深度解讀《GBT7284-2016 框架木箱》標準（二）

■ 文/蔡少齡

續(xù)2018年2月刊第46頁《深度解讀《GBT7284-2016框架木箱》標準（一）》

（二） 作為拉伸構(gòu)件的滑木

我國按《JB/Z 114-1982 出口機床包裝箱》標準設(shè)計的底座，在穩(wěn)上內(nèi)裝物之后，無須裝上側(cè)面和端面即可起吊。而日本的底座在穩(wěn)上內(nèi)裝物后，在沒有裝好側(cè)面和端面時是不允許起吊的。否則，因為滑木的截面尺寸太小而有可能會斷裂。然而，日本木包裝箱在儲運過程中之所以不會損壞，主要是因為承受內(nèi)裝物載荷的不單單是底座，而是由底座和側(cè)面、端面甚至是頂蓋所組成的整體來承受的。

也就是說。側(cè)面和端面不僅僅是包住內(nèi)裝物和承受堆碼時的堆碼載荷，它還需要承受內(nèi)裝物的一部分載荷。即內(nèi)裝物的一部分載荷分給側(cè)面和端面去承擔了，因而滑木的截面尺寸就可以變得很小，底座就可以做得很單薄了，這就很合理了。而過去我們的包裝箱用不著側(cè)面和端面，只靠底座就可以起吊，那么側(cè)面和端面只起一個罩的作用（當然，還承受堆碼載荷），這不就是一個很大的浪費嗎？

根據(jù)美國林產(chǎn)試驗所發(fā)表的框架木箱設(shè)計便覽，將滑木看作桁架下弦材的一部分。他們認為用木材做的橋梁桁架，其骨架是用螺栓及連接用的金屬配件組裝起來的；而框架木箱的側(cè)面，其骨架是用許多釘子把它釘在側(cè)板上組裝起來的。因此，把這兩種骨架看作幾乎有相同的效果也無妨，如圖4所示。

圖4 橋梁與木箱框架示意圖

于是，在骨架的每個構(gòu)件上分別有壓縮或拉伸的內(nèi)力在起作用，作為整體而發(fā)揮桁架的強度。所以，作為下弦材的滑木，其截面尺寸是可以比較小的。

下面，對對這個側(cè)面的框架結(jié)構(gòu)進行分析，見圖5。設(shè)斜撐的角度為45°，根據(jù)該圖所示的結(jié)構(gòu)，以作圖法求出骨架各構(gòu)件內(nèi)力的性質(zhì)和大小。在圖5的a側(cè)面框架的下面是桁架圖，其尺寸與側(cè)面各構(gòu)件的中心線相同，假定用繩索將木 箱吊起的起吊點就在其兩端。為簡化問題起見，將這超靜定桁架簡化為靜定桁架。用實線表示的是施以載荷時的受力構(gòu)件，而虛線則表示不受力的構(gòu)件。

圖5 桁架與內(nèi)力圖的作圖法

在這里假設(shè)木箱的總重為60kN，那么一個側(cè)面就承受30kN。設(shè)想這30kN在側(cè)面的4個區(qū)間是均勻分布的。另外，為了便于分析問題，假定在中間的3個立柱上分別有10kN向下的力在作用。這樣一來，在兩端就會分別產(chǎn)生向上的、起支持作用的反力15kN。

在圖5的b內(nèi)力圖中，以適當?shù)拈L度在垂直方向上畫出eb表示30kN，ef和ab為15kN，ed、dc和cb為10kN。然后，用與桁架圖FG與GE夾角相同的角度在內(nèi)力圖上畫fg和ge，如果斜撐的角度為45°，則fg就是21kN（壓縮），而ge是15kN（拉伸）。

再用同樣的方法畫出GH（gh）、HI（hi）、ID（id），根據(jù)實際測量就可以知道gh是15kN（拉伸）、hi是7kN（壓縮）、id是21kN（拉伸）。

框架圖中滑木上最大拉伸力是在下弦的ID，為21kN，構(gòu)件所需的截面積可由下式求出：

式中，A —構(gòu)件的截面積，mm；

P —最大拉力，N；

ft—許用抗拉強度，MPa。

如果現(xiàn)在按《GB/T 7284-2016 框架木箱》來設(shè)計，根據(jù)這個例子，查《GB/T 7284-2016 框架木箱》的表11和表12，下框木的尺寸為90mm×40mm。另外，本標準規(guī)定=14.0kPa，于是：

即僅僅下框木還沒算上滑木就可以經(jīng)得住50.4 kN的拉伸力，所以對于ID的21kN來說是不成問題的。

作為下弦材，即使認為最大拉伸力的25%有下框木分擔，而75%由滑木分擔，則本標準規(guī)定的滑木尺寸也是足夠的。

如上所述本標準中規(guī)定的滑木尺寸遠遠大于所需的尺寸，這是考慮到實際儲運過程中，滑木不可能只是單純的拉伸構(gòu)件，還可能會承受彎曲應(yīng)力，同時考慮到在組裝成箱時， 滑木是一個基礎(chǔ)構(gòu)件，在它上面要安裝枕木、側(cè)面和端面，所以本標準規(guī)定本例的滑木尺寸為100mm×100mm。

我國以往框架木箱中滑木的尺寸比本標準規(guī)定的要大得多，但有時還會出現(xiàn)問題，其原因除了材質(zhì)因素之外，一個重要的原因是木箱加工制作比較粗糙，從而使框架不能充分發(fā)揮其桁架的作用。

另外，對于我國國內(nèi)運輸?shù)囊恍┛蚣芟?，有時會使用竹笆、柳笆、葦蓆或纖維板等。雖然在箱的側(cè)面和端面也有框架，但這些框架由于其與竹笆、柳笆、葦蓆或纖維板等的連接效果與木板的情況不同，因而不能協(xié)同滑木承受內(nèi)裝物的載荷。這時的滑木就需要按彎曲構(gòu)件來設(shè)計，對這類框架箱的底座可參照底盤的設(shè)計方法設(shè)計。

關(guān)于上面的理論分析，1985年在沈陽重型機械研究所進行的框架木箱電測試驗中也得到了證實。雖然測得的數(shù)據(jù)與理論分析的數(shù)據(jù)不盡相符，但這是由于理論分析時總是把問題盡量簡化，而實際上的受力狀況要復(fù)雜得多。電測試驗用的兩個木箱是參照《JIS-Z 1403-1984木質(zhì)框架式包裝箱》設(shè)計的，滑木的截面尺寸都很小，但起吊時滑木的應(yīng)力值一般都在許用強度以下。制定《GB/T 7284-1987 框架木箱》時，考慮到我們對滑木的認識剛剛從彎曲構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞓?gòu)件，而且我國國情確實與日本不同，所以為穩(wěn)妥起見，當時對于不同內(nèi)裝物質(zhì)量的滑木截面尺寸，規(guī)定得比日本標準的要大一檔。經(jīng)過近三十年的實踐，在《GB/T 7284-2016 框架木箱》中我們規(guī)定的滑木截面尺寸已經(jīng)和日本標準的一致了。

（三）作為彎曲構(gòu)件的滑木

本標準表5中的滑木截面尺寸是將側(cè)面看作是具有桁架功能的結(jié)構(gòu)來考慮，滑木則看作是下弦材的一部分作為拉伸構(gòu)件而規(guī)定的。但是，當箱的內(nèi)高為65cm以下時，因為沒有斜撐，不能獲得桁架的功能，所以要將滑木作為彎曲構(gòu)件來考慮。

這時應(yīng)該怎樣設(shè)計滑木在本標準中沒有提到。下面我們將《JIS-Z 1403-2012 木質(zhì)框架式包裝箱》中的附錄A（資料性附錄）所規(guī)定的設(shè)計方法介紹給大家以供參考。

1.滑木的截面尺寸

對于箱的內(nèi)高不大于650mm的滑木的截面尺寸可有下式求得：

式中，b：滑木寬度的總和（cm）；（注意： JIS中的長、寬和厚的單位為cm）

h：滑木的厚度（cm）；

M：內(nèi)裝物的載荷（W）為均布載荷時，在滑木上的支持點或中心點的彎距（N·cm）（W =內(nèi)裝物質(zhì)量×9.8）；

fb：許用抗彎強度（10.5MPa）；（注：這是JIS規(guī)定的fb值）

b1：上、下框木的厚度（cm）；

h1：上框木的高（寬）度（cm）；

h2：下框木的高（寬）度（cm）。

2.滑木的數(shù)量

滑木的數(shù)量可根據(jù)底座的寬度，在滑木總寬（b）的范圍內(nèi)確定其適當?shù)臄?shù)量。但是，每根滑木的寬度不得小于其厚度（h）。另外，彎距M隨內(nèi)裝物載荷、載荷狀態(tài)和支持位置而變化。如圖6所示，如果簡支梁受均布載荷W作用，支持點在簡支梁的兩端，支持點的間距為l，則彎距M的最大值為Wl/8，其位置在中心點。隨著支持點往中央靠近，中心點的彎距逐漸變小，而在支持點則有方向相反的彎距在作用，而且這彎距在逐漸變大。將這個關(guān)系圖示出來就是圖7。由于支持點的移動引起彎距的變化如表8所示。

圖6 支持點與彎距

圖7 彎距圖

表8 彎距隨支持點移動的變化

3.計算滑木截面尺寸時應(yīng)考慮以下的問題

a. 先根據(jù)掛繩索的起吊位置或叉車貨叉的位置等確定l1的值，然后以表8的彎距Ms和Mc中較大的一方為基準來計算；

b. 并不一定要整根滑木都有由公式（1）算出的滑木截面尺寸，也可以在GB/T 7284-2016表5規(guī)定的滑木尺寸的滑木的側(cè)面附加長度為2l/3以上的副滑木，使這部分達到公式（1）算出的滑木截面尺寸（見圖9）；

c. 內(nèi)裝物是中央集中載荷時Mc = Wl2/4（l2為支持點之間的距離）；

d. 內(nèi)裝物在長度方向上是一個整體，而且對彎曲有足夠的剛性，或它在長度方向上是兩點集中載荷，而支持點又在這兩點的附近時，也可以采用《GB/T 7284-2016 框架木箱》表5所規(guī)定的滑木。

圖9 副滑木圖

（四）底座的其他構(gòu)件

底座除滑木之外，還有枕木、端木、輔助滑木（有時采用墊木）和底板。除枕木之外，其他構(gòu)件的尺寸都可以在《GB/T 7284-2016 框架木箱》的表5中查到。枕木的設(shè)計計算方法可按本標準的6.1.6條的規(guī)定進行。

關(guān)于輔助滑木，輔助滑木并不作為應(yīng)力構(gòu)件來考慮，它是為便于掛起吊繩索，以及調(diào)節(jié)掛繩索口的位置和內(nèi)裝物的重心相適應(yīng)而安裝在滑木的下面的。過去我國許多框架木箱都沒有輔助滑木，起吊繩索掛在滑木兩端的倒角上。起吊時繩索容易滑脫而造成事故，特別是在包裝件的重心較偏時。所以，這就需要由輔助滑木來調(diào)整起吊點的位置，使包裝件的重心正好在兩起吊點的中間，以保證包裝件的平穩(wěn)起吊。

輔助滑木的厚度主要是根據(jù)內(nèi)裝物的重量而定。因為越重的箱子，所需的起吊繩索越粗，所以輔助滑木就應(yīng)該越厚，而美蘇標準中對輔助滑木厚度的規(guī)定不變，這是不夠合理的。

由于使用叉車搬運木箱越來越多，所以采用墊木代替輔助滑木也是很方便的。但是，要注意很多時候要將木箱推進集裝箱，這時墊木的阻力很大，若安裝不牢固，很容易將墊木推掉，特別是最前面的墊木。

端木時橫向連接滑木的構(gòu)件，在其上安裝端面。端木所受的載荷比滑木要小的多，這在木結(jié)構(gòu)包裝箱的電測試驗試驗中已經(jīng)得到了證實。所以，端木的設(shè)計主要應(yīng)作為組裝底座和端面的聯(lián)結(jié)構(gòu)件來考慮，其尺寸應(yīng)比相應(yīng)的滑木小。

底板已不作為受力構(gòu)件考慮，但其厚度隨內(nèi)裝物質(zhì)量的增加而相應(yīng)增加。

五、側(cè)面和端面

側(cè)面和端面是由框架結(jié)構(gòu)與箱板組成的?？蚣苁前b箱的骨架，在儲運過程中它承受如下三種形式外力的作用：

1）作為框架結(jié)構(gòu)在起吊時與滑木共同承受內(nèi)裝物的載荷；

2）承受堆碼時的堆碼載荷；

3）承受儲運過程中來自各個方向的沖擊。

（一）框結(jié)構(gòu)的形式

從框架結(jié)構(gòu)的形式來說，《JB/Z 114-1982 出口機床包裝箱》規(guī)定的與日本的JIS標準規(guī)定的比較接近，而與美軍和前蘇聯(lián)的標準相差較大。圖10是《JB/Z 114-1982出口機床包裝箱》的框架結(jié)構(gòu)選擇圖。

圖10 《JB/Z 114-1982出口機床包裝箱》的框架結(jié)構(gòu)選擇圖

《JB/Z 114-1982 出口機床包裝箱》的框架結(jié)構(gòu)選擇圖雖然與日本的相似，但實際上差別也是比較大的。我們立柱的中心距最大為1500mm，而日本的為1200mm；我們的箱高超過2400mm時才有平撐，而日本的箱內(nèi)高超過1500mm～1700mm時就有平撐；我們從2HK到4HK，或從4HK到6HK的變化太突然，而日本的則中間有3HK或5HK的過渡，變化較為緩和等等。

這里對同一產(chǎn)品MB1520磨床，分別按《JB/Z 114-1982 出口機床包裝箱》和《JIS-Z 1403-1984 木質(zhì)框架式包裝箱》設(shè)計框架木箱做一比較，如圖11 和圖12和所示。

同樣的MB1520磨床，按《JB/Z 114-1982 出口機床包裝箱》設(shè)計時，側(cè)、端面的耗材為1.285 m3，能承受的堆碼載荷為1000 kgf/m2；而按《JIS-Z 1403-1984 木質(zhì)框架式包裝箱》設(shè)計時，側(cè)、端面的耗材為1.014 m3，是我們的78.9%，同樣也是能承受1000 kgf/m2的堆碼載荷。

圖11 按《JB/Z 114-1982 出口機床包裝箱》設(shè)計的框架木箱

圖12 按《JIS-Z 1403-1984 木質(zhì)框架式包裝箱》設(shè)計的框架木箱

總的來說，日本的框架比我們的密實，但耗材并不比我們的多。從桁架作用發(fā)發(fā)揮，抵抗外力的作用以及構(gòu)件尺寸的減少等方面都比我們的優(yōu)越。因此，我們決定采用日本的框架結(jié)構(gòu)形式。

本標準文件中的圖14的框架結(jié)構(gòu)形式選擇圖是如何制作的呢？對于木板箱，作為桁架結(jié)構(gòu)，為使各構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力有機地聯(lián)系起來要采用斜撐，而且其角度最好是45°。然而，實際上木箱的尺寸是各種各樣的，斜撐的角度很難保證45°。但是，只要能做到45°±10°就好。所以，根據(jù)tg35°≈0.7和tg55°≈1.4這個關(guān)系制成這個框架結(jié)構(gòu)形式選擇圖。例如，本來是X形的斜撐，當箱長（寬）不變而箱高逐漸增加時，斜撐的角度就會逐漸增加變成55°，這時選擇圖就開始變成HK形，而這時斜撐的角度就變成35°，這樣就可以保證斜撐的角度總是在35°～55°之間。

對于2型箱，由于它是用膠合板做箱板的，所以其框架結(jié)構(gòu)的形式是以膠合板的尺寸（3″×6″）為基礎(chǔ)的。如本標準文件中的圖12和圖13所示。這種結(jié)構(gòu)形式在《JIS-Z 1403-1976 木質(zhì)框架式包裝箱》時就是這樣?，F(xiàn)在大多數(shù)膠合板都是4″×8″了，所以這種結(jié)構(gòu)形式早就應(yīng)該改成立柱中心距為1220mm。聽說，日本今年要修訂標準，就準備這樣改。

2型箱（膠合板封閉箱）不像1型箱或3型箱那樣箱板是一塊塊的木板，互相之間沒有聯(lián)系。膠合板是整板，用膠合板做箱板時可以認為桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的作用已經(jīng)通過膠合板有機地聯(lián)系起來了，所以2型箱不用斜撐。

另外，本標準文件中的圖14的框架結(jié)構(gòu)形式選擇圖的框架結(jié)構(gòu)有很強的桁架功能，適用于一個箱內(nèi)裝有幾種內(nèi)裝物那樣的分布載荷。因此，當內(nèi)裝物在長度方向上是一個整體，而且具有足夠的剛性時，其框架結(jié)構(gòu)就可以簡化。對于1型箱和3型箱，為防止箱體歪斜，僅在箱子的兩端有斜撐就可以了，如本標準文件中的圖16 所示。對于2型箱，箱板的不大于1220mm時，可以省略下框木，如本標準文件中的圖17 所示。

（二）框架構(gòu)件的尺寸

前面提到同是MB1520磨床，同樣也是承受1000 kgf/m2堆碼載荷的框架木箱，按日本標準設(shè)計時其側(cè)、端面的耗材僅為我們的78.9%。為什么耗材會相差那么多呢？原因如下：

日本在設(shè)計框架木箱時，主要考慮側(cè)面框架的受力狀態(tài)。通過分析認為立柱的截面尺寸應(yīng)該比斜撐、平撐、和下框木的截面尺寸要大。側(cè)下框木因為與滑木共同組成桁架的下弦材，而滑木已有作為下弦材的足夠尺寸，所以側(cè)下框木的截面尺寸可以比較小，甚至有時還可以不用下框木。側(cè)上框木因為它既是桁架的上弦材，同時還要承受起吊時起吊繩索對它的橫向擠壓力，所以其截面尺寸要大，一般與立柱的相同。但是，為了制箱時的方便，立柱、上框木、下框木、斜撐和平撐的截面尺寸最好一樣。

那么，應(yīng)如何解決立柱需要較大的截面尺寸呢？日本的標準中就采用了輔助立柱這一構(gòu)件，即在立柱的內(nèi)側(cè)再用釘子釘上輔助立柱。具體到MB1520磨床包裝箱，就是在90mm×45mm的立柱上釘上90mm×24mm的輔助立柱。這樣，立柱的截面積就擴大到90mm×69mm了，而上、下框木、斜撐和平撐仍為90mm×45mm。

輔助立柱還有另外的一個作用，就是支撐住梁承，而梁承又托住橫梁。從圖7 可以看出，按《JB/Z 114-1982 出口機床包裝箱》設(shè)計的框架木箱既無輔助立柱又無梁承，橫梁只靠釘子釘在側(cè)上框木上，以致橫梁在承受頂蓋載荷的能力方面是很差的， 往往在儲運過程中造成頂蓋塌下，損壞內(nèi)裝物。

下面，先介紹立柱的設(shè)計方法。

（三）立柱的設(shè)計方法

在確定框架構(gòu)件尺寸時，有一個很重要的問題就是立柱的壓曲強度問題，它直接關(guān)系到立柱的正確設(shè)計。本標準表3規(guī)定的許用（順紋）抗壓強度并不能直接用于立柱的設(shè)計，因為柱子有長短之分。同樣截面尺寸的長柱和短柱，在受到軸向壓力的時候，其抗壓能力的表現(xiàn)是很不相同的。對于很長的柱，只要沿軸向稍稍加力，柱子就會側(cè)彎，隨著壓力加大，柱子越來越彎，最后是彎折而斷； 而很短的柱則不會彎，最后是被壓潰的。這就是說，許用（順紋）抗壓強度是不變的，但柱子的許用壓曲強度是隨著柱子的長細比的變化而變化的。所以，關(guān)鍵就是如何確定柱子的壓曲強度。

《JB/Z 114-1982 出口機床包裝箱》中對立柱的設(shè)計方法已經(jīng)參考了《JIS-Z 1403-1976 木質(zhì)框架式包裝箱》的設(shè)計方法，那是以戈登·蘭金公式為基礎(chǔ)的。但是，日本在1984年修訂標準時認為那種計算方法不合理，也浪費木材。所以，他們對立柱壓曲強度的計算公式作了重大修改。他們根據(jù)木箱立柱受力的特點，將日本的建筑基準法的許用壓曲強度計算公式修正成木箱立柱的許用壓曲強度計算公式。

那么，我們應(yīng)該怎樣確定立柱的許用壓曲強度呢？我們根據(jù)我國的《GB J5-1973 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，仿效日本的修正方法，將建筑用的立柱許用壓曲強度計算公式修正成《GB/T 7284-1987框架木箱》的木箱立柱許用壓曲強度計算公式?！禛B/T 7284-1998框架木箱》仍沿用這個計算公式。但是，《GB J5-1973 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》已經(jīng)于1988年修訂成《GB J5-1988木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，又于2003年修訂成《GB 50005-2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。其中建筑用的立柱壓曲系數(shù)計算公式已做了修改。所以，我們在制定《GB/T 7284-2016 框架木箱》時，也必須對木箱立柱計算公式做出相應(yīng)的修改。以下介紹我們是如何確定木箱的立柱計算公式的。

（未完待續(xù)）