高位鋼貨架結(jié)構(gòu)單螺栓和雙螺栓支柱柱腳對(duì)比分析

杜 斌，彭皓琨

（1.廣東順力智能物流有限公司，廣東 東莞 523710；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

1 引言

目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)體量的不斷增大，生產(chǎn)力水平大幅度提高，電子商務(wù)、物流等成為市場中新興的活躍行業(yè)，線上購物成為最主要的消費(fèi)方式。物流行業(yè)的飛速發(fā)展促進(jìn)了倉儲(chǔ)模式的更新，用于存儲(chǔ)的鋼貨架從之前的低層貨架變?yōu)樽詣?dòng)化高位貨架[1]，承載強(qiáng)度也逐漸加大。

組裝式鋼貨架是目前的主流貨架設(shè)計(jì)方法，貨架節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度是決定貨架承載能力的重要因素之一[2]。柱腳節(jié)點(diǎn)作為鋼貨架與地基基礎(chǔ)連接的構(gòu)件，不僅承擔(dān)了貨物的巨大重量，同時(shí)也承受鋼貨架本身的重量，所以柱腳節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)是重中之重。目前，行業(yè)內(nèi)采用的柱腳連接方式分為兩種：雙螺栓連接和單螺栓連接，但在設(shè)計(jì)中如何準(zhǔn)確選擇柱腳的連接方式卻沒有具體的規(guī)范說明。大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)師只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際可加工性[3]，進(jìn)行柱腳構(gòu)件各尺寸的選擇。

國外對(duì)于柱腳節(jié)點(diǎn)的研究相對(duì)較多，歐規(guī)EN15512（2009）[4]規(guī)定了通過具體的試驗(yàn)準(zhǔn)確確定柱腳的承載和剛度，美規(guī)RMI[5]建議基于底板尺寸和使用地面材料的彈性模量公式計(jì)算柱腳的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。國內(nèi)對(duì)于柱腳節(jié)點(diǎn)的研究相對(duì)來說比較匱乏，目前還未出臺(tái)有關(guān)鋼貨架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)規(guī)范，大多數(shù)情況下需要按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行驗(yàn)算。戎凱[6]通過對(duì)貨架柱腳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)加載分析，提出增加底板的厚度對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)受力有較大提高，并且得出化學(xué)錨栓的間距越小，柱腳節(jié)點(diǎn)的等效剛度越大。針對(duì)鋼貨架柱腳，已有的研究一般都是將柱腳節(jié)點(diǎn)等效為剛性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析[7]，并沒有針對(duì)具體的連接方式提出有效的設(shè)計(jì)結(jié)論。

本文通過對(duì)雙螺桿連接與單螺桿連接兩種鋼貨架設(shè)計(jì)中常用的柱腳節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行受力分析，對(duì)比其受力特點(diǎn)，為今后鋼貨架結(jié)構(gòu)柱腳選型提供依據(jù)。

2 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

假定地基承載能力和固定螺栓錨固滿足受力要求，計(jì)算簡圖如圖1所示，立柱截面形式和尺寸如圖2所示。其中，采用單螺栓連接情況下，螺桿與上節(jié)點(diǎn)板連接于立柱中心；采用雙螺栓連接情況下，螺桿與上節(jié)點(diǎn)板連接于立柱兩側(cè)。兩種連接方式的承壓螺栓與節(jié)點(diǎn)底板焊接之后，通過焊接在下節(jié)點(diǎn)板，并通過螺栓錨固于混凝土地板。

圖1 計(jì)算簡圖

圖2 立柱截面圖（mm）

2.2 計(jì)算參數(shù)

按照實(shí)際工程常用荷載，設(shè)每個(gè)柱位荷載為10T，螺栓和節(jié)點(diǎn)板均采用Q235鋼材[8]，鋼板抗剪強(qiáng)度120N/mm2，抗彎強(qiáng)度205N/mm2，抗壓強(qiáng)度205N/mm2，屈服強(qiáng)度235N/mm2，螺栓承壓強(qiáng)度305N/mm2，尺寸選取見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)（單位：mm）

單螺栓為M30 級(jí)，雙螺栓為M24 級(jí)，尺寸參數(shù)[9]見表2。

表2 螺栓參數(shù)（單位：mm）

3 計(jì)算過程及結(jié)果匯總

3.1 受力分析

3.1.1 雙螺栓

（1）雙螺栓連接鋼板抗彎強(qiáng)度計(jì)算。按照以上尺寸參數(shù)，上節(jié)點(diǎn)板螺栓孔形心到立柱邊緣距離為40mm。根據(jù)受力平衡可知每一側(cè)螺栓承受承載為5t，即一側(cè)鋼板受力為49 000N。

上 節(jié) 點(diǎn) 板 彎 矩 為 ：M=49 000×40=1.96×106N/mm2。

（2）雙螺栓連接鋼板抗剪強(qiáng)度計(jì)算。

鋼板所受剪力：V=49 000N；

鋼板截面面積：A=150×20=3 000mm3，于是

（3）雙螺栓連接螺紋牙抗彎強(qiáng)度。

其中：p-螺距；D-螺桿大徑；z-實(shí)際工作的螺紋牙圈數(shù)；螺桿長度h 取h=0.541p；螺紋牙底寬度b 取b=0.75p，螺紋牙圈數(shù)z 根據(jù)所加承壓螺母中螺紋牙圈數(shù)確定。

如果說“挑選第一等的工人和級(jí)差計(jì)件工資制”是科學(xué)管理對(duì)人的認(rèn)識(shí)，那么科學(xué)管理通過“標(biāo)準(zhǔn)化原理及培訓(xùn)員工”提高工作效率則更多的是對(duì)事的認(rèn)識(shí)。

（4）雙螺栓連接螺紋牙抗剪強(qiáng)度。

容許應(yīng)力的限值：

其中：S-安全系數(shù)，通常取2～4，本文按照重要程度取4。

（5）雙螺栓連接螺桿軸壓計(jì)算。

de-桿有效直徑；螺栓承壓強(qiáng)度值。

3.1.2 單螺栓

（2）單螺栓連接螺紋牙抗彎強(qiáng)度計(jì)算。單螺栓連接下對(duì)螺桿螺紋牙抗彎強(qiáng)度的驗(yàn)算采用式（3）計(jì)算得：

（3）單螺栓連接螺紋牙抗剪強(qiáng)度計(jì)算。

單螺栓連接下對(duì)螺桿螺紋牙抗剪強(qiáng)度的驗(yàn)算采用式（4）和式（5）計(jì)算得：

（4）單螺栓連接螺桿軸壓計(jì)算。單螺栓連接下對(duì)螺桿軸壓計(jì)算采用式（6）計(jì)算得：

3.2 計(jì)算結(jié)果匯總對(duì)比

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，整理匯總見表3。

表3 螺桿連接計(jì)算結(jié)果匯總

由表3 可知，應(yīng)用單螺栓連接的情況下，螺紋牙抗剪安全系數(shù)最低，說明單螺栓連接時(shí)螺栓型號(hào)的選擇是控制因素；選擇雙螺栓連接的情況下，鋼板抗彎安全系數(shù)最小，此時(shí)，鋼板材料參數(shù)和厚度是控制因素。

4 結(jié)論

本文針對(duì)兩種鋼貨架柱腳連接方式分別進(jìn)行受力分析和數(shù)值計(jì)算，得出在應(yīng)用單螺栓連接情況下，需要增大螺桿的尺寸，以滿足螺栓螺紋牙抗剪強(qiáng)度和螺桿軸向壓力；采用雙螺栓連接情況下，選擇合適的節(jié)點(diǎn)板材料以及尺寸以滿足節(jié)點(diǎn)板抗彎強(qiáng)度。考慮到施工工藝方面，單螺栓連接使用頻率較多，加工施工方法較為成熟；經(jīng)濟(jì)性方面，單螺栓連接提高螺桿等級(jí)較雙螺栓連接增大節(jié)點(diǎn)板尺寸更為經(jīng)濟(jì)。

綜上所述，只考慮軸向承載力，且各項(xiàng)強(qiáng)度均滿足條件的情況下，結(jié)合施工簡便性和經(jīng)濟(jì)性，選擇單螺栓連接更經(jīng)濟(jì)和安裝方便。