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　　库架合一式立体库因其高存储量、高性价比等优势，近年来在国内外市场颇受青睐。但目前库架合一式立体库设计尚不成熟，国内规范也并不完善，还存在诸多问题。本文以美国某库架合一式立体库工程为例，以美规AISC、ASCE、RMI为设计依据，介绍库架合一式立体库设计整体思路、设计步骤、荷载取值和组合、抗侧设计等，为同类工程设计提供参考。

　　相对于库架分离式立体库，库架合一式立体库钢结构主体一般由高层货架(牛腿式、横梁式)、围护结构(屋面、墙面等)依附于货架主体钢结构体上形成库房。从结构角度分析，库房与货架合二为一整体受力，即库架合一式立体库钢结构既要承受内部荷载(托盘荷载、设备附加荷载等)，又要承受外部荷载(风荷载、雪荷载、地震荷载、屋顶活荷载等)。作为库房，库架合一式立体库也要满足消防等建筑功能。本文以美国某库架合一式立体库工程为例，以美规AISC、ASCE、RMI为设计依据，介绍库架合一式立体库设计整体思路、设计步骤、荷载取值和组合、抗侧设计等，为同类工程设计提供参考。

　　一、项目背景

　　项目现场位于美国德克萨斯州，本自动化立体库的钢货架为库架合一立体库，仓库主体结构形式为牛腿式立体库，钢货架立柱结构用钢为Q345B冷弯薄壁型钢。结构主要参数如下：货架纵向(沿巷道方向)总长度为168.45m，总宽度为52.1m，其中，单深位(叉车在垂直巷道方向的存取货物深度为一个托盘)边列货架宽度为2.650m，单深位货架中列宽度为5.400m，沿横向，巷道总数为7个，巷道宽度为1.95m，货架之间由巷道分开，单体间顶部由三角屋架相连成整体，货架总高度为24.25m，屋顶总高度为27.55m，屋顶类型：坡度为5度的三角屋架。货架主体有8层货物，每层层高分别为2.915m，货物支撑在牛腿载重梁上，每个托盘货物重量为1500kg。库架合一式钢货架主体结构与围护结构(屋面及墙面)合为一体，共同承受荷载。本牛腿式库架合一式立体库是带支撑无侧移货架，通过垂直支撑保证结构的竖向稳定性。地震设防：结构抗震相关参数按ASCE 7查得，Ss:0.084，S1:0.029。场地类别：D类。风载信息：设计风速 60m/s。 场地粗糙度：C类。

　　本库架合一式立体库的特点：高度较高，载荷较大，柱片深度较大。主体结构组成：货架主体结构[立柱、载重梁、垂直支撑(背拉杆)、水平支撑，屋架(屋面支撑)、连杆等]，围护结构(屋面钢檩条、内外墙、墙面压型钢板、屋面压型钢板等)、排水系统(屋面檐沟、天沟、落水管等)及其他(钢楼梯、栏杆等)。

　　二、总体设计思路

　　库架合一式立体库货架设计基本思路首先是满足各专业功能的要求。同时，各专业需要协同工作，才能设计出合理的方案;其次，结构本身的合理非常重要。要选用承载能力高、抗风力及地震作用性能好的结构体系和方案，保证结构体系和结构构件的承载力、刚度和延性，做到受力明确、传力快捷，保证安全;第三必须考虑经济性;第四，结构方案要考虑施工方便，材料供应落实。

　　库架合一式立体库货架体系的设计应当分两阶段设计：第一阶段，应当进行整体分析确定内力效应(轴力、弯矩、剪力)及变形(挠度、侧移);第二阶段，应校核结构各构件，以确保各构件在承载能力极限状态下有足够的抵抗力(应力比)，同时，保证在正常使用极限状态下的变形满足其限值。库架合一结构必须有连续的传力路径和完整、有足够强度的抗侧力体系。

　　库架合一式立体库货架由冷成型构件组成，因此可以采用弹性整体分析法。但是，若经过试验确定节点具有非线性特性并且具有足够的转动能力，在整体弹性分析中，应考虑节点的非线性。

　　本项目的设计依据：RMI2011(美国钢货架结构设计规范);ASCE/SEI 7-05美国建筑结构荷载设计规范;ANSI/AISC 360-05美国钢结构规范。

　　1.分析步骤

　　库架合一式立体库货架结构的分析首先进行平行于巷道方向分析，再进行垂直于巷道方向分析。以一个平面框架为基础进行分析。立柱设计时，应考虑满载和部分加载两种条件。满载时要考虑缺陷效应的影响，缺陷效应会导致结构侧向稳定问题，立柱设计时，整体缺陷和局部缺陷均应考虑。对于一个常规的货架设计，仅考虑底层中部一根梁未加载，其余部分满载的加载方式。抗震设计时，巷道方向分析按80%载荷考虑，柱片方向按满载考虑。对于有支撑的货架，导致立柱单曲率的加载模式也应当考虑，如图1。

　　2.荷载的取值

　　对库架合一式立体库货架，作用在其上的荷载包括恒荷载、活荷载(托盘荷载、屋面荷载)、竖向冲击荷载、风荷载、地震荷载等。

　　本项目荷载类型和取值具体如下：

　　(1)恒荷载(D)

　　框架主体荷载，所有结构构件的自重在内力分析时由程序自动计算。屋面荷载，屋面(包括保温、防水、檩条等)：0.50kN/m2;彩钢板：0.25kN/m2;屋顶风机：4.6KN(总共10个)。外墙荷载采用彩钢板：0.25kN/m2

　　(2)托盘荷载(P)

　　托盘荷载主要是指放置在货架上的货物和托盘的重量。本项目每托盘货物重量P为1500kg (15KN) 每托，计算柱片内力时，单层单榀竖向荷载为15KN，在横向，每个载重梁线荷载：P=15/2/2.405=3.12KN/m。在计算载重梁的强度和连接时，作用在其上的活荷载应考虑托盘活荷载的1.25倍的冲击系数，计算挠度变形时不考虑冲击系数的影响。

　　(3)屋面活荷载(Lr)

　　根据施工荷载、检修荷载来确定。规范规定，在屋面设计时，应考虑屋面活荷载、雨水荷载，根据其从属面积大小(在水平面的投影)进行折减。一般屋面活荷载取0.96kN/m2，屋面的水平投影面积=52.1X3.2=166.7m2>55.8 m2，对应从属面积的折减系数R1=0.6，屋面坡度=2169/26/83.28=1<4，对应屋面斜率的折减系数R2=1，屋面活荷载折减后Lr=0.96XR1XR2=0.58KN/m2。

　　(4)雨水荷载(R)

　　经计算，取为0.55kN/m2。因雨水荷载小于屋面活荷载，因此屋顶活荷载起控制作用。

　　(5)竖向冲击载荷(I)

　　放置于货架上的活荷载应考虑冲击荷载的影响。规范中规定的活荷载已考虑了一般的冲击荷载，但当结构构件承受叉车等机械设备的冲击荷载时，应将规范中的活荷载乘以放大系数来考虑冲击荷载。由于叉车存放货物时会对载重梁以及梁柱节点产生冲击力，本项目竖向冲击荷载按25%托盘荷载考虑。I=0.25x15=3.75kN，采用集中荷载施加在载重梁中心。同时，应通过适当的安全措施，避免由叉车或其他机械设备冲击引起的货架立柱损坏。

　　(6)风荷载(W)

　　风荷载通过屋面水平支撑传递到竖向支撑系统。ASCE7提供了简化计算和精确计算两种方法来确定设计风荷载。本文采用精确算法，即综合考虑结构内外压和阵风效应的计算方法。风压的取值与周围环境(地面粗糙度类型)和迎风面形状(体型系数)有关。风载体型系数根据风洞试验而确定。

　　风荷载设计基本步骤：①根据ASCE7中50年一遇的基本风速，取地面以上10m以上、时距3s的风速值，本项目设计风速取为60m/s。②选取重要性系数为1.0。③根据周围环境，确定地面粗糙度类别，本项目取为C。④确定结构封闭程度，本项目为全封闭。⑤计算确定结构设计风荷载。风荷载相关参数如表1。

　　(7)地震荷载(E)

　　地震设计一般采用简化计算，把复杂的地震作用简化为等效的静力荷载施加到结构上。地震作用包括水平地震和竖向地震。通常，大跨度和长悬臂需要考虑竖向作用的影响。本项目可忽略竖向地震的影响，采用振型分解法来计算地震作用，通过软件输入反应谱，计算结构自振周期，确定地震反应系数。

　　仓储结构至少考虑其楼面活载的25%。地震反应修正系数R根据支撑类型确定，本项目R取为4。响应修正系数：R=4.0;SMS=SSxFa=0.084x1.6=0.134，SM1=S1xFv=0.029x2.4=0.070，SDS=2/3* SMS=2/3X0.134=0.090，SD1=2/3*SM1=2/3X0.070=0.046，Ts=SD1/SDS=0.046/0.090=0.511，T0=0.2xTs=0.102，通过软件绘制反应谱曲线(图2)，得到地震反应系数。巷道方向和柱片方向竖向荷载组合保守取为D+0.67P+0.25L。

　　3.荷载组合

　　ASCE提供了两种强度设计方法(ASD、LFRD)，本文采用LFRD(荷载抗力分项系数法)，荷载系数和抗力系数通过可靠性、并结合工程经验确定。依据规范，综合考虑项目情况，荷载组合如表3。

　　4.构件设计

　　库架一体式立体库货架的主要承重构件是立柱和载重梁。柱肢平面外通过斜撑形成格构式柱片，同时在柱片侧面布置载重梁，柱肢平面内通过联系梁形成框架，同时设置被拉杆件，提高结构整体稳定性。

　　(1)立柱设计

　　立柱柱片按开孔的压弯构件设计，其设计过程需要考虑孔洞或槽的布置形式综合分析局部屈曲、整体弯扭屈曲、畸变屈曲以及缺陷。缺陷的影响通过试验方式获得。立柱的设计轴力是由外荷载所产生的竖向力，并需考虑到因倾斜引起的其他效应的影响放大情况。 立柱片两柱肢由于水平荷载、竖向缺陷、二阶效应等导致受力不等，应校核受力较大立柱的平面外的弯扭屈曲。在进行立柱等竖向构件设计时，不考虑竖向冲击荷载的作用。

　　(2)载重梁设计

　　载重梁按受弯构件设计应考虑以下因素：局部屈曲、腹板压屈、侧向扭转、剪切滞后、翼缘翘曲、扭转等。对开口截面的货架载重梁，当弯矩作用在非对称平面内时，构件会有弯曲和扭转的组合作用，并且易发生侧向屈曲。同时，构件受到所承担竖向荷载的约束。

　　三、有限元分析

　　1.有限元模型的建立

　　本库架合一式立体库货架采用有限元软件SAP2000建模分析。整体分析采用考虑二阶效应的三维有限元模型分析。钢货架在小震设计时，按弹性设计，不需要考虑材料、几何等非线性因素]。立柱采用柱单元按压弯构件考虑，横斜撑采用支撑单元按压杆构件考虑，载重梁采用梁单元按受弯构件考虑，背拉杆采用支撑单元按只拉不压构件考虑。采用SAP2000对库架合一式货架进行静力设计、抗震设计、抗风设计等。库架合一式钢货架整体有限元模型见图3。

　　外部水平荷载(风荷载、地震荷载等)通过水平支撑传递水平荷载到竖向传力系统(垂直支撑)，垂直支撑把水平荷载传递给立柱。水平支撑与垂直支撑的布置是相对应的，从而形成空间桁架，缩短传力路径，同时提高结构的整体稳定性。

　　2.计算结果

　　高层钢结构对高度比较敏感，因为钢结构顶点侧移是与结构高度的四次方成正比，因此，高层钢结构侧移影响尤为明显，P-Δ效应会使结构产生附加内力，使结构变得不安全。高层钢结构设计包括强度和稳定性校核，由于本工程风荷载较大(60m/s)，所以风荷载起控制作用。严格控制风荷载下的层间位移角来保证结构的整体刚度。同时，尽量使刚度中心和质量中心重合，避免钢货架由于扭转而发生剪切破坏。风荷载侧移控制指标按H / 400考虑。巷道方向在风荷载下最大侧移14mm<24500/400= 61.25mm，柱片方向在风荷载下最大侧移33.6mm<24500/400=61.25mm，满足要求，如图4。

　　四、结语

　　库架合一式货架作为新型钢货架，既是货架又是库房建筑结构，使结构一体化，大大节约了钢材用料。因其重量轻、整体性好，更利于抗震。整体设计，统一施工，大大缩短设计、制造和施工周期。库架合一作为高层钢结构，稳定性控制显得尤为重要，严格控制侧移，保证结构的整体刚度，是结构设计的关键，此外经济性好，库房建筑结构大大节约。

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　　来源：搜狐