾種結構形式的底座，用戶可根據內裝物的情況靈活選用。

底座的各構件中，滑木是最重要的構件之一，它應該怎樣設計？這是在設計底座時首先遇到的問題。

（一）滑木的設計方法

在我國《JB/Z 114-1982 出口機床包裝箱》標準中，對滑木的設計是參照前蘇聯上個世紀50年代的標準中的滑木列線圖的設計方法，該設計方法是將滑木簡化為單純簡支梁的力學模式得出的，因此滑木用材非常多。前蘇聯在1978年修訂標準時已經將列線圖的設計方法取消并做了較大的改進，而我國卻一直沿用這一方法。

但是，滑木的設計還有另外一種方法，這種方法以日本和美軍的設計方法為代表，他們設計出的滑木用材比前蘇聯的少得多。若以MB1520磨床為例，分別按我國部標、日本、美軍和前蘇聯標準設計框架木箱，在底座的用材上，我國與前蘇聯的幾乎相同，而日本的最少，特別是滑木的用材僅為我國的35.3%。

為什么同是滑木，其用材卻有這么大的差別呢？這主要是基于兩種不同的考慮方法：一是把它視作彎曲構件，即在用繩索起吊木箱時，滑木是以起吊點為支承點的梁，而內裝物的載荷完全由它來承擔；二是把它視作拉伸構件，即在用繩索起吊木箱時，把滑木看作是側面桁架的下弦材，因此內裝物的載荷由滑木和側面來共同承擔。我國部標和前蘇聯標準屬前一類型，而美軍標和日本標準屬后一類型。

至于哪種考慮方法對，我們認為第二種方法對。因為第一種考慮方法把滑木孤立起來對待，沒有考慮整個木箱的整體性。

（待續）