深度解讀《GBT7284-2016 框架木箱》標準（三）

2018-07-12 01:34:16蔡少齡

上海包裝 2018年6期

■ 文/蔡少齡

續2018年4月刊第33頁《深度解讀《GBT7284-2016框架木箱》標準（二）》

1.根據《GB J5-1973 木結構設計規范》導出《GB/T 7284-1987框架木箱》木箱立柱壓曲系數計算公式

對于木材的壓曲問題，我國曾經做過大量細致的研究工作，做了大量的軸心壓桿試驗，并對大量的數據進行整理分析得出，壓曲系數φ值。曲線隨樹種的不同而不同，但基本可歸納為下面的A、B和C三條曲線，如圖13所示。

圖13　我國木材的壓縮系數φ值

對于針葉樹材，A曲線適用于E≥10000 MPa，fc/ fb≥0.94；B曲線適用于E≥10000 MPa，fc/ fb≥0.9；C曲線適用于E≥8500 MPa，fc/ fb≥0.8。

對于闊葉樹材，應按上述標準降低一條曲線采用。

其中，E ——彈性模量；

fc——許用順紋抗壓強度；

fb——許用抗彎強度。

當然，這個fc和fb值是指木建筑設計中的許用強度值，與木包裝箱設計中的許用強度值可能有所不同。另一方面，從這3條曲線的比較可知，在相同長細比的情況下，A曲線算出的許用壓曲強度最大，亦即構件所需的尺寸最小，而由C曲線算出的許用壓曲強度最小，即構件所需的尺寸最大。

在木箱的設計中，若根據樹種的不同而分別采用這3條曲線計算，勢必會給設計工作增加許多麻煩。既然在規定木材的許用強度是已經考慮到平均值這一概念，所以為簡化設計，我們只采用處于中間的B曲線。

此外，再根據《GB J5-1973 木結構設計規范》，受壓構件的計算長度等于實際長度乘以下列不同支持點狀態條件的末端系數：

·兩端鉸支： 1.0；

·一端固定，一端自由：2.0；

·一端固定，一端鉸支：0.8。

但是，框架木箱立柱的支持點狀態條件與上述的不同，《JIS-Z 1403-1984 木質框架式包裝箱》認為它屬于兩端輕度固定，立柱的計算長度等于實際長度乘以0.9，如圖14的d)所示。

圖14　支持點狀態條件

這樣，我們就可以將《GB J5-1973 木結構設計規范》的φ值計算式進行修正，然后用于木箱的設計。《GB J5-1973 木結構設計規范》中B曲線的φ值計算式為：

當λ≤78.5時：

當λ＞78.5時：

式中，λ——有效長細比（λ= l / k ）；

l ——立柱長度，cm；

k——回轉半徑，cm。

式中，I ——截面慣性矩（I = bt3/12）；

b ——立柱截面寬，cm；

t ——立柱截面厚，cm；

A ——立柱截面積，cm2,（A = bt）。

將式（3）分別代入式（1）和式（2）得：

先將式（3）、式（4）和式（5）中的l改為計算長度le，然后將圖10的d) le= 0.9 l代入其中，得有效長細比λ：

由上式得到在木箱設計時區分長柱和中柱的長細比為：

由式（4）得，當 ≤25.2時為中柱，其壓曲系數為：

由式（5）得，當＞25.2時為長柱，其壓曲系數為：

式（6）和式（7）分別乘以木材的許用抗壓強度fc就是《GB/T 7284-1987 框架木箱》立柱設計時的許用壓曲強度計算公式。其中l是柱的高，即箱的內高；t是柱的厚（立柱的厚加上輔助立柱的厚和箱板厚）。

式（7）和日本框架木箱立柱設計用的公式幾乎相同，只是長細比的范圍不同而已。如果將式（6）和式（7）和日本、美國所用的計算式進行比較，則如圖15所示。

圖15　框架木箱設計用的φ — l / t 圖

從圖15 可以看出，我們《GB/T 7284-1987 框架木箱》用的計算式與日本《JIS-Z 1403-1984 木質框架式包裝箱》的計算式相近，比《JIS-Z 1403-1976 木質框架式包裝箱》的計算式節省木材，但都不如美國的節省木材。從圖15還可以看出《JIS-Z 1403-1984 木質框架式包裝箱》的φ — l / t 曲線從短柱到中柱的過渡是一個折線，這是很不合理的；而《GB/T 7284-1987 框架木箱》的φ — l / t 曲線從短柱到中柱的過渡是很圓滑的，是漸變的，是合理的。

2.根據《GB 50005-2003 木結構設計規范》修正《GB/T 7284-1987 框架木箱》木箱立柱設計計算公式

前面已經提到，《GB J5-1973 木結構設計規范》現修訂成《GB 50005-2003 木結構設計規范》。其中建筑用的立柱壓曲系數計算公式已做了修改。所以，我們在制定《GB/T 7284-2016 框架木箱》時，也必須對木箱立柱設計的計算公式做出相應修改。

《GB 50005-2003 木結構設計規范》的5.1.4條規定，軸心受壓構件的穩定系數（即前面提到的φ值），應根據不同的樹種強度等級按下列的公式計算：

①樹種強度等級為TC17、TC15及TB20：

當λ≤75時：

當λ＞75時：

②樹種強度等級為TC13、TC11、TB17、TB15、TB13及TB11：

當λ≤91時：

當λ＞91時：

式中各符號的意義同式（2）和式（3）。

包裝用木材的樹種一般接近于②的樹種強度等級，而且式（11）和式（12）也比較接近于《GB J5-1973 木結構設計規范》中B曲線的φ值計算式（2）和式（3）。所以，我們采用②的樹種強度等級的計算公式。

將式（11）和式（12）此兩式與式（2）和式（3）比較可知，不但公式內的常數有所變化，而且區分長柱和中柱的有效長細比λ值也有變化，從78.5變成91。所以，我們按前面相同的步驟將式（4）分別代入式（11）和式（12）得：

先將式（4）、式（13）和式（14）中的l改為計算長度le，然后將圖9的d) le= 0.9 l代入其中，得有效長細比λ：

由上式得出在木箱設計時區分長柱和中柱的長細比為：

由式（12）得，當≤29.2時為中柱，其壓曲系數為：

由式（13）得，當＞29.2時為長柱，其壓曲系數為：

式（14）和式（15）分別乘以木材的許用抗壓強度fc就是《GB/T 7284-2016 框架木箱》立柱設計時的許用壓曲強度計算公式：

當 ≤29.2時為中柱，其許用壓曲強度為：

當＞29.2時為長柱，其許用壓曲強度為：

式中，fk——柱的許用壓曲強度，MPa；

fc——木材的許用抗壓強度，MPa；

l ——箱的內高，mm；

t ——柱（包括立柱、輔助立柱和側板）的厚度，mm。

注意，式（17）和式（18）中的t不僅僅是立柱的厚度，而且還要加上箱板的厚度和輔助立柱的厚度（如果有輔助立柱時），也就是說將緊貼立柱的箱板的與立柱同寬的部分也作為承受堆碼載荷的受壓構件來考慮。

由于作用于木箱每一個側面上的載荷為堆碼載荷的1/2，所以施加于側面每根柱的堆碼載荷P可由下式求得，見圖16。

圖16　側面每根柱的堆碼載荷

P（kN） = 【堆碼載荷（kPa）×箱的外寬（m）×側立柱中心距（m）】 / 2

對于上式中的P，立柱、輔助立柱和側板（取與立柱相同的寬度）所需的截面積（A）按下式計算：

式中，fk是木材許用壓曲強度（fk= φ·fc）。因此，側面每一根柱的許用壓曲載荷Pk由下式求出：

本標準文件中附錄A的圖A.4～圖A.8的直線，表示相對于各種尺寸側面立柱的中心距和箱的外寬，每根柱的堆碼載荷P；而曲線則表示相應于各種尺寸箱的內高，許用壓曲強度fk與柱的截面積A相乘所得的許用壓曲載荷Pk。如何利用這些曲線去設計立柱和輔助立柱的尺寸，在圖A.4的注中已有說明，此處不再贅述。

為方便設計，我們將圖A.4～圖A.8編制成本標準文件中的表11框架構件尺寸代號確定表，表中的框架構件尺寸代號就是從圖A.4～圖A.8查得的。尺寸代號所代表的尺寸可在本標準文件中的表12查到。

3.日本建筑基準法（1981年實施）和《JIS-Z 1403-2012 木質框架式包裝箱》的許用壓曲強度計算公式

以下列出日本建筑基準法和《JIS-Z 1403-2012 木質框架式包裝箱》的許用壓曲強度計算公式以供參考：

①日本建筑基準法（1981年實施）的許用壓曲強度計算公式：

短柱：當 λ≤30 時

中柱：當 30＜λ≤100 時

長柱：當 λ＞100 時

②《JIS-Z 1403-2012 木質框架式包裝箱》的許用壓曲強度計算公式。

式中各代號的意義和前面的相同。

（四）側面和端面的其他構件

側面和端面的箱板的厚度在本標準文件的表5中已經列出。

另外，前面在介紹框架結構的尺寸時提到，以前我們的框架木箱既無輔助立柱又無梁承，橫梁只靠釘子釘在側上框木上，以致橫梁在儲運過程中很容易塌下，損壞內裝物。所以，本標準規定要使用梁承。

梁承起支承橫梁的作用，它是用釘釘在立柱和斜撐上的，其位置是從側上框木的上緣算起，僅讓出橫梁的厚度。它與側上框木有重疊時，要用釘將兩者釘住，見本標準文件的圖18。

設計梁承的截面尺寸時，我們將梁承看作是彎曲構件，見圖17。橫梁作用在位于兩側立柱中間的梁承上，其載荷的大小就是作用在一根橫梁上的頂蓋載荷，設橫梁的中心矩為600mm就可以得出梁承的截面尺寸計算公式，如本標準文件中的附錄A的A.3 。為便于設計，本標準將此計算式轉化成本標準文件中的圖20，其使用方法見該圖的注。

圖17　梁承的受力情況

六、頂蓋

頂蓋安裝在側面和端面之上，頂蓋的設計首先是橫梁的設計。

（一）橫梁的設計方法

橫梁除承受圖3所示的頂蓋載荷之外，還要承受如圖18所示的起吊繩索的擠壓載荷。但是，只要起吊繩索足夠長，繩索與箱面的夾角很大，這個擠壓力是很小的。所以，橫梁承受頂蓋載荷時，其所需的截面尺寸要比它承受起吊繩索的擠壓載荷所需的截面尺寸大得多。因此，橫梁的設計是以承受頂蓋載荷的彎曲構件來考的。

圖18　起吊繩索對頂蓋的擠壓

頂蓋載荷的大小按本標準的規定，在一級流通環境條件時為4.5 kPa。這時，一根橫梁承受的彎曲載荷W如式（19）所示，見圖19。

圖19　一根橫梁承受的彎曲載荷

式中，W —一根橫梁承受的彎曲載荷，N；

0.0045—頂蓋載荷，MPa；

l1—橫梁的長，mm；

l2—橫梁的中心距，mm。

因為橫梁的長必須滿足：

將式（19）代入式（20）中得：

式中，b —橫梁的寬，mm；

h —橫梁的厚，mm；

l1—橫梁的長，mm；

l2—橫梁的中心距，mm；

fb—木材的許用抗彎強度，MPa。

最好將橫梁的中心距l2定在600mm以下，然后根據式（21）選擇對應于橫梁的長的橫梁的寬b和厚h。

當橫梁較長的時候，為節省木材并非整根橫梁的截面尺寸都一定要等于式（21）算出的那么大，也可在像前面圖A.3所示的滑木那樣，在橫梁的中部的側面用釘釘上厚度與橫梁相同，而長度為橫梁的長的2/3以上的輔助梁，使這部分的橫梁達到所需的截面尺寸。

為便于設計，本標準將式（21）轉化成本標準文件中的圖27，其使用方法見該圖的注。

另外，當起吊繩索太短而且箱太寬時，繩索與箱面的夾角太小時，這個擠壓力相當大，見圖18。這時，需要對橫梁進行受壓構件的強度核算，同時也應對上框木進行加強，如本標準文件中的圖28所示。

對橫梁進行受壓構件的強度核算時，起吊繩索的水平方向壓縮力可參照下述方法求得，如圖20所示。

圖20　木箱的起吊

設木箱的總載荷（包括內裝物載荷和木箱的載荷）為W，起吊角（∠OEC）按《GB/T 5398-2016大型運輸包裝件試驗方法》的規定，試驗時為45°（實際裝卸時的起吊角一般都比45°大。起吊角越小，繩索的水平方向壓縮力越大），起吊鉤與頂蓋的距離OC = h，箱寬為B，箱高為H，頂蓋上兩起吊繩索之間的距離DE = X。可以算出起吊繩索OE的張力為，若繩索對橫梁的壓縮力為P，則：

如果B不變，當X增大時，h增大，從而起吊繩索對橫梁的壓縮力P降低，當X減少時，起吊繩索對橫梁的壓縮力P隨之而增加，其極限是X小到等于零時，h = B / 2，代入式（22）得：

這是起吊繩索對橫梁的壓縮力的最大值（當起吊角為45°時），這是絕對不可能達到的，因為X絕對不可能為零。另一方面，考慮到這個本應是箱的總載荷，但因為在木箱設計階段，即在各構件尺寸還沒最后確定時，箱的總載荷是不知道的，所以為設計上的方便，一般情況下繩索對橫梁的壓縮力可近似地按內裝物載荷的1/4計。

知道了這個壓縮力的大小之后，就可以參考立柱的設計方法對按本標準文件中第6.3.2條設計出的橫梁的截面尺寸進行強度核算，看其是否能抵御起吊時起吊繩索對橫梁的擠壓力。

這里要提醒的是，有時起吊繩索經過頂蓋的位置不一定正好有橫梁，很可能是兩根橫梁之間，這時起吊繩索的橫向擠壓力可能會將側上框木擠斷。為避免此類事故的發生，可按本標準文件中圖28所示的方法加強側上框木。

（二）頂蓋的其他構件

按本標準文件中第6.3.3條的規定，橫梁之間有時會有梁撐，但我國過去很少采用。實際上它可以加強橫梁的穩定性。再說，對其截面尺寸并沒有特別的規定，用方材的下腳料即可。所以，箱寬較大時，最好還是不要嫌麻煩，按標準的規定去做。

連接梁只是B型箱，或A型箱采用B型的頂蓋時才有的。

頂板按本標準文件中第6.3.5條的規定。

七、鋼釘和螺栓的使用方法

對于木箱的制作，如果不選擇適當的釘子或釘釘方法不對，即使木箱設計得很合理，但這個木箱還是抵御不了儲運過程中的外力，對這個問題必須有充分的認識。本標準對釘釘的方法有較為詳細的規定。只有進行正確的釘釘作業，才能保證木箱的整體強度。

所謂握釘力是指木材對已釘入木材中的鋼釘（或螺絲釘）拔出的阻力，即木材對釘子的抗拔力。握釘力的大小與木材的樹種、密度、木紋的方向、含水率、釘子釘進后木材含水率的變化等有關，也隨釘子的形狀、表面特性、直徑和釘入深度等而變化。

通常木材握釘力的大小隨木材密度的增大而增大，但有的木材容易釘裂，因此對于軟的輕的木材可用長點的釘子，對硬的重的木材最好用短點的釘子。

隨著釘入深度的增加，握釘力急劇增加。雖然在這限度內最好是盡可能將長的粗的釘子釘得深些，但由于木材的材質、板厚和釘釘位置等因素，所以釘長也有一定的限制。當將木板釘到一個構件上時，隨著釘長與板厚之比增加到2，握釘力直線增加，但超過3時就沒有多大變化，在3.5倍時大最大值。3倍時的握釘力比2.5倍時約增加20%～30%。所以將木板釘到一個構件上時，釘長一般為板厚的3倍，如圖21所示。

圖21　釘長與板厚

釘子的形狀、表面粗糙度不同，握釘力的大小也不同。釘子表面越粗糙，則握釘力越大。因此，為提高握釘力可采用涂膠釘、刻蝕釘倒刺釘或其他異形釘。鋼釘和螺栓的具體使用方法按本標準文件中的第7章的規定。

八、內裝物的防護和固定

（一）內裝物的防護

內裝物的防護包括防水、防潮和防銹，在本標準中沒有涉及，但這些方法都有相應的國家標準可以參照，如《GB/T 7350-1999 防水包裝》、《GB/T 5048-1999 防潮包裝》和《GB/T 4879-1999 防銹包裝》，這里只著重提一下防潮包裝。

過去我國的防潮包裝是很差的，只是放上點硅膠，再罩上個塑料袋，塑料袋與底板上的油氈無法封口，這根本沒有防潮的作用。因為塑料袋不封口，外界的濕氣可以源源不斷地擴散到塑料罩內，使硅膠很快就失效。而且，木箱經太陽一曬，底下的濕氣往上蒸，濕氣在塑料罩內散發不出去，凝露成許多小水珠，使得塑料罩內濕度反而更大。

今后，必須改變這種防潮材料不封口的做法，不但要放入足夠量的硅膠，還要用封口鉗（電熱鉗）焊封防潮材料，并留出一個小口以便將防潮罩內的空氣盡可能的抽掉，然后再封口。但也要注意抽氣不要抽得太過分，以致內裝物的突出部分扎破防潮材料，所以內裝物的突出部分最好預先用EPE等緩沖材料包好。有螺栓穿過防潮罩的地方應該墊上氣密墊，以防從螺栓穿孔處漏進外界的潮氣。封口完成后，用塑料繩將防潮罩纏緊，以防有漏氣的地方，外界空氣慢慢滲入會使防潮罩騰開，這會吸進更多的外界空氣，如圖22所示。

圖22　防潮包裝

再有，為降低木箱內的濕度，包裝用木材的含水率應盡可能控制在本標準規定的范圍內。而且，為了通風和排水，木箱應該按本標準文件中6.1.2.5條的a)的規定在底板留有間隙，在木箱的側面或端面按本標準文件中第6.2.5條的規定開有通風窗。

（二）內裝物的固定

包裝件在儲運過程中由于會受到振動、急轉彎、緊急制動、風浪或野蠻裝卸等而受到沖擊。對于脆弱的、較輕的內裝物可以用緩沖材料包裹，裝在紙箱內然后再固定在木箱內，即采用防震包裝或緩沖包裝，以防內裝物的破損。對于剛性強的大型重型的內裝物，則必須將其牢牢地固定在木箱的內部，以防其受到外力沖擊時在木箱內發生相對位移，以防內裝物的破損。

內裝物的固定方式與內裝物的質量、結構或狀態密切相關，在本標準中難以給出統一的規定。因此，本標準對固定方法只是提出一般性的要求，而沒有作出具體的規定。

常用的固定方法有：

a）用瓦楞紙板、木材、膠合板或其他材料襯墊。

b）用螺栓緊固；

c）用鋼帶、鋼絲或其他繩索緊固；

d）用金屬材料或木材支撐或壓住；

其中，第一種方法一般用于小型、輕型的內裝物的固定。在容器的內表面與內裝物之間充填泡沫塑料或貼有瓦楞紙板的襯墊。而后3種方法適用于重型大型的內裝物。

原《JB/Z 114-1982出口機床包裝箱》的附錄A（補充件）的機床緊固方法中列有6種緊固方法（螺栓緊固、壓杠緊固、吊籃螺栓緊固、掛鉤緊固、木塊定位緊固和鐵箍緊固）都是適用的。圖23～圖27是從一些資料中摘錄的一些固定方法僅供參考。