整体式高层钢货架结构的格构式立柱设计方法
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c. 在式 (5) 中确定 φy 时应采用换算长细比λ 0 y ,λoy 的定义与计算公式同文献[ 2 ] 。
d. 对实轴的计算长度 ,原则上应取两相邻垂直 支撑点间的距离 ,但垂直支撑应具有足够强度与刚 度。 313 柱肢的强度与稳定性验算
进行柱肢强度与稳定性验算的主要目的是保证 单肢不先于整体破坏 (图 3) 。在进行柱肢的强度与 稳定性验算时 ,首先要确定作用的柱肢的内力 ,但单
Li Yuan ( The Pervice Centre of China Radio Film and Television Group Beijing 100866)
Abstract :The constructions of lattice column for integrative tall steel storage racks are introduced1 According to t he characters of construction and load2bearing for lattice column , t he reasonable design met hods in present codes are recommended1 Based on t he design met hod , it would be easy for engineers in fabricating company to design t he structural system. Wit h t he principle to determine t he effective lengt h for column , t he stiffness and strengt h requirements for t he lateral bracings of lattice column and its legs are analyzed1 Keywords :lattice column design met hod effective lengt h lateral bracings
4 格构式立柱的侧向支撑设计 在进行整体式高层钢货架内力分析时 ,由于其
受载方式较简单 ,通常情况下是将其简化为平面结 构 。针对平面结构的格构柱设计与验算在前文已详 细阐述 ,但格构柱与柱肢的稳定性验算中较重要的 几何参数是确定构件的计算长度 ,文献[ 1 ]中对于构 件的计算长度给出了具体的规定 ,能满足设计要求 。 同时 ,文献[ 1 ]中的计算长度是建立在格构柱或柱肢 的侧向支撑能提供足够的支承作用条件下的 ,然而 如何设计立柱的侧向支撑并未给出具体的规定 ,这 给工程实践带来了很大的不便 。目前在实际工程中 大多是依据容许长细比 ,即“用以减小受压构件长细 比的构件的容许长细比不大于 200”[3 ] 。
=
x1 h
N
(7)
σ=
N A en
± Mx
W en x
≤f
(2)
M x1
=
I1/
I1/ x1 x1 + I2/
x2
(8)
式中 , M x 、W en x 分别为对格构柱实轴的弯矩与有效 净截面模量 。
M x2
=
I1/
I1/ x2 x1 + I2/
x2
(9)
312 立柱的稳定性验算
对应格构柱的轴压与压弯受力状态 ,稳定性验
图 1 整体式货架结构示意
112 立柱和柱肢计算长度不易确定
第一作者 :李雄彦 男 1973 年 6 月出生 博士研究生 国家一级 注册结构师 收稿日期 :2006 - 04 - 02
Industrial Construction Vol. 36 , Supplement ,2006 工业建筑 2006 年第 36 卷增刊 595
关键词 :格构式立柱 设计方法 计算长度 支撑
DESIGN METHOD OF LATTICE COLUMN FOR INTEGRATIVE TALL STEEL STORAGE RACK
Li Xiongyan Xue Suduo ( The College of Architecture and Civil Engineering , Beijing University of Technology Beijing 100022)
格构柱构件的局部稳定性是通过采用有效净截 面来实现的 ,因此在稳定性验算过程中 ,必须要注意 对构件有效截面的核算 。
在一般情况下均大于或等于有效净截面面积 ,因此 强度验算与稳定验算同样不可忽略 。
b. 计算长度的确定 。由于格构柱的计算长度 与竖向荷载的作用重心位置有关 ,因此在选择用于 校核稳定性的内力时 ,除应考虑其值大小外 ,还需考 虑荷载重心位置不同时的不利作用状态下的稳定性 验算 。
整体式高层钢货架的立柱多为冷弯薄壁型钢格 构式构件 ,根据其受载状态的不同 ,立柱须分别按轴 压构件和压弯构件进行验算 。立柱验算时 ,既要验 算其自身平面内外的稳定性 ,又要验算柱肢平面内 外的稳定性 。此外 ,边列柱与中列柱中各柱肢的计 算也存在差异 。
1 - 牛腿 ;2 - 垂直支撑 ;3 - 边列柱 ;4 - 柱肢 ;5 - 巷道 ;6 - 水平 支撑 ;7 - 中列柱
算也应分别按两种情况验算 。稳定性验算仍采用
《冷弯薄壁型钢结构技术规范》( GB 50018 - 2002)
的相关公式[2 ] 。
轴压构件的稳定性计算公式 :
N
φA n
≤f
(3)
式中 ,φ轴心受压构件的稳定系数 , A n 为净截面面
积。
压弯构件的稳定性验算 , 应考虑平面内和平面
外两种稳定状态 ,相应的计算公式如式 (4) 、式 (5) :
当竖向格构柱的重心位置低于格构柱全高的 1/ 2 时 ,μ = 1. 1 ;
当竖向格构柱的重心位置低于格构柱全高的 2/ 3 时 ,μ = 1. 6 ;
当竖向格构柱的重心位置高于格构柱全高的 2/ 3 时 ,μ = 2. 0 。
立柱分肢计算长度包括分肢平面内和平面外的 计算长度 。分肢平面内的计算长度取节间距离 L 2 ; 平面外的计算长度 , 沿巷道侧分肢取两相邻水平支 撑间的距离 L 1 , 中列柱中肢及边列柱外肢 , 取相邻 两垂直支撑点间的距离 L 3 (图 1) 。
2 格构式立柱的构造与相关计算长度的确定 211 立柱的构造
高层货架的格构式立柱可分为边列柱与中列 柱 ,边列柱一般采用双肢格构柱 ,中列柱依仓库建筑 结构柱网的布置不同可采用三肢格构柱或两排双肢 格构柱 ,当中列柱中间柱肢位置处有结构柱时 ,则只 能采用两排双肢格构柱 。格构式立柱由柱肢及缀条 或缀板构成的腹杆共同组成 ,如图 2 ,其材料可采用 冷弯薄壁型钢或热轧型钢 ,国内目前已建成的货架 结构有相当一部分是采用冷弯型钢制作 ,取得了良 好的经济效果 ,本文所讨论的格构柱均为冷弯薄壁 型钢制作 。 212 相关计算长度的确定
3 格构式立柱与柱肢的强度与稳定性验算 311 立柱的强度验算
格构式立柱在进行强度验算时 ,要分别考虑压 弯和轴压两种承载状态 。轴压作用多出现在货架中 部的格构柱 ,柱两侧牛腿对称且竖向荷载相等 ,此时 承载最不利状态为货架满载 。压弯作用多出现在货 架端部的格构柱或两侧牛腿受载不等的中部柱 ,不 考虑地震作用时 , 压弯柱的弯矩绕格构柱的实轴 ( 实轴为 x 轴) 。计算采用《冷弯薄壁型钢结构技术 规范》( GB 50018 - 2002) 的相关公式[2 ] 。
整体式高层钢货架结构的格构式立柱设计方法
李雄彦 薛素铎
李 苑
(北京工业大学 建筑工程学院 北京 100022) (国家广播电影电视总局机关服务中心 北京 100866)
摘 要 :介绍了整体式高层钢货架结构的格构式立柱构造 ;结合立柱的构造 、受力特点及现行相关规范 , 选择了合理的设计方法和计算公式 ,为货架设备制造厂商设计该类结构提供了方便 ;依据规范中立柱计算长 度的确定原则 ,提出了高层钢货架结构中的柱列支撑和柱肢支撑应提供的最小强度和刚度计算公式 。
与钢货架的格构式立柱稳定性验算相关的计算 长度包括 :立柱自身平面内的计算长度和立柱分肢 计算长度 。
596
1 - 腹杆 ;2 - 柱肢 ;3 - 设水平支撑 图 2 双肢格构式立柱示意
立柱自身平面内的计算长度即为格构柱对虚轴 的计算长度 ,其值可由立柱的长度 L 与对虚轴的计 算长度系数μ的乘积μL 确定 。计算长度系数μ的取 值与荷载重心位置有关 ,按以下规定取用[1 ] :
在进行钢结构构件稳定性验算时 ,计算长度是 较为关键的几何参数 ,其取值的合理与否 ,直接关系 到结构的安全 。计算长度值偏大会使设计保守 、不 经济 ,取值偏小则导致结构存在安全隐患 。控制立 柱与柱肢计算长度的主要因素是立柱侧向支撑的布 置 ,而侧向支撑的刚度与强度对计算长度有直接影 响 。与一般建筑结构中的压弯构件不同 ,整体式高 层货架中格构柱对虚轴的计算长度与荷载重心位置 有关 ,因而使立柱的设计进一步复杂化 。
1 概 述 自动化立体仓库作为制造业工厂中的配套工业
建筑广泛应用于各类大型生产基地 ,整体式高层钢 货架是其中的主要设施 。整体式货架系库架分离式 货架 ,适于贮存外形相对固定 、重量有所限制的托盘 或货箱[1 ] 。整体式货架的经济高度在 15～20m ,目 前国内已建成的该类货架的高度大多在 5～30m ,当 货架高度在 8m 以上时称为高层钢货架 。整体式货 架结构的基本组成如图 1 ,主要构件包括格构式立 柱 、牛腿 、托梁 、水平支撑 、垂直支撑等 ,在上述构件 中最复杂的是立柱设计 。由于高层钢货架的高度相 对较大 、层数多 ,立柱受载大且多采用冷弯薄壁型 钢 ,因而立柱设计较冗繁 ,立柱设计的复杂性主要表 现在以下几方面 。 111 验算内容多
高层钢货架中的格构柱的各柱肢截面均相等 , 因此轴力和弯矩平均分布在相应柱肢上 。柱肢的强 度与稳定性 ,根据柱肢的截面形状参照文献[ 2 ]中的 双轴对称截面或单轴对称开口截面的相关公式验 算 。在稳定性验算时 ,柱肢的计算长度依据 212 节 中关于计算长度的相关规定 。
此外 ,应注意保证格构柱的缀条或缀板应具有 足够的强度与刚度 ,现行规范是通过保证缀材的受 剪承载力来满足上述要求的 , 验算公式参见文献 [2]。
目前国内自动化立体库中的高层货架主要由设 备厂商设计 、制造和安装 ,而货架设计涉及多种规 范 ,且有些规范为建筑结构设计规范 ,这为设备厂商 的工程师们在设计过程中带来了很大的困难 。此 外 ,规范中某些条文的理解更多地需要设计者结合 工程实践经验进行合理设计和计算 。格构式立柱是 高层货架中的主要构件 ,立柱的设计是否安全 、经济 直接影响到货架的安全性和经济性 。本文在简要介 绍冷弯薄壁型钢高层货架中格构式立柱构造的基础 上 ,结合现行相关规范 ,详细说明立柱的验算内容 、 相关计算公式及设计中应注意的问题 。现行钢货架 规范对格构式立柱与柱肢的侧向支撑的刚度与强度 没有给出具体要求 ,给设计者带来不便 ,此外也可能 因侧向支撑的刚度与强度不足导致立柱的设计不安 全 。本文将参考现有针对受压立柱侧向支撑应满足 的刚度与强度要求的相关研究成果 ,结合实际工程 , 对比分析了按钢货架设计规范和按相关文献设计侧 向支撑的差异 ,并基于上述分析 ,给出了合理的计算 公式 。
N
φxA e
+
βm M x
1-
N
N′E
W ex
≤f
(4)
N
φyA e
+
ηM x
W ex
≤f
(5)
式 (3) ～式 (5) 中相关参数的定义与规范相同 。
在进行强度和稳定性验算时 ,要注意以下问题 :
a. 计算截面的选择 。在强度验算时 ,采用有效
净截面 ,稳定性计算时采用净截面 ,由于净截面面积
1 - 分肢 1 ;2 - 分肢 2 图 3 格构式构件截面
轴压构件的强度计算公式 :
工业建筑 2006 年第 36 卷增刊
σ=
N A en
≤f
(1)
式中 ,σ为正应力 , N 为轴力 , A en 为有效净截面面
根柱肢的轴力与弯矩值分别按下式ห้องสมุดไป่ตู้算 :
N 1
=
x2 h
N
(6)
积 , f 为钢材的抗压 、抗弯强度设计值 。 压弯构件的强度计算公式 :
N2
d. 对实轴的计算长度 ,原则上应取两相邻垂直 支撑点间的距离 ,但垂直支撑应具有足够强度与刚 度。 313 柱肢的强度与稳定性验算
进行柱肢强度与稳定性验算的主要目的是保证 单肢不先于整体破坏 (图 3) 。在进行柱肢的强度与 稳定性验算时 ,首先要确定作用的柱肢的内力 ,但单
Li Yuan ( The Pervice Centre of China Radio Film and Television Group Beijing 100866)
Abstract :The constructions of lattice column for integrative tall steel storage racks are introduced1 According to t he characters of construction and load2bearing for lattice column , t he reasonable design met hods in present codes are recommended1 Based on t he design met hod , it would be easy for engineers in fabricating company to design t he structural system. Wit h t he principle to determine t he effective lengt h for column , t he stiffness and strengt h requirements for t he lateral bracings of lattice column and its legs are analyzed1 Keywords :lattice column design met hod effective lengt h lateral bracings
4 格构式立柱的侧向支撑设计 在进行整体式高层钢货架内力分析时 ,由于其
受载方式较简单 ,通常情况下是将其简化为平面结 构 。针对平面结构的格构柱设计与验算在前文已详 细阐述 ,但格构柱与柱肢的稳定性验算中较重要的 几何参数是确定构件的计算长度 ,文献[ 1 ]中对于构 件的计算长度给出了具体的规定 ,能满足设计要求 。 同时 ,文献[ 1 ]中的计算长度是建立在格构柱或柱肢 的侧向支撑能提供足够的支承作用条件下的 ,然而 如何设计立柱的侧向支撑并未给出具体的规定 ,这 给工程实践带来了很大的不便 。目前在实际工程中 大多是依据容许长细比 ,即“用以减小受压构件长细 比的构件的容许长细比不大于 200”[3 ] 。
=
x1 h
N
(7)
σ=
N A en
± Mx
W en x
≤f
(2)
M x1
=
I1/
I1/ x1 x1 + I2/
x2
(8)
式中 , M x 、W en x 分别为对格构柱实轴的弯矩与有效 净截面模量 。
M x2
=
I1/
I1/ x2 x1 + I2/
x2
(9)
312 立柱的稳定性验算
对应格构柱的轴压与压弯受力状态 ,稳定性验
图 1 整体式货架结构示意
112 立柱和柱肢计算长度不易确定
第一作者 :李雄彦 男 1973 年 6 月出生 博士研究生 国家一级 注册结构师 收稿日期 :2006 - 04 - 02
Industrial Construction Vol. 36 , Supplement ,2006 工业建筑 2006 年第 36 卷增刊 595
关键词 :格构式立柱 设计方法 计算长度 支撑
DESIGN METHOD OF LATTICE COLUMN FOR INTEGRATIVE TALL STEEL STORAGE RACK
Li Xiongyan Xue Suduo ( The College of Architecture and Civil Engineering , Beijing University of Technology Beijing 100022)
格构柱构件的局部稳定性是通过采用有效净截 面来实现的 ,因此在稳定性验算过程中 ,必须要注意 对构件有效截面的核算 。
在一般情况下均大于或等于有效净截面面积 ,因此 强度验算与稳定验算同样不可忽略 。
b. 计算长度的确定 。由于格构柱的计算长度 与竖向荷载的作用重心位置有关 ,因此在选择用于 校核稳定性的内力时 ,除应考虑其值大小外 ,还需考 虑荷载重心位置不同时的不利作用状态下的稳定性 验算 。
整体式高层钢货架的立柱多为冷弯薄壁型钢格 构式构件 ,根据其受载状态的不同 ,立柱须分别按轴 压构件和压弯构件进行验算 。立柱验算时 ,既要验 算其自身平面内外的稳定性 ,又要验算柱肢平面内 外的稳定性 。此外 ,边列柱与中列柱中各柱肢的计 算也存在差异 。
1 - 牛腿 ;2 - 垂直支撑 ;3 - 边列柱 ;4 - 柱肢 ;5 - 巷道 ;6 - 水平 支撑 ;7 - 中列柱
算也应分别按两种情况验算 。稳定性验算仍采用
《冷弯薄壁型钢结构技术规范》( GB 50018 - 2002)
的相关公式[2 ] 。
轴压构件的稳定性计算公式 :
N
φA n
≤f
(3)
式中 ,φ轴心受压构件的稳定系数 , A n 为净截面面
积。
压弯构件的稳定性验算 , 应考虑平面内和平面
外两种稳定状态 ,相应的计算公式如式 (4) 、式 (5) :
当竖向格构柱的重心位置低于格构柱全高的 1/ 2 时 ,μ = 1. 1 ;
当竖向格构柱的重心位置低于格构柱全高的 2/ 3 时 ,μ = 1. 6 ;
当竖向格构柱的重心位置高于格构柱全高的 2/ 3 时 ,μ = 2. 0 。
立柱分肢计算长度包括分肢平面内和平面外的 计算长度 。分肢平面内的计算长度取节间距离 L 2 ; 平面外的计算长度 , 沿巷道侧分肢取两相邻水平支 撑间的距离 L 1 , 中列柱中肢及边列柱外肢 , 取相邻 两垂直支撑点间的距离 L 3 (图 1) 。
2 格构式立柱的构造与相关计算长度的确定 211 立柱的构造
高层货架的格构式立柱可分为边列柱与中列 柱 ,边列柱一般采用双肢格构柱 ,中列柱依仓库建筑 结构柱网的布置不同可采用三肢格构柱或两排双肢 格构柱 ,当中列柱中间柱肢位置处有结构柱时 ,则只 能采用两排双肢格构柱 。格构式立柱由柱肢及缀条 或缀板构成的腹杆共同组成 ,如图 2 ,其材料可采用 冷弯薄壁型钢或热轧型钢 ,国内目前已建成的货架 结构有相当一部分是采用冷弯型钢制作 ,取得了良 好的经济效果 ,本文所讨论的格构柱均为冷弯薄壁 型钢制作 。 212 相关计算长度的确定
3 格构式立柱与柱肢的强度与稳定性验算 311 立柱的强度验算
格构式立柱在进行强度验算时 ,要分别考虑压 弯和轴压两种承载状态 。轴压作用多出现在货架中 部的格构柱 ,柱两侧牛腿对称且竖向荷载相等 ,此时 承载最不利状态为货架满载 。压弯作用多出现在货 架端部的格构柱或两侧牛腿受载不等的中部柱 ,不 考虑地震作用时 , 压弯柱的弯矩绕格构柱的实轴 ( 实轴为 x 轴) 。计算采用《冷弯薄壁型钢结构技术 规范》( GB 50018 - 2002) 的相关公式[2 ] 。
整体式高层钢货架结构的格构式立柱设计方法
李雄彦 薛素铎
李 苑
(北京工业大学 建筑工程学院 北京 100022) (国家广播电影电视总局机关服务中心 北京 100866)
摘 要 :介绍了整体式高层钢货架结构的格构式立柱构造 ;结合立柱的构造 、受力特点及现行相关规范 , 选择了合理的设计方法和计算公式 ,为货架设备制造厂商设计该类结构提供了方便 ;依据规范中立柱计算长 度的确定原则 ,提出了高层钢货架结构中的柱列支撑和柱肢支撑应提供的最小强度和刚度计算公式 。
与钢货架的格构式立柱稳定性验算相关的计算 长度包括 :立柱自身平面内的计算长度和立柱分肢 计算长度 。
596
1 - 腹杆 ;2 - 柱肢 ;3 - 设水平支撑 图 2 双肢格构式立柱示意
立柱自身平面内的计算长度即为格构柱对虚轴 的计算长度 ,其值可由立柱的长度 L 与对虚轴的计 算长度系数μ的乘积μL 确定 。计算长度系数μ的取 值与荷载重心位置有关 ,按以下规定取用[1 ] :
在进行钢结构构件稳定性验算时 ,计算长度是 较为关键的几何参数 ,其取值的合理与否 ,直接关系 到结构的安全 。计算长度值偏大会使设计保守 、不 经济 ,取值偏小则导致结构存在安全隐患 。控制立 柱与柱肢计算长度的主要因素是立柱侧向支撑的布 置 ,而侧向支撑的刚度与强度对计算长度有直接影 响 。与一般建筑结构中的压弯构件不同 ,整体式高 层货架中格构柱对虚轴的计算长度与荷载重心位置 有关 ,因而使立柱的设计进一步复杂化 。
1 概 述 自动化立体仓库作为制造业工厂中的配套工业
建筑广泛应用于各类大型生产基地 ,整体式高层钢 货架是其中的主要设施 。整体式货架系库架分离式 货架 ,适于贮存外形相对固定 、重量有所限制的托盘 或货箱[1 ] 。整体式货架的经济高度在 15～20m ,目 前国内已建成的该类货架的高度大多在 5～30m ,当 货架高度在 8m 以上时称为高层钢货架 。整体式货 架结构的基本组成如图 1 ,主要构件包括格构式立 柱 、牛腿 、托梁 、水平支撑 、垂直支撑等 ,在上述构件 中最复杂的是立柱设计 。由于高层钢货架的高度相 对较大 、层数多 ,立柱受载大且多采用冷弯薄壁型 钢 ,因而立柱设计较冗繁 ,立柱设计的复杂性主要表 现在以下几方面 。 111 验算内容多
高层钢货架中的格构柱的各柱肢截面均相等 , 因此轴力和弯矩平均分布在相应柱肢上 。柱肢的强 度与稳定性 ,根据柱肢的截面形状参照文献[ 2 ]中的 双轴对称截面或单轴对称开口截面的相关公式验 算 。在稳定性验算时 ,柱肢的计算长度依据 212 节 中关于计算长度的相关规定 。
此外 ,应注意保证格构柱的缀条或缀板应具有 足够的强度与刚度 ,现行规范是通过保证缀材的受 剪承载力来满足上述要求的 , 验算公式参见文献 [2]。
目前国内自动化立体库中的高层货架主要由设 备厂商设计 、制造和安装 ,而货架设计涉及多种规 范 ,且有些规范为建筑结构设计规范 ,这为设备厂商 的工程师们在设计过程中带来了很大的困难 。此 外 ,规范中某些条文的理解更多地需要设计者结合 工程实践经验进行合理设计和计算 。格构式立柱是 高层货架中的主要构件 ,立柱的设计是否安全 、经济 直接影响到货架的安全性和经济性 。本文在简要介 绍冷弯薄壁型钢高层货架中格构式立柱构造的基础 上 ,结合现行相关规范 ,详细说明立柱的验算内容 、 相关计算公式及设计中应注意的问题 。现行钢货架 规范对格构式立柱与柱肢的侧向支撑的刚度与强度 没有给出具体要求 ,给设计者带来不便 ,此外也可能 因侧向支撑的刚度与强度不足导致立柱的设计不安 全 。本文将参考现有针对受压立柱侧向支撑应满足 的刚度与强度要求的相关研究成果 ,结合实际工程 , 对比分析了按钢货架设计规范和按相关文献设计侧 向支撑的差异 ,并基于上述分析 ,给出了合理的计算 公式 。
N
φxA e
+
βm M x
1-
N
N′E
W ex
≤f
(4)
N
φyA e
+
ηM x
W ex
≤f
(5)
式 (3) ～式 (5) 中相关参数的定义与规范相同 。
在进行强度和稳定性验算时 ,要注意以下问题 :
a. 计算截面的选择 。在强度验算时 ,采用有效
净截面 ,稳定性计算时采用净截面 ,由于净截面面积
1 - 分肢 1 ;2 - 分肢 2 图 3 格构式构件截面
轴压构件的强度计算公式 :
工业建筑 2006 年第 36 卷增刊
σ=
N A en
≤f
(1)
式中 ,σ为正应力 , N 为轴力 , A en 为有效净截面面
根柱肢的轴力与弯矩值分别按下式ห้องสมุดไป่ตู้算 :
N 1
=
x2 h
N
(6)
积 , f 为钢材的抗压 、抗弯强度设计值 。 压弯构件的强度计算公式 :
N2