第一章 绪 论
1.1 前言
随着全球经济的飞速发展，国内外仓储物流行业处于蓬勃发展的状态，仓储物流技术和仓储设备市场的发展也达到了新的高度。自动化立体仓库的需求量突飞猛进地增长，立体仓库的设计向着高可靠性、高度自动化及轻量化方向发展，货架结构的构造也处于不断改进和完善过程中。在制造业中，材料科学的进步主要体现为不断出现高强度钢材及钢材的防腐工艺技术的进步。由于高强度钢材具有强度高、重量轻、制作简单、劳动强度低等技术优势，冷弯薄壁型钢在不仅在物流仓储行业得到广泛应用，同时在桥梁建筑结构、航空、造船、车辆等领域也备受青睐。随着其广泛应用冷成型钢构件的截面形式也日趋复杂，如图1.1所示。 为了获取更高的经济效益，要使钢材料的承载能力得到充分的发挥，冷弯型钢构件的薄壁化发展迅速，文献[1]报道已有板厚有小于 1mm、屈服强度高达550MPa 的高强冷弯薄壁型钢应用于澳大利亚的结构工程项目中。相对于轻型钢结构建筑，仓储货架侧重于向上拓展空间达到充分利用土地资源节省土地的目的，如一些大型的物流仓储中心常被设计成库架合一式的结构，最大高度有时能达到40 米以上。据不完全统计[2]，截止到 2014 年底，我国自动化立体仓库已经超过3000 多座，在建的有 1000 座左右，其中高度在 15 米以上的大型立体仓库 200余座。在国内物流仓储市场迅猛发展的同时，薄壁钢构件设计及使用过程中的安全问题日渐突出。互联网搜索“仓库、货架、倒塌”等关键词，可以搜索到约 13000篇相关网页及图片。仓储货架的倒塌损坏（如图 1.2 中所示），不仅会造成巨大的经济损失，由于货架存储的某些物品可能引起爆炸、火灾甚至环境污染，引发更加严重的次生灾害，因而货架结构系统的可靠性评估对仓储行业的安全性意义十分重大[3]。
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1.2 研究背景及意义
在立体仓库货架中立柱是其主要承重构件之一，根据客户的使用要求及结构装配要求会在冷弯型钢立柱的腹板和翼缘面冲压一些孔洞结构，这些孔洞是具有特定分布规律或不规则的连续孔洞，各种孔型的变化对立柱极限承载力有着直接的影响[7]。国内外对薄壁钢构件畸变屈曲的理论研究大多以连续均匀的钢截面为研究对象，对于含有规则孔洞序列的薄壁钢构件（如图 1.3 所示孔洞）分析还相对缺乏。孔洞对冷弯薄壁构件承载力的影响随孔洞形状、尺寸、位置、数量的变化而改变，导致截面的畸变屈曲研究难度很大。 在工程实际应用中，货架结构是一种大型复杂的钢架结构系统，其安全性十分重要，货架结构的稳定性设计是可靠性预测的基础。在实际复杂的工况环境下，结构系统的可靠性精确分析难度较大，通过对薄壁多孔钢构件的可靠性预测分析，达到预防构件、结构失稳的目的，避免结构破坏以及由此造成的生命及财产损失。近几年来，国内外学者对冷弯薄壁型钢构件及货架构件，如立柱、节点、横梁等强度、刚度及其稳定性进行了大量的分析与研究，而对于货架整体结构稳定性的分析相对较少。进行系统结构可靠性预测对提高系统安全性及抗震性能研究有重要的意义[9]。
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第二章 基于性能试验的薄壁多孔立柱数值分析方法
2.1 引言
大量工程实践显示，主要承受竖向荷载的薄壁钢结构立柱在发生断裂之前多数首先失稳。为了在设计阶段较为准确地估算开孔薄壁钢立柱的可靠性，需针对多孔薄壁型钢构件的稳定性进行分析。目前多孔结构对立柱极限承载力及屈曲变形的影响影响规律尚不明确，基于立柱力学性能试验和有限元仿真，对多孔立柱孔洞简化方法进行了比较研究，探索合理的孔洞简化方法，从而为多孔薄壁立柱强度的计算及相关标准的制定提供依据。考虑到畸变屈曲是复杂工况下多孔薄壁立柱的主要屈曲模式，研究并确定了立柱畸变屈曲耦合现象及其对立柱承载能力的影响。本章主要工作包括立柱性能试验、仿真模型建立与分析及立柱长柱耦合屈曲研究等。
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2.2 多孔与非多孔薄壁钢构件
薄壁多孔钢构件通常是指在构件各面沿长度方向冲有一系列分布规律且有一定精度的孔洞。这些孔洞是根据装配要求及货架结构需求来设计的，货架梁柱组合结构就是通过挂片与孔洞进行连接构成梁柱节点，可以根据客户需求随机调整货架结构的货格及布局，孔洞并非 100%被占用。非多孔钢构件指的是在构件的各表面完全按照结构需要冲压一些没有任何分布规律的孔洞，只在需要留有孔洞的位置冲出必要的孔洞结构，整个货架结构孔洞占用率几乎为 100%，完全是按需冲孔。这类钢构件的强度将比多孔结构强度高、性能好，但是在调整钢货架结构方面并不是十分灵活，且对生产线要求较高。图 2.1 所示为多孔立柱与非多孔立柱实物图。
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第三章 薄壁多孔钢构件可靠性预测技术研究 ............ 30
3.1 引言 ..... 30
3.2 基于 BP 神经网络的智能预测技术 ....... 30
3.2.1 BP 神经网络基础 ........ 30
3.2.2 算法设计基本步骤 ...... 31
3.2.3 隐含层数的确定 .......... 32
3.3 立柱稳定性预测模型 ............ 32
3.4 本章小结 ...... 37
第四章 货架单元结构的动态性能研究 ...... 38
4.1 引言 .... 38
4.2 结构动力学分析的理论基础 ......... 38
4.3 基于有限元的货架单元模态分析 .......... 40
4.4 单元结构的动态稳定性改型 ......... 45
4.5 本章小结 ..... 52
第五章 立体仓库构件可靠性设计规范研究 ....... 53
5.1 引言 .... 53
5.2 国内外立体仓库设计标准概述 ..... 53
5.3 立柱截面平均设计强度 ........ 54
5.4 复杂工况下货架荷载组合效应 ..... 56
5.5 立柱稳定性设计与试验 ........ 58
5.6 本章小结 ..... 61
第五章 立体仓库构件可靠性设计规范研究
5.1 引言
伴随现代物流行业的不断发展，自动化立体仓库钢货架凭借其存储能力高、存取方便等优势成为物流业重要的存储设备，在世界各国得到广泛的建设和发展，其中美国与欧盟发展最早最为迅速，因此立体仓库货架可靠性设计规范体系也更加完善。相对欧美，我国货架行业起步相对较晚、发展较慢，在货架构件可靠性设计规范和技术方面与均存在一定的差距。且我国现行的货架设计规范大多沿用建筑钢结构的设计方法与经验，对于结构复杂多变的立体仓库货架缺乏针对性。本章针对欧盟、美国及国内立体仓库货架有关可靠性设计的规范展开研究，对比国内外规范中设计方法及试验方法的异同，从而为我国立体仓库货架系统设计规范的研制提供参考。
5.2 国内外立体仓库设计标准概述
在全球范围内比较流行的钢结构立体仓库货架设计规范主要有欧美两类，日本虽然抗震经验丰富，但是其系统较为封闭，难以借鉴。欧洲货架设计技术一直走在世界前列，其标准的完备性、科学性与经济性都是世界上公认最好的，其中《FEM10.2.02 托盘钢货架静力设计》是一个较为稳定的立体仓库标准体系，基本上代表了该行业产品的最新水平。英国在欧盟规范的基础上更加细致地制定了《静态钢结构仓储系统-可调托盘货架系统-结构设计原则 EN15512-2009》，其有关货架系统构件可靠性设计内容比较全面，且提供了详细的货架构件可靠性测试试验方法，如立柱、货架片、梁柱节点及底座组合等可靠性试验。另外，美国《工业存储用钢货架设计、试验和应用规范 ANSI/MH16.1-2004》、澳大利亚《钢结构货架 AS 4084-2012》、日本《JIS Z0620-1998 工业用货架》等国标准也较多参照FEM10.0.02 标准制定，这些标准中均突出了构件可靠性设计的相关内容。
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总结
本文对薄壁多孔钢构件立柱可靠性分析方法进行了深入研究，采用立柱力学性能压缩试验与有限元仿真相结合的方法，分析了孔洞结构对立柱极限承载力特性的影响，为多孔立柱稳定性强度分析计算提供了依据，也可为相关标准的制定提供参考。将工程实践中常见 9 种系列的立柱进行截面几何特性分析，建立极限承载力受开口、折弯、厚度、加强筋等因素影响的数据模型，采用 BP 神经网络智能预测方法对极限承载力进行预测估算，评价数据模型及智能预测方法的可行性，为立柱极限承载力估算设计提供新的有效途径。基于结构动力学理论，通过有限元软件，建立了货架单元结构的整体模型，进行模态分析并提取其动态特性，同时分析了拉杆结构对货架结构动态性能的影响。对比研究了国内外货架设计规范中关于构件可靠性设计方面的相关规定与试验方法，对我国货架设计标准体系的完善提出建议。 本文的主要成果在于：
（1）对工程实际中常见 9 种系列立柱进行短柱压缩性能试验及有限元仿真，对比研究连续截面与非连续截面孔洞简化处理方法的精确性，确定了多孔薄壁钢立柱孔洞厚度折减系数的计算方法，结合 ANSYS 有限元软件数值计算验证了简化方法的可行性与准确性，平均误差为 4.91%；采用广义梁软件 GBTUL2.0 对系列立柱畸变屈曲模式展开研究，确定立柱以整体屈曲、畸变屈曲及局部屈曲为主导变形模式的长度区间。
（2）对影响立柱稳定性能的因素，包括几何尺寸与截面特性等，对孔洞结构进行±10%的放样计算，采用有限元模型并计算极限承载力。基于 BP 神经网络智能预测技术，建立立柱可靠性预测模型进行训练学习，确定模型隐含层节点数及合理的传递函数，其预测最小平均误差为 1.8%，便于工程应用。
（3）以 M75 钢货架的单元结构为研究对象，采用有限元方法进行了空载、满负载状态的 8 阶模态分析，得到 8 阶模态的固有频率及振型，判定模态中的易损结构为立柱、横梁。对货架单元结构进行改型设计，在货架背面设计垂直拉杆并进行模态分析，分析结果显示拉杆结构能明显提高货架单元结构的动态稳定性。
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参考文献(略)