自动化立体冷库的结构（穿梭式立体冷库的设计及有限元模拟分析）

自动化立体冷库的结构（穿梭式立体冷库的设计及有限元模拟分析）　　三、梭式钢货架结构的设计与规划　　比如某工程主体框架采用钢结构，墙体和屋面采用聚氨酯双面彩钢保温板保温，地面浇筑混凝土，地下为架空通风层，库区为无干扰柱式结构，对梭式立体冷库系统的布局和功能分区极为有利。根据客户的需求和蒸发温度，分为-28℃ ~-32℃低温储存系统制冷区和-10℃ ~-5℃缓冲区或库存区系统制冷区，并根据系统的要求。　　二、穿梭式立体冷库系统分析及配置　　梭钢货架、堆垛机、梭车、输送机等立体冷库的相应设备必须适应寒冷环境的特殊要求。由于温度应力在多个温度变化区域的影响，应采用耐低温、耐潮湿、耐腐蚀的方法，避免材料或结构本身的低温冷脆，以及结构体之间可能存在的温度应力和变形的影响。应合理选择材料和结构节点，有效分析各部位、构件的内力和变形，保证结构体系的强度、刚度和变形。采用合理的电气元件选择和有效的密封、保温等措施，保证系统冷启动、制动和冷运行的可靠性;保证整个系统及

　　一.背景

　　近年来，随着冷链物流的快速发展，仓储单元的标准化，土地供应的日益短缺和物流成本的不断上升，穿梭式立体冷库因其在冷链流通系统中的自动化集约化仓储、分拣包装、物流配送等功能优势，已发展成为冷链节点的主流形式之一。

　　冷库作为冷链物流的重要节点，具有冷藏和物流的双重属性。梭式立体冷库的建设涉及冷库的建筑结构和设备配置。建筑结构主要由维护结构和承重结构组成。承重结构是指承担建筑物各部分和建筑物本身质量，起抵抗地震、支撑外界风、雪、自重、货物重量和装卸设备等作用的主要构件。屋架、梁、楼板、柱、基础等构件构成建筑的传力和承重体系;围护结构隔热防潮性能好，还能承受仓外风雨。冷库基础应有良好的防潮防冻性能，并应有足够的强度;冷库配有空气冷却器或空气冷却系统，在冷库区上部空间形成低温空气层，通过对流冷却，维持库内设定的温度和湿度;本文主要讨论穿梭式立体冷库货架系统和钢货架结构的设计与校核。

　　梭式立体冷库货架系统及其结构是指多层梭式高层货架、物流运输周转设备及其系统布置在具有合适结构的冷库建筑内，实现单元货物的高效集约化存储作业，其中存储单元的装卸可采用叉车半自动方式(人工搬运和存储)。仓储单元的装卸可通过巷道堆垛机、穿梭巴士系统(包括单元负荷提升机、输送和分拣系统等)实现仓储作业的自动化。)，或者智能班车系统等。仓储单元可根据电子计算机或上层管理信息系统的指令，在仓库内借助物流运输周转设备进行水平和垂直移动，并可对指定货架内的仓储单元进行仓储调度操作，或利用平板传送带进行货物单元进出仓库的自动化操作，从而实现仓储货物的高效、自动化和智能化管理。

　　二、穿梭式立体冷库系统分析及配置

　　梭钢货架、堆垛机、梭车、输送机等立体冷库的相应设备必须适应寒冷环境的特殊要求。由于温度应力在多个温度变化区域的影响，应采用耐低温、耐潮湿、耐腐蚀的方法，避免材料或结构本身的低温冷脆，以及结构体之间可能存在的温度应力和变形的影响。应合理选择材料和结构节点，有效分析各部位、构件的内力和变形，保证结构体系的强度、刚度和变形。采用合理的电气元件选择和有效的密封、保温等措施，保证系统冷启动、制动和冷运行的可靠性;保证整个系统及其部件在低温低湿环境下稳定高效运行。

　　目前，梭式立体冷库的物流系统有四种基本形式:一种是由梭式钢货架结构和叉车等多层次仓储搬运设备组成的半自动立体冷库系统，称为普通梭式结构，主要依靠人工仓储实现货物在梭式货架区的入库和出库，而在梭式货架中，则依靠双向直线运行的梭车实现自动化搬运和仓储作业;另外三种是梭式钢货架与自动搬运设备相结合形成的全自动立体冷库系统，即:一是梭式钢货架结构加自动堆垛机搬运仓储系统，称为堆垛梭式结构，也是传统自动冷库系统建设的结构延伸;其次，带摆渡车和升降搬运仓储系统的摆渡钢货架结构，称为摆渡车结构，是摆渡车货架结构的功能增强，使双向直线行驶的摆渡车与双向直线行驶的公交车相结合，实现平面仓储货物的无缝对接和位移，电梯可实现摆渡车或仓储货物的平面置换作业，是摆渡车立体冷库建设的技术嫁接和延伸。第三种是带有智能穿梭系统和升降仓储系统的穿梭钢货架结构，称为智能穿梭结构。智能穿梭系统由穿梭车体根据作业指令实现同层四路工作巷道的物流作业，可实现任意存储位置的存储调度和管理。是穿梭冷库建设改造的升级，也是智能穿梭密仓的理想物流形式之一。与物流主体流程配套的立体冷库的选择，需要根据客户的具体需求、地域、地理环境和运营环境、投资成本、运营成本等因素来确定。

　　比如某工程主体框架采用钢结构，墙体和屋面采用聚氨酯双面彩钢保温板保温，地面浇筑混凝土，地下为架空通风层，库区为无干扰柱式结构，对梭式立体冷库系统的布局和功能分区极为有利。根据客户的需求和蒸发温度，分为-28℃ ~-32℃低温储存系统制冷区和-10℃ ~-5℃缓冲区或库存区系统制冷区，并根据系统的要求。

　　三、梭式钢货架结构的设计与规划

　　梭式钢货架结构采用基于概率论的极限状态设计方法，采用分项系数设计表达式进行设计计算，其中承重构件按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。非承重构件应按钢货架的结构要求设置;当货架结构按承载能力极限状态设计时，应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》采用荷载效应的基本组合，并应满足相应标准或规范的要求。确保梭式钢货架结构在已知荷载、温湿度、基础沉降等因素影响下的内力(弯矩、剪力、轴力)和应力状态是否满足强度要求，检查结构本身是否满足刚度要求，即位移(或变形)的计算，判断设计的结构是否满足设计意图，了解和掌握各种设计参数对结构响应(如位移、应力、固有频率等)的影响和敏感性。).

　　为保证承重结构的承载能力，防止在一定条件下发生脆性破坏，应综合考虑结构的重要性、荷载特性、结构形式、受力状态、连接方式、钢材厚度、工作环境等因素。对于梭式立体冷库系统，应优先考虑特定温度条件下结构的材料选择和结构节点，并根据规范选择合适类型的钢材和材料。还需要综合考虑梭车在架子巷中移动载荷的影响，有效评估梭车的运行可靠性。还需要考虑穿梭巴士与堆垛机的对接和精确定位、穿梭巴士与其他配置设备的对接和精度控制、几何制造精度或部件缺陷等结构影响。根据《钢框架结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》等相关规定，框架设计只能考虑水平地震作用的影响，不考虑垂直地震作用。作用在货架结构上的地震作用应采用振型分解反应谱计算，以考虑结构的扭转耦联效应。

　　梭式立体冷库的货架立柱按双向受弯构件进行校核。既要考虑柱正面或侧面开孔的影响，也要验证柱截面的冷弯效应。校核内容包括货架立柱的强度、刚度和稳定性，包括局部屈曲、扭曲屈曲和整体弯扭屈曲。横梁应按静荷载工况组合下的受弯构件和地震荷载工况组合下的受弯构件进行校核。应检查变形和强度，并检查梁端接头的强度和抗扭刚度。交叉偏压应按两端铰接的受压构件进行校核，除受拉构件外，还应校核交叉偏压接头的抗拉强度。柱间支撑的拉杆包括背拉杆和水平拉杆，均按受拉构件校核。同时，需要检查连接节点的抗拉强度。通过加强柱间支撑体系，可以提高梭式立体冷库结构的侧向刚度。考虑货架在各种荷载组合下的最不利影响，对结构进行校核;确保航天飞机立体冷库的钢货架结构满足强度、稳定性和变形要求。

　　第四，参数化有限元建模与校核

　　有限元法是以弹性理论为基础，以矩阵为数学工具进行推导，用计算机程序进行数值求解(如结构应力、变形、频率、振型等。).它是一种求解和分析梭式钢货架结构的通用近似计算方法，是我们进行梭式钢货架手工计算和结构选型的有效验证辅助手段之一。它也是我们进行参数相关设计、结构部件检查和整体结构模型分析的基本方法之一。首先，建立相应的结构设计计算图和模型，获得梭式钢货架结构参数化建模的特征参数和关联输入调整参数。我们利用美国CSI公司开发的SAP2000通用有限元结构分析程序提供的交互式数据输入输出功能和开放式API接口功能，对梭式立体仓库的结构模型进行二次开发，可以快速建模分析，有效提高工作质量和效率。即由EXECL建立参数化定义表，选取结构中典型的搁板单元、荷载组合及其作用形式。利用EXECL强大的计算能力，可以进行手工计算，获得基础结构的材料选择、节点的设计优化、构件的内力和变形控制值等设计计算信息。结合具体工程项目，通过有限元参数化建模分析，可以得到整体结构模型的模态分析结果，可以查询各种工况下构件的挠度值和温度应力分析结果，并对模型中各构件的长度和长细比进行设计校核。获取有效弯曲应力比、剪应力比等构件信息，导出并分析结构数据，对比基本构件的内力和变形仿真计算，再与人工计算条件进行对比、优化和校核，确保梭式立体冷库钢货架结构满足设计要求。基本流程如图1所示。

　　其中，预处理:根据结构的几何和材料特性建立整体有限元模型，然后根据结构的受力情况进行工况加载，确定工况组合。对结构进行分析，得到构件的变形和内力。后处理:选择需要验算的构件，导出相应的组合内力，然后根据相关规范对具体的构件结构或构件进行设计计算和验算，以控制各项指标满足标准和规范的要求。以笔者描述的工程实例为例，在梭式钢货架结构的参数化有限元计算模型中，共有36种钢货架柱、11种梁段、6种交叉斜向补偿、6种柱间支撑的拉杆段、2种吊梁段、2种支座段。这部分部件要按照上述的前处理和后处理程序进行完整的检查和检验。熟练的分析师需要很长时间才能操作好图形界面而不出错，这几乎消耗了结构设计师大量的重复性劳动时间。此外，由于某些结构需要优化，往往需要部分或全部重复上述程序多次，才能完成方案设计和校核。按照常规的设计分析程序和分析方法是不可能完成结构的精细分析的。

　　结合SAP2000的参数化建模分析，ExecVBA需要建立完善的用于结构分析的SAP2000材料、构件截面定义数据库、承载约束、构件连接与释放和基本模型模板、荷载模式定义、荷载组合参数数据库、各国相应规范或标准定义的地震荷载计算或参数表、EXECL相应的映射定义数据表;利用EXECL结合梭式钢货架结构模型，确定模型分析中货架结构构件的截面选择和尺寸、框架柱支撑的布置和结构、柱跨数等定义参数，确保梭式钢货架结构模型的建立。参数化建模分析还需要建立EXCL的荷载计算分析表，并相应地在SAP2000结构构件上建立荷载定义和质量源定义。然后利用EXECL VBA实现EXCL单元定义参数到SAP2000结构模型参数的转换，包括建模坐标参数、结构布局参数、截面定义参数、反应谱参数、地震分析方法及其参数、荷载组合参数、有限元细分、质量源定义、模型分析参数设置等。ExecVBA的编程涉及SAP2000 API的引用、建模初始化、梭式钢货架结构构件的定义和布局、节点定义、特殊支座约束或弹簧定义、载荷和质量源定义、模型网格划分、有限元模型分析、模型保存和分析数据导出等。最后，结合人的经验对参数化建模模型进行校核、分析或人工优化调整，验证具体构件的内力和变形参数，进一步完成具体构件的设计计算。完成整体模型的分析和校核，形成完整的计算分析报告。

　　相信大家一定对穿梭式立体冷库的设计及有限元模拟分析有了更深入的了解 上海威士达冷链物流研究院提供一站式冷链租赁、代运营、冷链投资等！