货架结构连续性倒塌分析说明

  近日，网上一段据传是英国《每日邮报》11月20日报道的视频传遍了仓储物流圈与EHS圈。

视频中显示，一台叉车试图通过拥挤的巷道时触碰到了一根货架立柱，从而引起仓库内大面积货架的连续性倒塌。事故的调查结果不得而知，不过事故的原因确已成为公众讨论的热点。认为是货架供应商偷工减料者有之，认为管理混乱违规操作者有之，认为设计存在缺陷者亦有之。讨论无所谓对与错，各方都以自己多年从事相关方面的工作经验，判断了概率大的原因。博百家之长，本文想针对几个比较典型的问题进行一下探讨。

货架一撞就倒，是设计不足的表现吗？

       这个问题的另一种表述就是，货架应该防撞吗？众所周知，货架是与搬运设备配合使用的。大部分货架都配备叉车，由于误操作导致叉车撞击货架几乎是不可避免的。但是叉车撞击引起的偶然荷载，在货架结构设计标准中却没有考虑（比较成熟的欧洲货架设计标准EN 15512中，给出的叉车存取货时的放置动载，反映的是叉车操作良好的情况。对于配备叉车作业的货架，其设计中并未考虑叉车的撞击作用），原因在于货架的立柱与横梁等主要受力构件为冷弯薄壁型钢构件，根本不能抵抗如此大的水平力（EN 1991-1-7中规定的仓库建筑立柱必须能承受的叉车撞击水平力约250kN）。到目前为止，所有货架设计都不考虑此撞击力，也就是说，货架是不抗叉车撞击的！如果非要考虑，那么结果就是单个储位的货架造价直线上升，势必对仓储物流行业造成严重影响。因此，一撞就倒的货架，设计不一定是不足的，设计符合标准的货架，一撞也有可能倒。受到撞击而不倒的货架，设计也不一定就符合标准，设计不足的货架受到撞击也可能不倒。这就有点乱了，想必大家要问下面这个问题了。

什么情况下货架受到撞击会/不会倒塌？

       在此仅讨论立柱受到撞击的情况（因为后果相对严重）。立柱受到撞击发生破坏失效，才会引起货架倒塌。问题转化为，什么情况下撞击会导致立柱破坏失效？任何撞击变形都会造成立柱承载力一定程度的降低，从而降低安全水平。 有限的撞击变形可导致立柱承载力明显降低（见图1）。通过轴压测试表明，图示的撞击变形使立柱承载力降低了30%至40%。

但是实际中存在有利因素可以减缓立柱破坏失效： 

货架构件的钢材实际强度大于由规定的钢材等级要求的小值（设计采用的钢材强度）（比如高达15%）； 

实际总的托盘荷载小于规定的设计值，某些情况下相差很大，即储位使用率未达到100%，抑或单托盘承重远低于设计值； 

制造与安装精度优于规定值；

选材时的承载力计算人为偏于保守。 

       对于一根符合设计标准要求的立柱，当发生有限的撞击变形时，其承载力可能会降低40%，撞击后的安全系数计算示意如下： 

(撞击后的承载力)×(设计荷载分项系数)×(提升的钢材强度)/(撞击后的实际承受荷载) 

因此，撞击后的安全系数=（1.0-0.4）×1.4×1.15/0.8=1.21。撞击后的安全系数1.21小于原设计安全系数:(荷载分项系数)×(材料系数)=1.4×1.0=1.4，但是仍然大于1.0，立柱不会立即破坏失效。然而，如果减缓立柱破坏的有利因素没有同时出现，那么撞击后的安全系数大约为:(1.0-0.4)×1.4=0.84，小于1.0，因此立柱很可能会发生破坏从而失效。以上安全系数讨论仅供说明示意，实际上现在主流的结构设计方法为可靠度设计，是以一次概率为基础的多系数分析单一系数表达的极限状态设计方法。本文提到的视频，其货架几乎满载，立柱的实际应力水平可能已经接近设计水平，因此对任何撞击都很敏感，即一碰就倒。

 货架倒塌为什么是连续性的？有没有什么阻断措施？

       结构连续性倒塌是指结构因偶然荷载造成结构局部破坏失效，继而引起失效破坏构件相连的构件连续破坏，终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏。连续性倒塌的后果很严重，起因与损失不成比例。货架结构，由于自身特点，易发生连续性倒塌。

       首先，货架结构冗余度较低，没有多余构件，单根立柱失效后，没有形成新的可靠的传力路径，荷重从失效立柱向相邻立柱传递，马上超载严重引起新的立柱失效，然后通过横梁扩展开来。其次，货架都是密集布置（货架高度相对巷道宽度大很多），一列货架的倒塌很难不波及相邻列的货架，掉落的货物成为新的撞击荷载。

拜当年911事件所赐，连续性倒塌在建筑结构中研究得较为深入。结构设计中有所谓的"保险丝"概念，即让特定的构件在特定的条件下发生破坏，退出结构体系，从而阻断破坏的发展。对于货架结构而言，能起到保险丝作用的可能是横梁与立柱连接的位置。如果某座货架倒塌时，横梁与立柱能及时分离，那么就济南货架厂有可能阻断连续性倒塌。当然这仅仅存在于理论层面，实际设计还达不到如此精准。

拿什么拯救你，我的货架？

       稳图认为，好的办法是，不要撞到货架，尤其是立柱。尽管不抗撞击，冷弯薄壁型钢货架只需做到以下几点，仍然可以安全使用：

1、叉车操作员接受在货架相关环境中操作的培训与指导；

2、保证操作空间，比如足够的巷道净宽、存储单元与货架间净距；

3、所有货架巷道两侧立柱设置防撞保护件；

4、指定货架安全负责人，建立三个不同层级的检测机制：

即时检测

       即时向货架安全负责人报告所有损坏构件及涉及区域，针对报告内容采取措施并建立程序记录在档。应鼓励仓库所有员工发现损坏立即报告。

定期检测

       货架安全负责人应确保每周（或根据仓库运行情况进行风险评估后确定间隔时间）进行检测并记录在档。定期检测应由培训合格的人员进行。

专家检测

       由有资格的专业检测人员每年至少进行一次专业货架检测。专家检测成果物为记录在档的检测报告，济南货架厂鉴别货架损坏并针对仓库其他活动提供指导与建议。专家检测应由技术上胜任的人员进行；

5、分析确定引起损坏的可能原因，以消除（至少是减少）重现的可能。