鋼貨架立柱性能的研究及展望

張衛(wèi)國(guó)

摘要：本文介紹了國(guó)內(nèi)外關(guān)于貨架鋼結(jié)構(gòu)立柱的性能研究，從立柱分析、立柱研究及研究展望三方面分析了冷彎薄壁貨架立柱特有的力學(xué)性能和破壞模式。關(guān)鍵詞：鋼貨架、立柱、冷彎薄壁型鋼鋼貨架立柱(以下簡(jiǎn)稱立柱)主要承受來(lái)自貨架結(jié)構(gòu)體中其他部件對(duì)其產(chǎn)生的垂直荷載、彎矩和扭矩的組合作用，因此，立柱的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及安裝等將直接關(guān)系到貨架鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、安全性和使用的便捷性。雖然國(guó)外學(xué)者對(duì)立柱進(jìn)行了很多研究工作，如立柱承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算、計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的取值等，但其試驗(yàn)所用的試件是國(guó)外常用的冷彎薄壁貨架結(jié)構(gòu)立柱，在選擇的材料、截面形狀及生產(chǎn)工藝、試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)指標(biāo)等方面均存在差異，并不符合中國(guó)的使用要求和實(shí)際應(yīng)用。國(guó)內(nèi)同行和學(xué)者也對(duì)立柱的理論和試驗(yàn)研究做了很多有益的工作，例如，在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下，通過(guò)靜力分析或試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證立柱性能的滿足性，以減少貨架材料的過(guò)量設(shè)計(jì)與使用，在此基礎(chǔ)上，增強(qiáng)同行對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)能力，建立并完善貨架可靠性理論及其評(píng)價(jià)體系。關(guān)于立柱的分析1、立柱的截面形狀分析貨架立柱的截面形狀分析包括以下方面：(1)開口薄壁截面、封閉薄壁截面及其他鋼結(jié)構(gòu)型材，薄壁截面在整體穩(wěn)定性分析中有三種破壞模式(彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲、彎扭屈曲)。由于國(guó)內(nèi)封閉薄壁截面立柱的市場(chǎng)形式比較少，相對(duì)的理論和試驗(yàn)開展得也少：(2)立柱結(jié)構(gòu)孔洞或因材料強(qiáng)度不足而局部破壞及其對(duì)整體結(jié)構(gòu)和承載力的影響；(3)立柱結(jié)構(gòu)約束類別及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與布置不合理，或者局部補(bǔ)強(qiáng)措施不合理造成的隱患；(4)立柱結(jié)構(gòu)或構(gòu)件由于屈曲而喪失整體穩(wěn)定性；(5)立柱結(jié)構(gòu)初始成型缺陷及塑性變形超標(biāo)(無(wú)法確定能使用的屈曲后強(qiáng)度，只能將屈曲后強(qiáng)度作為立柱設(shè)計(jì)的安全性儲(chǔ)量考慮)及構(gòu)件疲勞斷裂等。目前有理論表明，冷彎薄壁型鋼柱可能在達(dá)到整體破壞荷載前其局部就發(fā)生屈曲破壞，局部屈曲和整體屈曲互相作用，也會(huì)導(dǎo)致立柱整體強(qiáng)度降低、整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，由此在AISI規(guī)范中由控制臨界屈曲應(yīng)力及有效面積來(lái)代替全部橫截面面積以確定立柱的額定負(fù)荷。2、立柱的冷彎成型工藝分析對(duì)立柱的冷彎成型工藝分析結(jié)果表明，要兼顧不同料厚材料所形成的成型截面尺寸的變化對(duì)貨架結(jié)構(gòu)裝配互換性的影響。還要根據(jù)材料特性選擇合理的彎曲半徑和彎曲角，以防止折面根部邊緣不合理裂紋、折面根部彎曲面的減薄等不良冷彎缺陷的產(chǎn)生。隨著貨架生產(chǎn)技術(shù)與工藝的發(fā)展，以及高強(qiáng)度鋼板等新材料的應(yīng)用，立柱折面從最基本的角鋼型折面衍生到多折面結(jié)構(gòu)(其形狀主要是在基本折邊的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合理的彎曲半徑和彎曲角來(lái)增加彎折面)。由于冷彎薄壁多孔型立柱的選材厚度都較薄，開口截面立柱的扭轉(zhuǎn)剛度與材料厚度的立方成正比，因此冷彎薄壁多孔型立柱的抗扭能力相對(duì)較弱，根據(jù)有效寬度理論，需要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的寬厚比設(shè)計(jì)參數(shù)?；谝陨戏治?，要根據(jù)生產(chǎn)制造工藝和貨架結(jié)構(gòu)、高度等選擇合理的立柱加接模式，以適應(yīng)高位立體庫(kù)的發(fā)展，同時(shí)又不會(huì)顯著降低接口處的力學(xué)性能，并考慮立柱生產(chǎn)制造的相對(duì)成本；既提高立柱的承載強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，獲得力學(xué)性能優(yōu)異的冷彎薄壁型鋼立柱，又能擴(kuò)大貨架立柱的應(yīng)用領(lǐng)域。貨架立柱另一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)特征是：在特定冷彎薄壁型鋼的立面、側(cè)面沖出形成一系列的具有一定分布規(guī)律和精度要求的孔或不規(guī)則的連續(xù)孔洞。以滿足貨架結(jié)構(gòu)間的裝配要求，形成了以多孔立柱為豎向支撐的獨(dú)特力系鋼結(jié)構(gòu)體。這對(duì)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品的制造精度等方面提出了更高要求，也加大了貨架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析與研究的復(fù)雜性、困難性。因?yàn)閷?duì)于冷彎薄壁多孔貨架立柱來(lái)說(shuō)，它的極限承載力除受到整體屈曲、局部屈曲、畸變屈曲及其相互作用的影響外，還有孔洞的影響、梁柱節(jié)點(diǎn)剛性及半剛性特征、支撐與立柱連接形成的節(jié)點(diǎn)約束、柱底板與立柱連接的影響等，均增加了立柱理論分析及試驗(yàn)的復(fù)雜性。《軸壓多孔冷彎薄壁c型鋼柱的彎扭屈曲》一文中規(guī)定：若孔位于板件的無(wú)效部位，此開孔板件的有效寬度可按相應(yīng)無(wú)孔板件的有效寬度取用；若孔位于板件的有效部位，則此開孔板件的有效寬度可按相應(yīng)無(wú)孔板件的有效寬度扣除位于有效區(qū)內(nèi)的孔寬取用，并需要通過(guò)開孔短柱試驗(yàn)和相應(yīng)的無(wú)孔短柱試驗(yàn)來(lái)確定實(shí)際開孔型材的全截面力學(xué)性能以及開孔對(duì)構(gòu)件承載力的影響，可以通過(guò)開孔型材的孔洞影響系數(shù)來(lái)描述和計(jì)算。因此，從立柱的應(yīng)用角度來(lái)看。一定要關(guān)注立柱的生產(chǎn)制造精度、設(shè)計(jì)裝配互換性要求及施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝精度、使用環(huán)境等多方面的要求。關(guān)于立柱的研究立柱的研究包括試驗(yàn)、數(shù)值分析及理論研究三個(gè)方面，在很多應(yīng)用實(shí)例及足尺試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上。各國(guó)相關(guān)規(guī)范中分別提出了關(guān)于開孔立柱承載力及穩(wěn)定計(jì)算的設(shè)計(jì)公式，并建議針對(duì)具體設(shè)計(jì)采用試驗(yàn)的方法來(lái)確定相應(yīng)參數(shù)。如《軸壓多孔冷彎薄壁c型鋼柱的彎扭屈曲》中關(guān)于開孔板件的有效寬度的計(jì)算方法就是西安建筑科技大學(xué)在對(duì)開孔受壓板件的局部屈曲性能試驗(yàn)和理論分析的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，而FEM標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)折減系數(shù)來(lái)直接體現(xiàn)試驗(yàn)應(yīng)用。目前，絕大部分有關(guān)冷彎薄壁多孔立柱的計(jì)算均是建立在有效寬度公式的基礎(chǔ)上，并采用試驗(yàn)方法和數(shù)值方法，對(duì)原有無(wú)孔構(gòu)件有效寬度理論進(jìn)行修正，從而建立起多孔構(gòu)件有效寬度的計(jì)算公式，但這需要大量的有效試驗(yàn)樣本的支持，并將根據(jù)使用材料的變化、截面形狀的改進(jìn)及型材上分布孔的尺寸、位置的變化等進(jìn)行再試驗(yàn)獲取或驗(yàn)證。鑒于我國(guó)貨架行業(yè)起步較晚，前期在生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備上又多引進(jìn)國(guó)外現(xiàn)成的技術(shù)及理論，因此在理論研究、試驗(yàn)研究方面相對(duì)滯后，同時(shí)，國(guó)內(nèi)外同行在選用材料、工藝等方面存在一定的局限性與差異性，迫切需要開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與理論研究工作。在國(guó)外，早已在軸心受壓、偏心受壓極限狀態(tài)下對(duì)貨架立柱的短柱在局部屈曲、溫度變化下的影響以及有限元在冷彎薄壁型鋼中的應(yīng)用進(jìn)行了較深入的研究，例如，N.E.Shanmugam等人對(duì)立柱開孔后承載力的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，提出了開孔立柱在軸向荷載及彎曲荷載作用下的設(shè)計(jì)方法；K.M.Bajoria和R.S.Talikot采用傳統(tǒng)的懸臂法和提出的雙懸臂方法兩種不同的方式來(lái)確定連接件的彈性，都在一定程度上對(duì)立柱及其傳力構(gòu)件進(jìn)行了研究和討論。我國(guó)在應(yīng)用這些理論和數(shù)據(jù)時(shí)，需要根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，以消除差異性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值分析理論及方法(如有限元法、無(wú)限元法)的進(jìn)一步發(fā)展與完善，上述技術(shù)已成功地用于冷彎薄壁多

孔立柱的截面特性計(jì)算、最優(yōu)化設(shè)計(jì)、受力性能模擬及承載計(jì)算等方面，如貨架立柱的冷彎成型工藝分析及模擬，以確定冷彎成型加工對(duì)貨架立柱性能的影響。很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)開孔規(guī)則的立柱構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)值分析，他們采用通用有限元軟件ANSYS、ABAQUS等對(duì)立柱進(jìn)行有限元建模及分析，考察短柱和長(zhǎng)柱在軸壓及偏壓作用下的承載力與破壞模態(tài)，分析偏心位置對(duì)立柱承載力的影響，考慮初始缺陷、幾何非線性和材料非線性的影響，同時(shí)對(duì)立柱邊界的約束條件進(jìn)行模擬，分析孔洞大小及位置對(duì)立柱的影響，并為理論研究提供了一定的參考，以求對(duì)立柱的強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出極限承載力和試件的失效、破壞模態(tài)，同時(shí)對(duì)立柱截面形狀和各種孔型開設(shè)的位置、大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如。losif F.Szabo、Dan Dubi-na等國(guó)外學(xué)者采用ANSYS有限元，對(duì)不同孔洞的板件進(jìn)行分析，定義出不同開孔對(duì)板件承載力的降低函數(shù)，并在冷彎薄壁構(gòu)件有效寬度計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，得到了開孔板件的有效寬度計(jì)算公式。同時(shí)提出了另一種替代方法——等效厚度法，即忽略孔洞，將開孔構(gòu)件轉(zhuǎn)化為無(wú)孔截面構(gòu)件來(lái)分析，采用臨界分支荷載損失法(ECBL)，將開孔看作一種幾何缺陷，引入缺陷對(duì)構(gòu)件承載力的修正系數(shù)來(lái)考慮相關(guān)屈曲對(duì)開孔細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件的影響，從而得到了開孔構(gòu)件的相關(guān)屈曲臨界荷載。在國(guó)內(nèi)，很多高校與企業(yè)合作開展了大量立柱短柱試驗(yàn)等貨架基礎(chǔ)研究工作。例如：南京理工大學(xué)范進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)在無(wú)孔冷彎薄壁構(gòu)件的理論研究基礎(chǔ)上，對(duì)有孔柱與無(wú)孔柱在對(duì)比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)中短柱的腹板和翼緣發(fā)生的局部屈曲變形現(xiàn)象，分析短柱加工后殘余應(yīng)力、初始幾何缺陷、開孔柱與無(wú)孔柱在承載力、加工誤差、試驗(yàn)荷載變化等因素，分析短柱的力一位移變化和翼緣腹板歪曲變形，貨架立柱的彎扭屈曲強(qiáng)度的測(cè)定與分析等方面的研究工作；同濟(jì)大學(xué)韓書銀、萬(wàn)德安運(yùn)用有限元軟件MscPatran2001對(duì)某大型高層自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)貨架系統(tǒng)按常規(guī)工況和地震工況進(jìn)行了有限元分析，對(duì)貨架的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)同行企業(yè)就自身的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)規(guī)劃體系也開展了大量的足尺工況模型試驗(yàn)和驗(yàn)證工作，對(duì)我國(guó)貨架規(guī)范及其設(shè)計(jì)理論的發(fā)展起到了很好的推動(dòng)作用，其中，貨架立柱是各項(xiàng)研究基礎(chǔ)中的關(guān)鍵?！遁S壓多孔冷彎薄壁c型鋼柱的彎扭屈曲》中針對(duì)多孔冷彎薄壁c型鋼立柱在軸心受壓荷載作用下的彎扭屈曲，考慮彈性及非彈性狀態(tài)，根據(jù)平衡法建立微分方程并采用差分法求解，提出了一種在柱中考慮孔影響的簡(jiǎn)化方法——體積等效方法。在對(duì)冷彎薄壁卷邊槽鋼局部屈曲相關(guān)作用和畸變屈曲的分析時(shí)，《卷邊槽鋼的局部屈曲和畸變屈曲》中的分析為立柱選取適當(dāng)?shù)慕孛嫘问揭员苊饣兦峁┝丝赡苄?。筆者在《冷彎薄壁多孔貨架立柱的穩(wěn)定性分析與研究》中依據(jù)試驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范提出了冷彎薄壁多孔貨架立柱偏心受壓的計(jì)算方法；針對(duì)立柱進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，根據(jù)其受載狀態(tài)的不同，依據(jù)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018-2002分別按軸壓構(gòu)件、壓彎構(gòu)件及彎扭構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，并根據(jù)《CECS 23：90鋼貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)孔洞的簡(jiǎn)化處理進(jìn)行修正和試驗(yàn)驗(yàn)證。除自身構(gòu)造特點(diǎn)的影響外，立柱的邊界約束也對(duì)其承載力有很大的影響。H.H.Lau、M.H.R.Godley、R.G.Beale等研究了立柱底板連接對(duì)立柱承載力的影響，從理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面入手，對(duì)一端鉸接、一端有底板的立柱在軸向荷載和立柱中間一橫向荷載作用下的性能，分析在不同情況下，柱帶底板一端是按剛接處理還是按鉸接處理，并研究了長(zhǎng)細(xì)比對(duì)柱的承載力的影響，指出長(zhǎng)細(xì)比大干100的柱的承載力高于歐拉臨界力。貨架立柱往往采用冷彎薄壁型鋼，Jyrki Kesti、J.Michael Davies等研究了兩端剛接的冷彎薄壁短柱的受力性能，驗(yàn)證了EC3提供的短柱受壓承載力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，并指出邊界條件對(duì)短柱的影響大于長(zhǎng)柱。由于貨架立柱截面形狀較復(fù)雜，很難采用傳統(tǒng)的有效寬度法計(jì)算其承載力，B.Schafer、T.Pekoz和G.Hancock等近年來(lái)提出一種全新的冷彎型鋼構(gòu)件承載力計(jì)算方法——直接強(qiáng)度法，該法不需計(jì)算有效截面，就能計(jì)算截面形狀較復(fù)雜的高強(qiáng)冷彎型鋼構(gòu)件承載力，并可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望目前，關(guān)于立柱的研究中引入了很多簡(jiǎn)化法，如孔洞影響的簡(jiǎn)化處理方法、以短柱試驗(yàn)代替長(zhǎng)柱試驗(yàn)、以貨架單元試驗(yàn)代替貨架整體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)等，都會(huì)在不同程度上造成結(jié)果不精確。由于立柱翼緣設(shè)計(jì)不合理或截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成翼緣屆曲破壞、局部屈曲破壞等，造成試驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差，以及目前的研究大多集中在一種或幾種特定的截面類型，特別是很多研究是基于開口冷彎薄壁多孔柱的，對(duì)其他截面結(jié)構(gòu)形式的研究還有待加強(qiáng)；再者，由于試驗(yàn)樣本數(shù)量的限制，試驗(yàn)結(jié)果分散，很難達(dá)到通用性，且各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)問(wèn)的研究與資源共享性很差。特別是目前我國(guó)對(duì)貨架立柱進(jìn)行的專項(xiàng)研究還相對(duì)較少，理論方面更是很少涉足。隨著鋼結(jié)構(gòu)貨架的發(fā)展與普及，國(guó)外先進(jìn)加工工藝的引入，國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)規(guī)范和理論體系的導(dǎo)入及國(guó)內(nèi)外應(yīng)用環(huán)境的比較，立柱截面類型設(shè)計(jì)及選擇的多樣化，都要求對(duì)貨架立柱的性能做進(jìn)一步的研究和分析。目前在討論貨架立柱性能時(shí)，基本上是以室溫下獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為前提。當(dāng)貨架應(yīng)用在冷鏈物流、高溫差地域中，需要對(duì)立柱進(jìn)行溫度影響性研究、材料選擇性等方面的研究；當(dāng)選用高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼構(gòu)件時(shí)，需要針對(duì)規(guī)范中尚未涉及的內(nèi)容，開展相應(yīng)的試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)的收集整理、研究和理論分析，以驗(yàn)證其適用性。例如，我國(guó)設(shè)計(jì)人員通常采用穩(wěn)定系數(shù)來(lái)計(jì)算壓桿的穩(wěn)定承載力，但《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018-2002中的穩(wěn)定系數(shù)表是針對(duì)Q235、Q345的，需要進(jìn)行適用性驗(yàn)證和修正；針對(duì)國(guó)內(nèi)貨架立柱截面折面數(shù)的增加，采取壓制各種形狀的邊緣、中間加勁來(lái)提高其板件的局部穩(wěn)定性，要通過(guò)對(duì)翼緣、加勁的設(shè)計(jì)研究與計(jì)算，優(yōu)化截面結(jié)構(gòu)、獲得最經(jīng)濟(jì)的勁結(jié)構(gòu)和截面結(jié)構(gòu)，選擇有代表性的立柱截面和樣本開展各項(xiàng)失效試驗(yàn)研究，獲得可靠的安全防護(hù)手段和技術(shù)；特別是有不同孔洞(尺寸、形狀及布置、橫截面的幾何構(gòu)成及所用材料的力學(xué)性能)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能分析與研究，可借鑒AISI規(guī)范中的規(guī)定與敘述，以獲得廣泛的理論支持?jǐn)?shù)據(jù)和驗(yàn)證，并綜合考慮與分析貨架立柱的實(shí)際受載及荷載組合情況。目前多考慮貨架立柱的軸壓性能，對(duì)立柱的壓彎性能及扭彎性能考慮得不多，對(duì)組合荷載考慮得更少，以完善國(guó)內(nèi)貨架設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；并希望在貨架立柱研究的理論和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再綜合貨架框架和結(jié)構(gòu)以全面考慮立柱的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)削減與加固強(qiáng)化手段，形成合理的貨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算方法和手段，尤其是能形成可廣泛開展使用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，以減少設(shè)計(jì)過(guò)程中由于人員素質(zhì)上的差異而產(chǎn)生的安全隱患，并在此基礎(chǔ)上形成貨架安全使用的可靠性評(píng)價(jià)體系。