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    東莞鋼貨架有限元分析
    發布時間:2021-06-22

    公司名稱:廣州市安普檢測技術服務有限公司www.feixianghy.com

          貨架的基本機構主要由柱片和橫梁組成。由薄壁鋼板冷彎而成的立柱、橫撐和斜撐,通過螺栓連接形成柱片。由于貨架鋼結構體系設計裝配上的要求,需要在特定冷彎型鋼的立面、側面沖壓出一系列的具有一定分布規律和精度要求的孔或不規則連續孔洞,用來裝配支撐和鏈接其它受力構件,形成以多孔立柱為豎向支撐的獨特結構體系。由于在立柱上存在一定的空洞,必然會對立柱的承載能力產生一定的影響。尤其在貨物的作用下,立柱所受的外力必須與內力保持平衡,但這種平衡狀態有持久平衡狀態和極限平衡狀態之分,當立柱處于極限平衡狀態時,外界輕微的攪動就會讓框架結構或構建失去穩定,導致貨架結構倒塌。

    2020年12月廣州市安普檢測技術服務有限公司www.feixianghy.com對東莞橫梁式貨架檢測進行的鋼貨架有限元分析,大家一起來看看。

    1 東莞鋼貨架有限元分析概況

    1.1 工程技術條件

    抗震設防烈度:7 度

    設計基本地震加速度:0.1g

    場地類別:II

    設計地震分組:第一組

    結構阻尼比:0.05

    特征周期:0.35

    水平地震作用影響系數最大值:0.08

    2 貨架結構概況

    2.1 結構形式

    本項目貨架結構類型:橫梁式,由多個結構相近的貨架子單元連結而成。貨架結構三維尺寸:

    豎向層數:9

    總高度 m:20.5

    縱向列數:35

    總長度 m:84

    橫向列數:10

    總寬度 m:21.35

    貨架縱向為抗彎框架結構,設置豎向支撐,提供結構的縱向剛度,同時對應設置水平支撐,以形成空間剛度。貨架橫向為桁架結構,橫斜撐與立柱共同組成立柱組以提供抗側剛度。構件截面詳細尺寸請參見附件圖紙,在此不逐一列出。(圖)

    表 1 截面型號表

    3 設計原則

    3.1 設計依據

    3.1.1 設計規范

    在貨架結構設計中,要做到技術先進、經濟合理、安全適用并確保質量,必

    須正確的選用并遵守下列主要的技術規范、規程和其他相應的技術標準。

    《建筑結構可靠度設計統一標準》 GB50068-2001

    《建筑工程抗震設防分類標準》 GB50223-2004

    《建筑結構荷載規范》 GB50009-2001

    《鋼結構設計規范》 GB50017-2003

    《建筑抗震設計規范》 GB50011-2010

    《混凝土結構設計規范》 GBJ50010-2002

    《鋼結構工程施工質量驗收規范》 GB50205-2001

    《鋼結構工程質量檢驗評定標準》 GB50221-95

    《優質碳素結構鋼技術條件》 GB699

    《合金結構鋼技術條件》 GB3077

    《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》 GB50018-2002

    《鋼貨架結構設計規范》 CECS23:90

    3.1.2 參考資料

    BS EN 15512:2009. Steel static storage systems- Adjustable pallet racking systems

    Principles for structural design.

    BS EN 15620:2008. Steel static storage systems- Adjustable pallet racking-Tolerances,

    deformations and clearances.

    FEM 10.2.08, 2011. Recommendations for the design of static steel pallet racking in

    seismic conditions.

    RMI 2011. Specification for the design, testing and utilization of industrial steel

    storage racks.

    AISI S100-12 North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel

    Structural Members.FEMA 460. Seismic considerations for steel storage racks located in areas accessible

    to the public.

    AS 4084, 2012. Steel storage racking.

    3.2 設計原則

    (1) 本設計的可靠度指標按照現行《建筑結構可靠度統一指標》GB50068-2001,根據其設計使用年限和結構的安全等級來確定其可靠度指標;

    (2) 鋼貨架結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法,用分項系數設計表達式進行計算;

    (3)貨架結構的承重構件應按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別設計;承載能力極限狀態包括:構件和連接的強度達到最大承載能力或因過度變形而不適于繼續承載,結構喪失穩定,結構轉變為機動體系和結構傾覆等。正常使用極限狀態包括:影響結構、構件和非結構構件正常使用或外觀變形;影響正常使用的振動;影響正常使用或耐久性能的局部損害等。非承重構件應按構造要求設置。

    (4) 設計貨架結構時,應根據結構破壞產生的后果,采用不同安全等級,按承載能力區分安全等級分為一、二、三級。一般貨架結構的安全等級至少取三級。貨量越多、越重要、越昂貴,自動化程度越高,貨架結構破壞所造成的損失就越大,后果越嚴重,其安全等級則應較一般的貨架結構高。對于特定的貨架結構來說,可根據具體的情況進行具體分析確定安全等級。

    3.2.1 承載能力極限狀態驗算

    1 承載能力設計表達式

    當貨架結構按承載力極限狀態設計時,應根據現行國家標準《建筑結構荷載規范》的規定采用荷載效應的基本組合,并符合下列要求:

    (1) 不考慮地震作用時:

    (2) 考慮多遇地震作用時:

    g 0 S £ R

    SE £ R / g RE

    (1)

    (2)

    式中: g 0

    ——結構重要性系數;

    S ——不考慮地震作用時,荷載效應基本組合的設計值;

    R ——結構承載能力設計值;

    SE

    ——考慮多遇地震時,荷載和地震作用效應組合的設計值;

    g RE——承載力抗震調整系數,根據《鋼貨架結構設計規范》第 3.2.9條,對貨架結構的梁柱構件取: g RE =0.8 ,對支撐和連接取: g RE =0.9 。按承載能力設計鋼貨架結構時,應考慮荷載效應的基本組合,必要時尚應考慮荷載效應的偶然組合,采用荷載效應設計值和強度設計值進行計算。荷載設計值等于荷載標準值乘以荷載分項系數;強度設計值等于材料強度標準值除以抗力分項系數。一般情況下,在考慮多遇地震下的動力計算時,一般首先比較式(1)和(2),選擇最不利的進行構件設計。在低烈度區,堆載重量不大的貨架一般式(2)不起控制作用。

    2 荷載效應基本組合設計值

    荷載效應基本組合設計值 S 從下列組合中取最不利值確定:

    (1) 由可變荷載效應控制的組合

    S = g G SGk + g Q1SQ1k + ?

    g Qiy ci SQik

    i =1

    (2) 由永久荷載控制的荷載組合:

    (3)

    nS = g G SGk + ?

    g Qiy ci SQik

    i =1

    (4) 地震作用和其他荷載效應的基本組合

    S = g G SGE + g Eh SEhk

    (5)

    式中: g G

    ——永久荷載分項系數;

    g Q1

    、g Qi

    ——第一個及其他第 i 個可變荷載標準值效應;

    SGk

    ——永久荷載標準值效應;

    SQik

    ——第 i 個可變荷載標準值的效應;

    y ci

    、y ——第 i 個可變荷載組合系數;

    g G

    ——重力荷載分項系數;

    SGE

    ——重力荷載代表值的效應;

    SEhk

    ——水平地震作用標準值效應;

    g Eh

    ——

    3.2.2 正常使用極限狀態驗算

    1 正常能力表達式

    鋼貨架結構構件按照正常使用極限狀態驗算變形時,應按荷載的標準值組合采用下列設計表達式進行驗算:

    S £ C

    2 荷載效應的標準組合設計值

    對于標準組合,荷載效應組合的設計值 S 可按下式采用:

    (6)

    S = SGk + SQ1k +?

    yciSQik

    i =1

    3.3 設計指標

    3.3.1 鋼材的強度設計值

    為了保證承載結構的承載能力和防止在一定條件下出現脆性破壞,應根據結構的重要性、荷載特性、結構形式、應力狀態、連接方法、鋼材厚度和工作環境等因素綜合考慮,選用合適的鋼材牌號和材質。根據《鋼貨架設計規范》,材料均應 滿足《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》GB50018-2002 中第 3.0.1~3.0.6 條款的要求。

    貨架結構中的鋼材牌號為:Q345、Q235,設計時其各項指標為:

    (1) Q235

    抗壓、抗彎、抗拉: f = 205N / mm 2

    抗剪: f v = 120N / mm 2

    (2) Q345

    抗壓、抗彎、抗拉: f = 300N / mm 2

    抗剪: f =

    175N / mm 2

    3.3.2 焊縫強度設計值

    貨架結構中焊縫為角焊縫,其強度設計值為:

    Q235 鋼:抗剪、抗壓、抗拉: f w = 140N / mm 2

    Q345 鋼:抗剪、抗壓、抗拉: f w

    = 195N / mm 2

    3.3.3 普通螺栓設計值

    表 2 普通螺栓連接的強度設計值 

    4 荷載與組合

    4.1 恒荷載

    根據規范,鋼貨架的恒荷載主要考慮貨架構件本身的重量,設計時可直接由軟件自動計算。

    4.2 活荷載

    活荷載主要為托盤上貨物荷載。貨物荷重每托盤:1000 kg,每個貨格托盤數:2,承重梁根數:2 根。每根承重梁的承載長度 mm:2300 (有限元模型尺寸)。

    4.3 水平靜荷載

    根據規范,作用于組裝式鋼貨架結構的水平靜荷載系指由貨架結構構件的初彎曲、安裝偏差以及儲運機械的輕度碰撞等因素所引起的水平力。水平靜荷載分別沿組裝式貨架結構縱、橫兩個主要方向作用于托盤橫梁與豎向框架柱的連接節點處。對于有側移的組裝式結構,此水平靜荷載可取為由橫梁傳至該節點的全部恒載與最大活載的 1.5%,對于無側移的組裝式貨架結構,此值可取作 1.0%,對于本項目,有支撐鋼貨架屬于無側移結構,因此按此條規定來確定水靜平荷載。水平靜荷載需考慮平行巷道與垂直巷道兩個方向。

    4.4 水平地震荷載

    根據《鋼貨架結構設計規范》和《建筑抗震設計規范》,貨架設計時可僅考慮水平地震作用的影響,不計豎向地震作用。作用于貨架結構的地震作用宜采用振型分解反應譜計算,以便考慮結構的扭轉耦聯效應。

    所采用的反應譜如下圖所示。

    圖 2 地震影響系數曲線

    4.5 荷載組合工況

    針對本項目的組裝式鋼貨架結構設計,根據規范和相關的參考文獻考慮的荷載組合包含以下 8 種:(D 表示縱向,C 表示橫向;1 表示靜力,2 表示動力;-Ser表示正常使用極限狀態組合)

    D1:1.2 恒荷載+1.4 活荷載+1.4 縱向水平靜荷載

    D2:1.2 重力荷載代表值+1.3 縱向水平地震荷載

    C1:1.2 恒荷載+1.4 活荷載+1.4 橫向水平靜荷載

    C2:1.2 重力荷載代表值+1.3 橫向水平地震荷載

    D1-Ser:1.0 恒荷載+1.0 活荷載+1.0 縱向水平靜荷載

    D2-Ser:1.0 恒荷載+1.0 活荷載+1.0 縱向水平地震荷載

    C1-Ser:1.0 恒荷載+1.0 活荷載+1.0 橫向水平靜荷載

    C2-Ser:1.0 恒荷載+1.0 活荷載+1.0 橫向水平地震荷載

    5 整體內力分析

    5.1 計算模型

    根據貨架結構的設計資料,確定其計算模型,取結構中典型的貨架單元進行計算。有限元模型如下圖所示。

    (a)三維有限元模型

    (b) 有限元模型正視圖

    (c) 有限元模型側視圖

    (d) 有限元模型俯視圖

    圖 3 結構分析有限元模型

    5.2 模態分析結果

    結構模態反映出結構對地震作用的響應,尤其是通過模態分析得到的結構自振周期是結構抗震性能的一個重要影響參數。結構模態分析結果列于下表。

    表 3 結構模態分析結果

    略。

    結構的前六階振型如下圖所示。

    (a) 第一階振型

    (b) 第二階振型

    (c) 第三階振型

    (d) 第四階振型

    (e) 第五階振型

    (f)第六階振型

    5.3 結構變形

    圖 4 結構振型圖

    貨架結構在荷載作用下的變形示意圖如下圖所示。(略)

    圖 5 結構變形示意圖

    結構在不同荷載組合工況下的最大側向位移列于下表。

    表 4 結構側向位移數據

    可見不管是正常使用極限狀態還是承載力極限狀態,結構的側向位移均在規范規定的限值范圍以內。

    5.4 結構內力

    結構所有構件的內力通過軟件存儲在數據庫中,用于后面構件校核。結構在不同荷載組合作用下的內力分布圖見下圖。

    (a-1)D1 立柱軸力圖(a-2)D1 立柱彎矩 M2 圖

    (a-3)D1 立柱彎矩 M3 圖(a-4)D1 橫梁彎矩圖

    (b-1)D2 立柱軸力圖(b-2)D2 立柱彎矩 M2 圖

    (b-3)D2 立柱彎矩 M3 圖(b-4)D2 橫梁彎矩圖

    (c-1)C1 立柱軸力圖(c-2)C1 立柱彎矩 M2 圖

    (c-3)C1 立柱彎矩 M3 圖(c-4)C1 橫梁彎矩圖

    (d-1)C2 立柱軸力圖(d-2)C2 立柱彎矩 M2 圖

    (d-3)C2 立柱彎矩 M3 圖(d-4)C2 橫梁彎矩圖

    圖 6 貨架結構構件在不同荷載組合作用下的內力圖

    6 構件校核

    6.1 校核方法 

    6.1.1 立柱

    立柱按照雙向壓彎構件進行校核,需要考慮開孔的影響,驗算內容包括強度與穩定性驗算,其中的穩定性驗算包括局部屈曲、畸變屈曲與整體彎扭屈曲。具體的校核方法與流程可參考第 3.1 節的規范與資料。

    6.1.2 橫梁

    橫梁在靜力荷載工況組合下按照受彎構件校核,在地震荷載工況組合下按照壓彎構件校核,均需驗算變形與強度兩方面的內容。同時,需要校核梁端節點的強度。具體的校核方法與流程可參考第 3.1 節的規范與資料。

    6.1.3 橫斜補

    橫斜補受壓時按照兩端鉸接的受壓構件進行校核,受拉時除按照受拉構件校核外尚需校核橫斜補節點的強度。具體的校核方法與流程可參考第 3.1 節的規范與資料。

    6.1.4 拉桿

    拉桿包括背拉桿與水平拉桿,均按照受拉構件校核,同時需校核節點強度。具體的校核方法與流程可參考第 3.1 節的規范與資料。按照規范計算得到各種構件的承載力,并存儲到數據庫中。第 5.4 節通過內力分析得到的各構件的內力組合,與構件的承載力進行對比。定義內力除以承載力為廣義的應力比,當應力比小于 1.0 時,構件校核滿足。

    6.2 立柱校核結果

    表 5 立柱校核結果表(略)

    6.3 橫梁校核結果

    表 6 橫梁校核結果表(略)

    6.4 橫斜補校核結果

    表 7 橫斜補校核結果表(略)

    6.5 背拉桿校核結果

    表 8 背拉桿校核結果表(略)

    7 結論

    通過加強支撐體系提高結構抗側移剛度,考慮貨架在各種荷載組合下最不利效應,結構驗算證明貨架結構能滿足強度、穩定性及變形要求,能充分發揮冷彎薄 壁構件的優秀性能,可以取得較好的經濟性。

    公司介紹:

    廣州市安普檢測技術服務有限公司作為貨架第三方檢測機構擁有國家CNAS、CMA貨架第三方檢測資質,服務優勢在于以更短的對貨架安全檢測檢驗周期和更優惠的服務價格,為客戶節約成本和周期,幫助客戶快速獲取準確有效數據,并為客戶提供后期技術服務支持。廣州市安普檢測技術服務有限公司作為平臺化運營品牌,與國內外多家實驗室建立了良好的合作關系,旨在為客戶、行業提供更詳細、更優質的國內貨架安全檢測咨詢服務。

     


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