自動化立體倉庫貨架柱腳力學分析

程亮

摘? 要：自動化立體倉庫在現代物流倉儲系統中被有效運用，在該種全自動化貨架中，存取貨活動更加便捷，高層倉庫的可靠性與合理性也隨之增強。設計貨架時，必須要把控相應的貨位空間與標準尺寸，確保貨架柱腳維持合理的受力狀態，不會輕易出現倒塌等危險事件。文章結合某市南區商超自動化立體倉庫項目的情況，對貨架柱腳部分的設計工作，展開力學方面的研究，并建設相應的模型，全面保障該商超內部的自動化貨架的安全使用。

關鍵詞：自動化立體倉庫貨架;柱腳;力學設計;模型

中圖分類號：F253.4? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0065-03

Abstract： Automated warehouse is effectively used in modern logistics warehousing system. In this kind of fully automated shelf， it is more convenient to access goods， and the reliability and rationality of high-level warehouse are also enhanced. When designing the shelf， it is necessary to control the corresponding space and standard size of the cargo space to ensure that the base of the shelf column maintains a reasonable stress state and will not easily collapse and other dangerous events. In this paper， combined with the situation of the commercial super-automated warehouse project in the southern district of a city， the design work of the shelf column foot part is studied， and the corresponding model is constructed to ensure the safe use of the automated shelf inside the commercial super-district in an all-round way.

Keywords： automated warehouse shelf; column foot; mechanical design; model

自動化立體倉庫貨架的柱腳系統需要保持合理的受力結構，這類貨架的構成材料主要為鋼筋混凝土或者鋼材料，建設貨架時必須關注相關結構系統的設計合理性，包括柱腳部位以及巷道等。本文參照某項目的情況，從力學的角度，探討柱腳的受力情況，并建設相應的力學模型。某市商超運用全自動化貨架，其柱腳部位的受力情況比較特殊，通過力學設計優化可以提升柱腳系統的穩定性。力學分析與設計的過程如下：

1 項目概況

2016年11月到2017年10月，嘉興南區某項目與無錫某商超自動化立體倉庫貨架項目均形成了完善的現代化電商倉儲分揀系統，可以全方面地支持顧客退貨處理、配送、包裝與分揀等物流服務。這兩種項目均能夠滿足未來一段時期內的電商發展需求，優化天貓商超各個區域的物流配送中心時可參照這兩個項目的倉庫貨架來確定設計標準與相關指標。

立體倉庫分別被設立于嘉興與無錫，兩個倉庫總建筑面積均為12000m2，項目一的立體倉庫貨架高度達21m，共有23條巷道，12層，儲位共計45000個;項目二的貨架高度為21m，層數為12層，只有22條巷道，儲位為43000個?，F結合項目中的倉庫貨架的情況，對柱腳受力情況展開研究，通過建模來確定具體的受力形式以及相關受力數據。

2 自動化立體倉庫貨架柱腳工作原理

貨架柱腳主要可支持固定柱構件的下端，使其與基礎部位有效連接，將柱身施加的內力轉移給基礎系統。在鋼材質的貨架的結構系統中，柱腳節點發揮重大作用，其形式種類豐富，結合現有的柱腳研究理論可知，從柱腳強度的角度對幾種柱腳形式進行對比，可調式柱腳的強度最低，預埋板式柱腳的強度最高，墊片式柱腳與灌漿式柱腳的強度值差異不大。

墊片式柱腳的技術原理如下：利用化學螺栓可固定地面系統與底板，添加墊片后可調整貨架的實際水平度，這種柱腳更適合具有一定平整性的場地中，如果地面平整度比較低，其應用成本也會隨之升高?？烧{式柱腳比較靈活，運用化學螺栓可固定其下底板，調整貨架水平度時需利用可調螺母與上底板，這種柱腳在平整度一般的區域也可被使用，在螺栓可調節范圍內調整柱腳不需增加技術成本[1]。

如果需將地面當做基礎系統，可使用預埋件式柱腳，在預埋件上焊接可調螺栓，通過調整可調螺母的位置來控制貨架水平度，完成所有調試貨架的工作后，直接在可調螺栓分布區域展開二次澆筑工作，增強柱腳的穩定程度，如果沒有完整的基礎系統可運用該種柱腳，實現貨架與倉庫合一的目的。灌漿型柱腳與預埋式柱腳的應用原理相似，在大多數場地中可發揮作用。

3 貨架柱腳力學計算

3.1 計算與設計難點

在本次項目優化過程中，技術人員必須參考實際的貨架建設條件來完善柱腳設計方案，如果單一運用傳統化的預埋板完成柱腳設計工作，不僅項目的技術成本比較高，同時柱腳施工的難度也會大幅提升。因此采用建模分析的方法，確定在不同工況條件下柱腳的實際受力情況，借此獲取上拔力、最大壓力數值，轉變設計柱腳的方法，利用化學螺栓支持的技術方法固定柱腳。調整施工方法，與預埋時柱腳設計相比，成本降低20%，施工方法更加靈活，倉庫貨架建設區域的基礎土建施工時間被縮短，設計者優化了節點部位的設計工作。

3.2 常規參數設計

該項目的安全等級相關參數如下：抗震設防烈度為7度，場地類別為Ⅱ類;設計荷載參數代號：最大活載PL，活載為LL，地震載荷為EL，恒載為DL。

DL為鋼結構本身的重量，根據已知項目信息可知，重量為60kg/層;PL為12層貨物載荷：1600kg/層;LL設置為100%最大活載。

3.3 地震效應分析

參考相關抗震規范的要求，阻尼比數值設定為0.04，該地區的地震加速度為0.10g，展開貨架結構系統的相關抗震設計工作，只需參照水平地震作用即可，不需計算豎向地震作用，計算橫、縱兩個方向的水地震作用的標準值時可運用以下公式：

計算地震作用時，還需根據活載種類設計情況，確定相關的組合值系數與相關的標準值，活荷載的組合值系數為0.5，屋面活荷載的相應數值為0，根據實際情況確定貨架各層的活荷載建筑時，數值被設計為1.0，根據等效均布荷載確定組合值系數數值為0.8。

貨架結構的基本自振周期T1可按下列方法計算：

經過計算后得到荷載組合（抗震驗算）結果如下：

4 建模分析

借助現有的貨架結構資料確定計算模型，為了縮減計算量，直接提取當前結構系統中的典型貨架單元展開計算工作，有限元模型如圖1：

結構模態可直接反映出結構在受到地震作用影響后形成的反應，運用模態分析的方法可確定結構的具體自振周期數值，強化結構系統的抗震性能[2]。

貨架結構在一定的外部荷載作用下會出現變形的情況，在不同荷載組合的工況條件下，最大側向位移的情況也存在差異，無論是承載力達到極限狀態，還是在正常使用的情況滿足極限狀態條件，該貨架結構的側向位移均不會超出限制設置。貨架結構系統的內力分布情況被完整地儲存到相應的數據庫中，校核結構構件時可運用這些數據資源，在不同的荷載組合條件下，結構構件內力分布情況也比較清晰[3]。

分析柱腳節點的實際剛度數值時，必須有效區分不同的條件，在常規的鋼結構系統中，底板系統的柱腳節點會被直接設置為鉸接節點，處理方式也比較簡單，在鋼材質的貨架結構中，這種方法并不能發揮作用，研究柱腳節點的受力情況時，應關注立柱的性能，建設相應的模型進行分析，參考柱腳節點的具體剛度設定值，計算立柱的長度。焊接底板與貨架立柱時，選擇使用的焊接方式也會影響到最終的節點彎矩，利用全部焊接的手段處理立柱角部區域時，雖然節點的剛度水平提升得并不明顯，但是可有效預防建筑焊接撕裂的問題。增加底板的厚度之后，底板具有的抵抗變形與扭曲的能力可被提升，柱腳節點處的剛度水平也能夠充分增加。

節點試件采用的立柱為標準規格截面立柱（長寬均為55mm）。其腹板上有一系列分布規律的矩形和圓形孔洞，這些孔洞是為了使立柱方便連接橫梁等其他構件。采用角焊縫將立柱下端直接焊接在一塊底板上，具體焊接的位置為立柱截面的后翼緣和腹板。試件的變形主要發生在立柱受拉翼緣附近的柱腳底板上，此處底板被拉起。同時由于立柱翼緣并沒有與底板焊接，當橫向荷載較大時，受拉力的一側翼緣與底板間出現縫隙[4]。

在小幅值荷載作用下，一直保持彈性狀態，直到增加到大幅值荷載時，才有明顯的塑性變形。螺栓受力前柱腳所承受的彎矩主要是由于軸壓力所產生的，使滯回曲線的形狀發生變化，這與試驗中所得到的結果吻合較好[4]。

通過建模分析的方法可以獲取以下結論，立柱軸力給柱腳節點部位帶去的影響主要體現在極限彎矩與初始抗彎剛度兩個方面，柱腳底板存在扭曲變形的問題，立柱腹板系統的角焊縫的邊緣在產生明顯的變形后，柱腳等其他的貨架結構系統可能會產生撕裂破壞的情況。運用有限元模型可直接模擬柱腳節點相關抗彎性能;立柱的底板厚度與豎向軸力數值增加后，立柱節點的整體抗彎承載力與初始剛度的數值均有所提升，但是在控制柱腳節點處的受力情況時，不可忽視節點性能受到的立柱軸力的影響，當軸力增加之后，節點性能會隨之減少。利用化學螺栓支持結構連接工作，可以充分增強柱腳系統的穩定性，更安全地支撐貨架系統。

5 結束語

本文根據某市商超使用的自動化立體倉庫貨架，對其柱腳系統展開了研究，從柱腳系統的運行原理入手，展開了相應的力學計算工作，根據獲取的計算數值建設了相應的力學模型，確定了不同位置的柱腳的實際受力狀況，為后續維持貨架穩定的工作做好了數據相關的準備工作，提升整體貨架的安全性，形成最完善的柱腳受力體系，優化柱腳設計時，也縮減了相對應的施工工期，施工者可以更加靈活的方式來應對貨架土建方面的施工問題。

參考文獻：

[1]尹凌峰，吳四夫，郭海峰，等.自動化立體倉庫高層貨架立柱偏移超限原因分析[J].鋼結構，2018.

[2]曹清龍.現代物流與自動化立體倉庫系統的構成淺析[J].科技經濟市場，2018.

[3]孫永吉.自動化立體倉庫高層貨架瞬態動力學分析[J].蘭州工業學院學報，2013，20（1）.

[4]許亞紅.鋼結構中柱腳的力學性能研究[D].安徽建筑大學，2016.