【正文】 橫梁式 貨架的結構圖 2021 屆畢 業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 44 頁 鑒于橫梁式貨架結構典型，設計簡單，使用廣泛，本課題在研究中將選取橫梁式貨架作為研究對象。 貨架選型分析 桁架和剛架是工程中典型的兩種結構，他們的基本區(qū)別是 ： 桁架的所有結點雖然都是鉸接點，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，它是通過剛結點來維持幾何不變性的。 目前立體貨架大多采用鋼結構設計， 由于剛架自身的結構特點，使得在設計立體貨架時，設計人員需要考慮一些特殊的結構因素。 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點連接，即貨架的正面采用鋼架結構。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。 側面因無堆垛的要求，故可采用斜桿鉸接的形式，以降低超靜定次數(shù)。同時也可以降低其他非荷載因素的影響。如支座移動，溫度改變，材料收縮和制造誤差等引起的結構位移和變形，不會在靜定結構中產(chǎn)生內力。同時，斜桿鉸接形式使桿件截面設計趨于簡單，若采用超靜定結構，只有預先假定截面尺寸才能求出內力，然后 再根據(jù)內力重新設計桿件截面，若設計截面與假定截面相差過大，則需要重新計算。 根據(jù)自定設計流程，結合現(xiàn)有的一組設計參數(shù)，實現(xiàn)自用設計流程研究，并借助 SolidWorks 軟件建立貨架的實體模型。 貨架材料和其整體設計尺寸的確定 貨架材料及型鋼的選取 為了保證承重結構的承載能力，防止在一定條件下出現(xiàn)脆性破壞，應根據(jù)結果的重要性、荷載特征、結構形式、應力狀態(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。 承重結構的鋼材宜采用 Q23 Q34 Q390、 Q420 鋼，其質量應符和現(xiàn)行 國家標準《碳素結構鋼》 (GB700— 88)。根據(jù)材料用途，同時經(jīng)過市場調研，發(fā)覺大多2021 屆畢 業(yè)設計說明書 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，對心部要求不高，參考《碳素結構鋼》（ GB70O— 88），故本設計選 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)《鋼貨架結構設計規(guī)范》（ CECS23:90）的第 條豎向框架寬度一般為 ，橫梁長度一般為 ；第 條 ，庫架合一式貨架結構的經(jīng)濟高度通常取 1220m。 恰當?shù)卮_定貨位凈空間尺寸是立體倉庫設計中一項重要的設計內容。對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。同時在一定程度上也受到貨架結構造型的影響。這項尺寸之所以重要，是因為它直接影響著倉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 640 個貨位 )，巷道寬度 2021mm，每個貨閣最 大承載質量 2021kg。 另外貨架相對應的托盤，尺寸要求長 25O0mm 寬 1500mm 高 100mm 分析比較各類貨架特點，以橫梁式貨架為參考，按照上述參數(shù)進行貨架總體布局設計。查閱文獻、資料，參照國家和有關行業(yè)的相關標準和設計計算規(guī)范，盡可能全面地總結、歸納出貨架設計計算參考規(guī)范，并按上述參數(shù)要求進行設計計算。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構而采用鋼架結構。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)。其結構形狀如下圖 22 所示 : 2021 屆畢 業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 44 頁 圖 22 橫梁式 貨架的結構簡圖 貨架載荷與工況分析 依據(jù)《貨架鋼結構設計規(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 ： 擱置在貨架結構上的貨物和貨箱的自重。 3)豎向沖擊荷載 ： 存放貨物時沖擊力，取靜荷載的 50%，并考慮托盤三點支承的因素。 4)水平荷載 ： 堆垛機傳至貨架結構的最大靜荷載和最大動荷載。 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。 貨架結構應按上述荷載效應的最不利組合設計，但考慮到貨架僅在堆垛時的有突加載荷，故在這一章里我們主要以靜力學計算為主。 立柱的受力情況 [5][6] 立柱主要是軸向受壓，力學模型為如下圖 23: 2021 屆畢 業(yè)設計說明書 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。 側面斜拉桿的受力情況 斜拉桿采用兩端交接的結構，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)設計說明書 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 本課題所設計的貨架總高為 18m，貨架比較高，所以計算時，必須考慮地震對它的影響。 貨架主要構件的尺寸計算和校核 立柱 的確定 （ 1） 立柱的強度和剛度 1）強度 軸心受力構件的強度應以凈截面的平均應力不超過鋼材的屈服強度為準則。 根 據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》 GB50017 一 2021 軸心受力構件的強度計算公式，得： fAN??? () 式中 ： N—— 軸心力 。 A—— 構件的截面面積 。 f —— 鋼材的抗拉、抗壓強度值 。 橫梁的力學模型如圖 26。 2021 屆畢 業(yè)設計說明書 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 由于橫梁自重對于荷載較小，故可省略。采用簡支梁為基本結構，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)設計說明書 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 至結點 i 的距離 。 mb —— mF 至結點 j 的距離 。 因 為 1X 和 2X 與 nF 呈線性關系，即可利用疊加得出結果 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結點剪力 的 計算 ： 利用平衡公式 12 0i m m jM F a X X F l? ? ? ? ? ??? ，可以計算出 j 點的剪力。計算如下： ( 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)設計說明書 第 15 頁 共 44 頁 （ ） 此時可以通過所得結果解出支座的反力，該反力即貨架立柱一個結點的軸力。貨架總共有 8 層，邊排立柱要承受 8個結點載荷，而中間立柱要承受 16個結點荷載。為了降低生產(chǎn)的成本，應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算。 立柱橫梁MP 圖 28邊排立柱的受力圖 可以預見，立柱的危險截面在橫梁和立柱的交點處。開始計算時，可以不考慮2021 屆畢 業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 44 頁 軸力 p的作用，只根據(jù)彎曲強度條件選取出抗彎截面系數(shù) W，其計算為 : max[]MW ?? （ ） 式中 ： W—— 立柱截面系數(shù) 。 maxM —— 彎矩最大值，由式 （ ） 計算出的 。 []? —— 許用應力，根據(jù)《鋼貨架結構設計規(guī)范》（ CECS23:90N）的第 條鋼材的強度設計值按表 21 采用 。 表 21 鋼材的強度設計值（ 2/mmN ） 鋼號 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? ??? ? ? ?? （ ） 則立柱危險截面的最大應力點壓應力為 ： 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 剛度通過限制構件的長細比 ? 來實現(xiàn)。 根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》 GB50017— 2021 第 44 頁 0 []li???? （ ） 2021 屆畢 業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 44 頁 式中 ： ? —— 構件的長細比，對于僅承受力載荷的桁架為自重產(chǎn)生彎曲的豎向平面內的長細比，其它情況為構件最大長細比 。 0l —— 構件的計算長度 。 i —— 截面的 回轉半徑 。 根據(jù)文獻［ 7］，以及立柱的力學模型分析，長度系數(shù) 1? 理論值 、建議值取 ，在此，取 1? =。則計算長度為： 01 186 25 223 50l l m m?? ? ? ? （ ） 查表得 ： 柱、桁架的容許長細比 [ ] 150? ? 所以，截面的回轉半徑 i 為 :