利用仿真系统，实现立体仓库货架系统抗震设计

前言随着现代物流业的发展,尤其是第三方物流的兴起,出现了越来越多的大型高层立体自动化仓库中,其高度达到三十米左右,单个库的货架排数也多在十排以上,每个托盘的承载也在一吨左右。作为大型仓库中重要组成部分的货架系统,其强度和刚度尤为显得重要。但是由于我国的物流业起步较晚,发展水平也相对滞后,对于广泛使用的钢货架还没有一套科学完善的设计规范,对于货架抗震性能的要求也是参照《构筑物抗震设计规范》的通用条款提出的。美国1958年就成立了货架制造业协会,对货架的设计、测试、使用发布指导性技术规范,最新的版本发布于2002年3月。本文依据我国有关规范,参照美国最新的《工业钢结构仓库货架设计、测试及使用规范》,对大型立体自动化仓库的货架系统进行有限元(仿真系统)分析,以考核其设计方案能否满足强度和刚度要求。1、货架系统说明该仓库为分体式,既货架部分和建筑物为两个独立系统。货架类型为横梁式,主要由立柱、横梁、支撑、水平拉杆、垂直拉杆、吊梁、连接杆等构成。货架系统总高度为29.1米,长度约73米,总宽度约21米。各排货架的高度一致,但层数不一,N01~N06排层数为16,N07~N10排的层数为14,多数货格可放置两个承载1吨的托盘,货架两头少数货位仅能放置一个承载1吨的托盘。共有4498个货格,满载时承载货物8828吨。由于高度超过了20米,立柱设计时采用了不等厚度截面,在高度13879mm以下,采用壁厚为3.5mm的开口截面,在高度13879mm以上,采用壁厚为3mm的开口截面。2、有限元模型的建立该货架系统的有限元模型在MSCPatran2012中完成。在建模时以立柱的中心线为基准,认为各构件之间的连接为固接方式,根据已知条件建立的有限元模型如图一,图中“+”为坐标原点。单元类型均采用两节点梁单元(CBAR),每个单元共有9个自由度,可承受弯曲、扭转、拉压载荷。完成的有限元模型共有31163个节点,61555个单元。 图一货架系统的有限元模型根据设计方案,货架系统所用的材料材料属性为:杨氏弹性模量E=2.06×10MPa5,,泊松比µ=0.3,密度ρ=7800kg/m³,屈服强度:σs=240MPa。3、边界条件和载荷分析3.1边界条件由于该货架系统为分体式,外部约束只在立柱底脚和地面的连接处,此处采用二次预埋形式,用地脚螺栓固定,可认为是刚性连接,限制此处节点的六个自由度。3.2载荷分析通常情况下,货架的载荷主要来自于自重及货物的重量,按照货架的设计要求,分析时按货架装满货物计算。按照上海市的有关规定,该货架须满足七级设防烈度的的要求,因此还需要分析其地震载荷。按设计要求,在地震载荷下,货架容量按满载的80%计算。这样,该货架系统共有如下三种载荷:3.2.1货架自重DL分析中以惯性载荷的方式施加在整个货架系统,重力加速度取9.8N/Kg。3.2.2货物载荷PL满载时,存储货物的最大重量是8828吨,分析时以分布力方式作用在货架的横梁上,对于长度为2440mm的货格,放置两个重量为1吨的货物,每个横梁承载为9800N,转化为线载荷:9800/2440=4.02N/mm。对于货架两端长度为1290mm的货格,只放置一个一吨重的货物,每个横梁承载4900N,转化为线载荷:4900/1290=3.8N/mm。3.2.3地震载荷EL按照我国《构筑物抗震设计规范》,只需要计算水平方向的地震作用。本货架的设防烈度为7级,地震加速度取值为0.10g。参照美国货架制造业协会2002年版的《工业钢结构仓库货架设计、测试及使用规范》,其总的水平载荷应为:V=CsIpWs(1)式中:Cs—地震响应系数,和场地等级、基本振动周期及地震加速度有关,根据文献[2]确定的地震响应系数为0.1;Ip—系统的重要因子,对于重要设施及系统中存在关键材料时Ip=1.5,对于其他情况取Ip=1.0,本分析中取Ip=1.0;Ws—经验公式,本分析中,Ws=0.8×((0.67×PL)+DL)。(2)4、计算结果分析中对该货架系统分两种工况分析,一种仅施加常规载荷:DL+PL;另一种包括常规载荷和地震载荷:DL+0.8PL+EL。4.1工况一:DL+PL常规载荷下,货架的变形情况见图二,最大变形量为7.81mm,发生在节点16881处,此处的坐标为(24470,3225,29100)。由于N07~N10四排货架的层数为14,N01~N06排货架的层数为16,货架的重心偏向N01排货架,所以整体有向y负方向倾斜的趋势。计算结果表明:在z方向的变形范围为(-7.22~0)mm;在x方向的变形范围为(-0.4~2.11)mm;在y方向的变形范围为(-3.22~0.7)mm。货架整体表现为受货物的重压在立柱方向的变形。在z方向的相对变形量为7.22/29100=0.02%。货架的轴应力见图三,其最大值为103MPa,发生在节点4399处,它的坐标位置是(25690,2800,0)。根据色带可以看出,较大应力点分布在货架立柱的下端处,这与理论上的定性分析是一致的。所用材料的屈服强度为240MPa,因此这个应力值是相对较小的。4.2工况二:DL+0.8PL+EL此工况下,对于货物载荷按满载的80%计算,地震引起的水平力的大小为:EL=V=CsIpWs=0.1×(0.8×(0.67PL)+DL)=0.0536PL+0.08DL(3)上式中,对于0.0536PL部分,以分布力的形式沿X正方向加在立柱和横梁上(加强立柱和顶层横梁除外)。对于0.08DL部分,以惯性力的方式沿X正方向施加在整个货架上,加速度值为0.08×9.8=0.784N/Kg。 图二工况一下的货架的变形 图三工况一下的货架的轴应力分布图货架系统在工况二下的变形情况见图四,最大变形量为132mm,发生在节点17466处,此处的坐标为(33010,19800,29100)。计算结果表明:在z方向的变形范围为(-10.2~2.09)mm;在x方向的变形范围为(-0.55~2.02)mm;在y方向的变形范围为(0~131)mm。货架整体表现为受地震载荷作用在垂直通道方向上的变形。货架的在工况二下的轴应力见图五,其最大值为196MPa,发生在节点26698处,它的坐标位置是(33010,15600,0)。根据色谱可以看出,较大应力点仍然分布在货架立图四货架在工况二下的变形柱的下端处。5、结论通过对该货架系统的两种工况分析,可知在通常情况下,如货架满载率达到80%,其最大变形为7.81mm,在z方向的相对变形量仅为0.02%,此时的最大轴应力仅为103Mpa;而在地震载荷下的最大应力值为196MPa,是所用材料屈服强度的81.7%,还有一定的安全储备。因此,可以认为此货架系统有较好的强度和刚性,能够忙足7级地震设防烈度的要求。值得指出的是,有限元方法是进行设计和校核的一种科学方法,但是更准确的结果还需要通过试验方法对其计算的结果进行标定,这也是我们下一步要进行的工作。