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关于我国钢质货架立柱性能的分析与研究

发布者::admin   发布时间: :2013-11-08 14:49 浏览次数: :

探讨关于我国钢质货架立柱性能的分析与研究:

钢货架立柱(以下简称立柱)主要承受来自货架结构体中其他部件对其产生的垂直荷载、弯矩和扭矩的组合作用,因此,立柱的设计、生产制造及安装等将直接关系到货架钢结构的技术经济性、安全性和使用的便捷性。虽然国外学者对立柱进行了很多研究工作,如立柱承载力的设计计算、计算长度系数的取值等,但其试验所用的试件是国外常用的冷弯薄壁货架结构立柱,在选择的材料、截面形状及生产工艺、试验条件和评价指标等方面均存在差异,并不符合中国的使用要求和实际应用。国内同行和学者也对立柱的理论和试验研究做了很多有益的工作,例如,在承载能力极限状态和正常使用极限状态下,通过静力分析或试验来验证立柱性能的满足性,以减少货架材料的过量设计与使用,在此基础上,增强同行对市场的响应能力,建立并完善货架可靠性理论及其评价体系。
    一、关于立柱的分析
    1、立柱的截面形状分析:货架立柱的截面形状分析包括以下方面:
    (1)开口薄壁截面、封闭薄壁截面及其他钢结构型材,薄壁截面在整体稳定性分析中有三种破坏模式(弯曲屈曲、扭转屈曲、弯扭屈曲)。由于国内封闭薄壁截面立柱的市场形式比较少,相对的理论和试验开展得也少:
    (2)立柱结构孔洞或因材料强度不足而局部破坏及其对整体结构和承载力的影响;
    (3)立柱结构约束类别及节点设计与布置不合理,或者局部补强措施不合理造成的隐患;
    (4)立柱结构或构件由于屈曲而丧失整体稳定性;
    (5)立柱结构初始成型缺陷及塑性变形超标(无法确定能使用的屈曲后强度,只能将屈曲后强度作为立柱设计的安全性储量考虑)及构件疲劳断裂等。
    目前有理论表明,冷弯薄壁型钢柱可能在达到整体破坏荷载前其局部就发生屈曲破坏,局部屈曲和整体屈曲互相作用,也会导致立柱整体强度降低、整体结构稳定性下降,由此在AISI规范中由控制临界屈曲应力及有效面积来代替全部横截面面积以确定立柱的额定负荷。
    2、立柱的冷弯成型工艺分析:对立柱的冷弯成型工艺分析结果表明,要兼顾不同料厚材料所形成的成型截面尺寸的变化对货架结构装配互换性的影响。还要根据材料特性选择合理的弯曲半径和弯曲角,以防止折面根部边缘不合理裂纹、折面根部弯曲面的减薄等不良冷弯缺陷的产生。随着货架生产技术与工艺的发展,以及高强度钢板等新材料的应用,立柱折面从最基本的角钢型折面衍生到多折面结构(其形状主要是在基本折边的基础上设计合理的弯曲半径和弯曲角来增加弯折面)。由于冷弯薄壁多孔型立柱的选材厚度都较薄,开口截面立柱的扭转刚度与材料厚度的立方成正比,因此冷弯薄壁多孔型立柱的抗扭能力相对较弱,根据有效宽度理论,需要严格控制结构的宽厚比设计参数。基于以上分析,要根据生产制造工艺和货架结构、高度等选择合理的立柱加接模式,以适应高位立体库的发展,同时又不会显著降低接口处的力学性能,并考虑立柱生产制造的相对成本;既提高立柱的承载强度、刚度和稳定性,获得力学性能优异的冷弯薄壁型钢立柱,又能扩大货架立柱的应用领域。

货架立柱另一个重要的结构特征是:在特定冷弯薄壁型钢的立面、侧面冲出形成一系列的具有一定分布规律和精度要求的孔或不规则的连续孔洞。以满足货架结构间的装配要求,形成了以多孔立柱为竖向支撑的独特力系钢结构体。这对生产工艺、产品的制造精度等方面提出了更高要求,也加大了货架结构的力学分析与研究的复杂性、困难性。因为对于冷弯薄壁多孔货架立柱来说,它的极限承载力除受到整体屈曲、局部屈曲、畸变屈曲及其相互作用的影响外,还有孔洞的影响、梁柱节点刚性及半刚性特征、支撑与立柱连接形成的节点约束、柱底板与立柱连接的影响等,均增加了立柱理论分析及试验的复杂性。《轴压多孔冷弯薄壁c型钢柱的弯扭屈曲》一文中规定:若孔位于板件的无效部位,此开孔板件的有效宽度可按相应无孔板件的有效宽度取用;若孔位于板件的有效部位,则此开孔板件的有效宽度可按相应无孔板件的有效宽度扣除位于有效区内的孔宽取用,并需要通过开孔短柱试验和相应的无孔短柱试验来确定实际开孔型材的全截面力学性能以及开孔对构件承载力的影响,可以通过开孔型材的孔洞影响系数来描述和计算。因此,从立柱的应用角度来看。一定要关注立柱的生产制造精度、设计装配互换性要求及施工现场的安装精度、使用环境等多方面的要求。
    二、关于立柱的研究
    立柱的研究包括试验、数值分析及理论研究三个方面,在很多应用实例及足尺试验研究的基础上。各国相关规范中分别提出了关于开孔立柱承载力及稳定计算的设计公式,并建议针对具体设计采用试验的方法来确定相应参数。目前,绝大部分有关冷弯薄壁多孔立柱的计算均是建立在有效宽度公式的基础上,并采用试验方法和数值方法,对原有无孔构件有效宽度理论进行修正,从而建立起多孔构件有效宽度的计算公式,但这需要大量的有效试验样本的支持,并将根据使用材料的变化、截面形状的改进及型材上分布孔的尺寸、位置的变化等进行再试验获取或验证。鉴于我国货架行业起步较晚,前期在生产技术与设备上又多引进国外现成的技术及理论,因此在理论研究、试验研究方面相对滞后,同时,国内外同行在选用材料、工艺等方面存在一定的局限性与差异性,迫切需要开展相应的实验与理论研究工作。在国外,早已在轴心受压、偏心受压极限状态下对货架立柱的短柱在局部屈曲、温度变化下的影响以及有限元在冷弯薄壁型钢中的应用进行了较深入的研究,例如,N.E.Shanmugam等人对立柱开孔后承载力的影响进行了评价,提出了开孔立柱在轴向荷载及弯曲荷载作用下的设计方法;K.M.Bajoria和R.S.Talikot采用传统的悬臂法和提出的双悬臂方法两种不同的方式来确定连接件的弹性,都在一定程度上对立柱及其传力构件进行了研究和讨论。我国在应用这些理论和数据时,需要根据国内实际进行验证对比,以消除差异性。

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