【正文】 橫梁式 貨架的結(jié)構(gòu)圖 2021 屆畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 共 44 頁 鑒于橫梁式貨架結(jié)構(gòu)典型，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用廣泛，本課題在研究中將選取橫梁式貨架作為研究對(duì)象。 貨架選型分析 桁架和剛架是工程中典型的兩種結(jié)構(gòu)，他們的基本區(qū)別是 ： 桁架的所有結(jié)點(diǎn)雖然都是鉸接點(diǎn)，但由于桿布置方面的原因，也能保持幾何不變性 ； 剛架則不同，它是通過剛結(jié)點(diǎn)來維持幾何不變性的。 目前立體貨架大多采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 由于剛架自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得在設(shè)計(jì)立體貨架時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮一些特殊的結(jié)構(gòu)因素。 最常見 的橫梁式貨架，由于堆垛的需要，不可能在貨架的正面加斜桿，那樣將無法正常地堆垛貨物。所以，貨閣的橫梁和立柱之間只能采用剛結(jié)點(diǎn)連接，即貨架的正面采用鋼架結(jié)構(gòu)。為了保持貨架之間的穩(wěn)定性，可以在貨架之間加背撐 (立柱背撐 )，采用剛結(jié)。 側(cè)面因無堆垛的要求，故可采用斜桿鉸接的形式，以降低超靜定次數(shù)。同時(shí)也可以降低其他非荷載因素的影響。如支座移動(dòng)，溫度改變，材料收縮和制造誤差等引起的結(jié)構(gòu)位移和變形，不會(huì)在靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力。同時(shí)，斜桿鉸接形式使桿件截面設(shè)計(jì)趨于簡(jiǎn)單，若采用超靜定結(jié)構(gòu)，只有預(yù)先假定截面尺寸才能求出內(nèi)力，然后 再根據(jù)內(nèi)力重新設(shè)計(jì)桿件截面，若設(shè)計(jì)截面與假定截面相差過大，則需要重新計(jì)算。 根據(jù)自定設(shè)計(jì)流程，結(jié)合現(xiàn)有的一組設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自用設(shè)計(jì)流程研究，并借助 SolidWorks 軟件建立貨架的實(shí)體模型。 貨架材料和其整體設(shè)計(jì)尺寸的確定 貨架材料及型鋼的選取 為了保證承重結(jié)構(gòu)的承載能力，防止在一定條件下出現(xiàn)脆性破壞，應(yīng)根據(jù)結(jié)果的重要性、荷載特征、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法、鋼材厚度和工作環(huán)境等因素綜合考慮，來選用鋼材和型材。 承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用 Q23 Q34 Q390、 Q420 鋼，其質(zhì)量應(yīng)符和現(xiàn)行 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》 (GB700— 88)。根據(jù)材料用途，同時(shí)經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)覺大多2021 屆畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 44 頁 生產(chǎn)廠商采用的材料為 Q235，貨架由立柱、橫梁、腹桿和背撐等組成，主要承受垂直方向重力荷載，對(duì)心部要求不高，參考《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（ GB70O— 88），故本設(shè)計(jì)選 Q235 為貨架材料。 在相同承載力的情況下，薄壁型鋼貨架的重量約比熱軋型貨架輕 20%。所以選取冷彎薄壁型鋼為貨架材料 貨架整體尺寸的確定 根據(jù)《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（ CECS23:90）的第 條豎向框架寬度一般為 ，橫梁長(zhǎng)度一般為 ；第 條 ，庫架合一式貨架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)高度通常取 1220m。 恰當(dāng)?shù)卮_定貨位凈空間尺寸是立體倉庫設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。對(duì)于給定尺寸的貨物單元，貨位尺寸取決于單元四周需要留出空隙的大小。同時(shí)在一定程度上也受到貨架結(jié)構(gòu)造型的影響。這項(xiàng)尺寸之所以重要，是因?yàn)樗苯佑绊懼鴤}庫面積和空間利用率。 貨架基本參數(shù)要求 :貨架總高 18000mm，貨架厚度 1500mm，貨閣寬度 2500mm，貨閣高 2021mm，最低貨閣距地面為 200mm， 2排 8層 40 列 (合計(jì) 640 個(gè)貨位 )，巷道寬度 2021mm，每個(gè)貨閣最 大承載質(zhì)量 2021kg。 另外貨架相對(duì)應(yīng)的托盤，尺寸要求長(zhǎng) 25O0mm 寬 1500mm 高 100mm 分析比較各類貨架特點(diǎn)，以橫梁式貨架為參考，按照上述參數(shù)進(jìn)行貨架總體布局設(shè)計(jì)。查閱文獻(xiàn)、資料，參照國(guó)家和有關(guān)行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范，盡可能全面地總結(jié)、歸納出貨架設(shè)計(jì)計(jì)算參考規(guī)范，并按上述參數(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。橫梁式貨架需從正面堆碼貨物，所以正面一般不采用桁架結(jié)構(gòu)而采用鋼架結(jié)構(gòu)。貨物不從背面出入庫，為了合理利用空間，橫梁式貨架一般以背靠背形式出現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)形狀如下圖 22 所示 : 2021 屆畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 共 44 頁 圖 22 橫梁式 貨架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 貨架載荷與工況分析 依據(jù)《貨架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（ CECS23:90）的 條，貨架上的載荷可以分為恒載荷、貨架活載荷、豎向沖擊載荷、水平載荷、以及風(fēng)載、屋面活載荷 (或雪載 )和地震作用。 1)恒荷載 ： 貨架自重。 2)活荷載 ： 擱置在貨架結(jié)構(gòu)上的貨物和貨箱的自重。 3)豎向沖擊荷載 ： 存放貨物時(shí)沖擊力，取靜荷載的 50%，并考慮托盤三點(diǎn)支承的因素。 4)水平荷載 ： 堆垛機(jī)傳至貨架結(jié)構(gòu)的最大靜荷載和最大動(dòng)荷載。 5)地震作用 ： 按最大水平地震影響系數(shù)考慮水平地震作用的影響。 5)荷載效應(yīng)組合 ： 恒 荷載 +活荷載 +豎向沖擊荷載 ； 恒荷載 +活荷載 +水平荷載。 貨架結(jié)構(gòu)應(yīng)按上述荷載效應(yīng)的最不利組合設(shè)計(jì)，但考慮到貨架僅在堆垛時(shí)的有突加載荷，故在這一章里我們主要以靜力學(xué)計(jì)算為主。 立柱的受力情況 [5][6] 立柱主要是軸向受壓，力學(xué)模型為如下圖 23: 2021 屆畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 44 頁 立柱橫梁貨物 貨物 貨物 貨物PM 圖 23 立柱受力情況 由于貨物不直接加載在立柱上，而是加載在橫梁上。因此，立柱將受到軸向壓力和彎矩作用，不受扭矩和剪力。 側(cè)面斜拉桿的受力情況 斜拉桿采用兩端交接的結(jié)構(gòu)，是典型的二 力桿。故只受到軸力 F 作用，方向如圖 24 所示。 圖 24 斜拉桿的受力 2021 屆畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 44 頁 橫梁的受力情況 橫梁受到托盤上面貨物的直接荷載，為受彎桿件，在梁上來說，橫梁所受廣義力為彎矩 M 和剪力 P，還有梁的自重 q。其受力如圖 25所示 : 立柱橫梁貨物 貨物橫梁自重qMPP 圖 25 橫梁受力模型 本課題所設(shè)計(jì)的貨架總高為 18m，貨架比較高，所以計(jì)算時(shí)，必須考慮地震對(duì)它的影響。 貨架主要構(gòu)件的尺寸計(jì)算和校核 立柱 的確定 （ 1） 立柱的強(qiáng)度和剛度 1）強(qiáng)度 軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度應(yīng)以凈截面的平均應(yīng)力不超過鋼材的屈服強(qiáng)度為準(zhǔn)則。 根 據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50017 一 2021 軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算公式，得： fAN??? () 式中 ： N—— 軸心力 。 A—— 構(gòu)件的截面面積 。 f —— 鋼材的抗拉、抗壓強(qiáng)度值 。 橫梁的力學(xué)模型如圖 26。 2021 屆畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 共 44 頁 c b b b bal托盤橫梁i j 圖 26橫梁的受力分析 圖中， a=200mm， b=500mm， c=150mm、 l =2500mm。 該力學(xué)模型屬于超靜定問題，采用力法 [7]求解。 F F F F F FX1 X2X3（a）X1=1X2=1X3=1（b）（c）（d） 圖 27力法求解示意圖 由于橫梁自重對(duì)于荷載較小，故可省略。采用簡(jiǎn)支梁為基本結(jié)構(gòu)，基本體系如圖 27(b)所示，其余未知力為梁彎矩 1X 、 2X 和水平反力 3X ，典型方程為 : 11 1 12 2 13 3 1 0PX X X? ? ?? ? ? ? ? 21 1 22 2 23 3 2 0PX X X? ? ?? ? ? ? ? 2021 屆畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 44 頁 31 1 32 2 33 3 3 0PX X X? ? ?? ? ? ? ? () 通過解力法正則方程，得到 ： 21 21n m m mmF a bX l??? () 22 21n m m mmF a bX l??? () 式中： ma —— nF 至結(jié)點(diǎn) i 的距離 。 mb —— mF 至結(jié)點(diǎn) j 的距離 。 因 為 1X 和 2X 與 nF 呈線性關(guān)系，即可利用疊加得出結(jié)果 1X 和 2X 。 2 2 2 21 212 2 2 5 5 5 53 2 2 2 5 5 5 5 ) 5582 2 2 nm m mmF a bXlk N m?? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?? （ ++ () 2 2 2 22 212 2 2 5 5(3 2 2 2 5 5 5 5 5 2 2 2 nm m mmF a bXlNm?? ? ?? ? ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ??） () 解出 1X 和 2X 之后，可以用靜定平衡方程解出剪力。 ,ij結(jié)點(diǎn)剪力 的 計(jì)算 ： 利用平衡公式 12 0i m m jM F a X X F l? ? ? ? ? ??? ，可以計(jì)算出 j 點(diǎn)的剪力。計(jì)算如下： ( 5 5 5 5 5 5 ) 75 58 75 583 39 53 k N? ? ? ? ? ? ??? （ ） ( 5 5 5 5 5 5 ) 75 58 75 583 39 53 k N? ? ? ? ? ? ? 2021 屆畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 共 44 頁 （ ） 此時(shí)可以通過所得結(jié)果解出支座的反力，該反力即貨架立柱一個(gè)結(jié)點(diǎn)的軸力。貨架總共有 8 層，邊排立柱要承受 8個(gè)結(jié)點(diǎn)載荷，而中間立柱要承受 16個(gè)結(jié)點(diǎn)荷載。為了降低生產(chǎn)的成本，應(yīng)該采用同截面的立柱。所以，中間立柱的軸力為 16 iF ，即： 16 5. 73 95 36 91 .8 32 57 6N k N? ? ? （ ） 所以，截面面積可以通過變換 fAN??? ，可得截面面積： NA f? 式中 ： kN? ； 205f MPa? (抗壓 )，所以，截面面積為： 3 269 1 .8 3 2 5 7 6 1 0 4 4 7 .9 6 42 0 5 1 0A m m???? （ ） 邊排立柱受力如圖 28 所示，由于沒有彎矩平衡，所以邊排立柱屬于壓彎組合桿件。 Q235 服從胡克定律從而可以利用先行疊加原理來計(jì)算。 立柱橫梁MP 圖 28邊排立柱的受力圖 可以預(yù)見，立柱的危險(xiǎn)截面在橫梁和立柱的交點(diǎn)處。開始計(jì)算時(shí)，可以不考慮2021 屆畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 共 44 頁 軸力 p的作用，只根據(jù)彎曲強(qiáng)度條件選取出抗彎截面系數(shù) W，其計(jì)算為 : max[]MW ?? （ ） 式中 ： W—— 立柱截面系數(shù) 。 maxM —— 彎矩最大值，由式 （ ） 計(jì)算出的 。 []? —— 許用應(yīng)力，根據(jù)《鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（ CECS23:90N）的第 條鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值按表 21 采用 。 表 21 鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（ 2/mmN ） 鋼號(hào) 鋼材種類 抗拉、抗壓、抗彎 f 抗剪 vf 端面承壓（磨平頂緊） cef Q235鋼 熱軋型鋼 215 125 320 冷彎型鋼 205 120 310 16錳鋼 熱軋型鋼 315 185 445 冷彎型鋼 300 175 425 取 [ ] 205MPa? ? 故： 3 33m a x65 . 7 0 7 5 5 8 1 0 0 . 0 2 7 8 1 0[ ] 2 0 5 1 0MWm? ??? ? ? ?? （ ） 則立柱危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力點(diǎn)壓應(yīng)力為 ： m axm ax[ ] [ ]c MNAW? ?? 式中 ： N—— 立柱的軸向壓力，為 N=。 Ａ —— 立柱橫截面面積 。 （ 2）剛度 剛度通過限制構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比 ? 來實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50017— 2021 第 44 頁 0 []li???? （ ） 2021 屆畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 17 頁 共 44 頁 式中 ： ? —— 構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比，對(duì)于僅承受力載荷的桁架為自重產(chǎn)生彎曲的豎向平面內(nèi)的長(zhǎng)細(xì)比，其它情況為構(gòu)件最大長(zhǎng)細(xì)比 。 0l —— 構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度 。 i —— 截面的 回轉(zhuǎn)半徑 。 根據(jù)文獻(xiàn)［ 7］，以及立柱的力學(xué)模型分析，長(zhǎng)度系數(shù) 1? 理論值 、建議值取 ，在此，取 1? =。則計(jì)算長(zhǎng)度為： 01 186 25 223 50l l m m?? ? ? ? （ ） 查表得 ： 柱、桁架的容許長(zhǎng)細(xì)比 [ ] 150? ? 所以，截面的回轉(zhuǎn)半徑 i 為 :