库架合一式钢货架立体冷库的结构设计

摘要：库架合一式钢货架立体冷库近年来在中国得到较大发展，以其结构的高性价比、较大的库存量、合理的钢货架库位布置、优美现代的库架外型等优势赢得了业界的高度青睐。本文就库架合一式钢货架立体冷库的结构设计、技术应用特点、配套规划、结构设计与冷桥规避要点、经济性以及发展前景等几方面进行了探讨，以供同行参考。

关键词：立体冷库、库架合一、钢货架、结构设计、有限元分析

一、概述

室外装配冷库在国内外已经应用了几十年，在结构设计与建造方面积累了丰富的经验。库架合一式钢货架立体冷库为内承重式室外装配冷库的主要建造形式之一，近年来在国内外也有了很多应用案例。库架合一式立体冷库结构一般由高层货架或库内侧加强钢柱或钢架井、屋架、圈梁等作为库房的骨架以支撑屋面和墙面围护隔热板、屋顶防雨棚等结构，成为库房建筑物和冷库运营设备的主要承重体。立体冷库室内主要由钢货架结构、物料搬运设备、消防与照明设备、制冷设备控制和管理配置系统等组成。

随着传统冷库由“低温仓储”型向“流通型”、“冷链物流配送”型转变和发展，未来可以按照低温配送中心及低温仓储的使用要求进行库架合一式钢货架立体冷库的系统规划和结构设计，既能满足物流动线布局、存储密度要求，又能满足冷库功能性配置及货物低温储存的要求。库架合一式钢货架立体冷库建设涉及钢货架在低温冷库使用环境下的特殊设计选型、生产制造与安装工艺，还涉及到外结构轻质复合保温板室内外温差变化下的结构变形与连接接缝的密封、冷桥效应预防与结构加固等建造技术，以及室外装配冷库内部不同配置方案中的制冷技术、保温技术、商品保鲜技术等方面的科学配置与经济性投入产出分析等，需要通过多方案规划与论证、设计与技术经济比较，才能选出更适合企业自身投入和长期发展需要的冷库建设方案，库架合一式钢货架立体冷库及其系统只是冷库建设过程中的优选方案之一。

二、主要特点和应用环境

传统的土建冷库具有墙体占地面积大、施工复杂、施工期长、热惰性大、回温慢、温度波动小等特点，与其相比，库架合一式钢货架立体冷库具有自重轻、适应性强、外表美观、造价低、易维护、热惰性小、回温较快、温度波动较大等特点。其空间及土地面积上的利用率非常高，安装施工场地开阔，适合大型施工机具的应用，墙面和屋面屋架结构可以随库内货架系统的施工同步跟进、交叉施工，实际工程总耗时较少，工期也容易掌握，具有施工快、工期短、建设成本低等优点，越来越受到业界的青睐。

库架合一式钢货架立体冷库应满足客户生产工艺、生产运输和设备管线综合布置等要求，其平面尺寸和层高应根据储藏货物的单元功能和使用特征确定，再综合钢货架的结构与布置、搬运的通道、作业功能区等要素，有效规划和设计钢货架立体仓库的结构系统。

库架合一式钢货架立体冷库库内降温后，整个钢货架结构处于近似恒温状态，钢货架结构与库内屋架结构变形稳定，库区内部长期处于低温、高湿、温度场分布不均匀的环境中，故在库架合一式钢货架立体冷库建设之初，要严格论证低温冷库使用环境下结构钢材材质的选用准则，依据相关规范有效选用和试验验证，确保库架合一式钢货架立体冷库结构的使用安全。钢货架结构一般用冷弯薄壁多孔型钢材料制作，考虑到钢货架结构的防腐性要求，建议采用镀锌材料制作，或采取再烤漆的二重保护手段，或在满足结构要求的前提下适当增加结构部件的料厚设计，以减缓钢货架结构的腐蚀速度；库架合一式钢货架结构及其冷库配置系统与设备等都必须适应低温高湿环境要求，避免结构的低温冷脆效应，保证立体冷库配置系统冷态启、制动和冷态运行的可靠性和安全性；而冷库外部长期处于日晒、风吹雨打、昼夜温差大的环境下，考虑到建筑区域复杂的地质环境等影响，钢货架结构构件及立体冷库的库板钢结构在设计规划时需要考虑温度应力影响、钢结构材料的冷脆性、易腐蚀性，围护结构防冷桥和防水要求高、保温板特别是屋顶板棚要经受日晒雨淋，相应的屋面隔汽、防水难度高，隔热围护面积较大，冷耗大，日常的运营费用高，必须有效评价其技术经济性；确立合适有效的库架合一式钢货架立体冷库设计规划方法、力学简化分析模型、荷载有效加载组合分析和验证手段、钢结构与设备的防潮防腐措施，以提高库架合一式钢货架立体冷库运行的稳定性、经济性和使用寿命。

三、结构设计难点和要点

库架合一式钢货架立体冷库在设计建造过程中，既要计算或校核钢货架结构的承载满足性和结构上的适用性，又要科学有效地处理好防冷桥缺陷、消防、制冷等多个重要施工难点和要点：

1.结构设计考虑因素众多

库架合一式钢货架立体冷库的设计考虑要素多且专业复杂，综合度高；需要综合库内储存物的情况（考虑物料的特征、外形尺寸、单件质量等参数）、库房的现场条件（考虑地形、地质条件、地耐力、风雪荷载、地震因素等）、物流情况（考虑平均库存量、最大库存量等出入库流量参数及其它相关的条件，如：包装形式、搬运形式、出库和运输工具及企业的管理水平、企业的后期发展规划等因素），并依据冷库内配置设备及运作的不同专业学科的技术要求进行系统规划与设计，确定货物单元的包装形式、尺寸和质量，以确定钢货架单元结构的尺寸、规格形式与承载要求、钢货架类别等，按最大预留热交换空间及操作通道进行冷库设计与货架布置，规划出冷库的总体尺寸、总体物流布局和总的库存量，确定合理的冷库高度，以实现性价比合适的库架合一式钢货架及立体冷库结构；并以此确定冷库结构与功能开间、作业方式及物料搬运设备的主要参数；确定合适的冷库管理模式和运作控制系统，并结合土建基础和公用设计等确定出钢货架结构的工艺荷载、制造精度、基础沉降要求、供电、通风、照明、制冷及保暖、防火等多方面的要求，以确保整体系统的设计要求能满足客户的实际业务需求及后期发展规划的远景需求，并在前期针对各子项要求进行规划、设计与核算，满足各局部基本项要求后再进行系统性验证和核算。

2.整体力系结构分析与模拟

库架合一式货架及立体冷库系统是机械、电气、强弱电控制及信息化管理相结合的产物，要以材料学、力学、美学、结构建构理论和建筑构造原理、机电及信息化原理等理论为基础，采用理论研究与实证研究相结合、以实证研究为主的研究方法，对库架合一式钢货架立体冷库中各组成钢构件的低温冷库环境下的材料选用、电气元件的选用、结构节点连接方式的计算与校核等进行研究，探索低温玲库环境下的库架合一式钢货架立体冷库的设计理念、设计方法和校核验证手段。其技术的难点和关键点之一是钢货架系统在低温冷库环境下的整体力系结构分析与模拟，既要对钢货架整体结构进行类别选择、区域规划，进行结构力学分析和计算，以满足钢货架整体结构的强度、刚度和稳定性要求，又要考虑结构设计的冷脆性影响、结构使用寿命与局部补强、精度保证技术等。

3.钢货架立柱及货架结构

库架合一式钢货架结构体主要由垂直于巷道方向的若干个格构式货架立柱体构成，边列柱一般为双肢格构式货架立柱体，兼做库房墙架；中列柱为三肢格构式货架立柱体或两排双肢格构式货架立柱体；货架立柱除应按格构式构件计算强度、稳定性及柱顶侧移（此位移的最大值为10mm）外，还要计算单肢及腹杆的强度和稳定性；货架立柱验算时，既要验算其自身平面内外的稳定性，又要验算立柱平面内外的稳定性；此外，边列柱与中列柱中各立柱的计算也存在差异，在进行货架立柱构件稳定性验算时，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性；为了保证货架立柱及整体货架结构在长期工况下的变形足够小、变形波动幅度足够小、减少温度应力作用下的变形影响，确保其承载的刚性及稳定性，必须设置合理的格构式货架立柱体的内在支撑结构，主要由水平支撑及斜支撑桁架结构来保证格构式货架立柱体的合理长细比；为了不使格构式货架立柱的自由长度过长，且确保堆垛机的横向制动力可以分散开来，由较多的格构式货架立柱来承担，需要每隔一定距离设置一道水平桁架结构，而靠巷道的一侧，可以采用冷弯薄壁型钢或钢架井等辅助加强钢结构，以加强格构式货架立柱肢杆的稳定性，并利用型钢腹板的高度，安装自动喷洒灭火装置等；格构式货架立柱在纵向设置垂直支撑系统，边列柱设在外墙一侧，中列柱设在两排货架柱的中间，与上述的水平支撑桁架结构一起，共同保证整个钢货架结构的整体稳定，并根据系统性内力分析、系统性强度、刚度和稳定性分析，以及冷库环境温度影响下的应力、变形影响，进行结构整体稳定性分析与校核、局部加固补强调整等。

4.主要构造要求

库架合一式钢货架结构作为一种承重结构，必须具有足够的强度、刚度和稳定性要求，在正常工况下或特殊工况下，都不致于破坏；尤其对于库内的自动或半自动搬运设备而言，钢货架结构本体还必须具有一定的精度和工作荷载下的有限弹性变形，而且在投产以后的长期使用中也不能因失去精度控制影响到钢货架或库房建筑结构的正常使用；整体结构也应当按照建筑的使用寿命和维护要求进行结构性设计和维护。库房内易形成冷桥的部位，如墙板与屋面板连接处、墙板与地面连接处、墙板与墙板连接处、柱脚处，均应采取适当增补隔热和隔汽层等避免结露或结霜的构造措施，库板连接部位必须有效密封，并设置相应的构造措施，防止库板开裂、渗漏水等缺陷隐患。

库架合一式钢货架结构局部的基础沉降产生的结构次内力会对结构内力产生不利的叠加作用，甚至会引起结构的大变形，引起货架的偏斜、局部破坏、坍塌等隐患，影响库板连接的密封性，钢货架基础处理是库架合一式钢货架立体冷库防冷桥措施及其施工过程中的难点之一，结构设计时，需要满足《建筑地基基础设计规范》的变形控制要求，并对沉降差异产生的次内力进行验算，以免存在结构安全隐患；库架合一式钢货架冷库地面采用的隔热材料的抗压强度需要校核，并应考虑钢货架上承载、钢货架基础与冷库建筑的混凝土承台水平及标高等要求进行设计与校核，合理设计防冷桥垫块，在放置绝热垫块前承台上平面要做好防水隔汽层，相应地面采取防冻胀措施，围护结构的隔汽层和防潮层应符合规范要求，要求地面保温材料有良好的抗压强度和蠕变性能，货架安装前应对冷库地坪和安装基准面等进行检验，安装后应对货架系统的各项设计参数进行检验和调整；尽可能地消除安装附加影响应力作用，减少受温度应力影响后的叠加破坏效应。并对运动控制系统进行单机调试和联机调试，并完成整体物流系统的调试和整改；以保证库内地面在长期低温高压的条件下，保持足够的强度和长期稳定性能。

5.围护结构及冷桥效应

库架一体式的围护库板结构与钢货架结构之间是特殊结构的隔离设计，墙体保温板的固定方式是浮动的，该围护结构可以很好地包裹整个立体冷库系统，构建起整体保温体系，且可以很好地避免“冷桥”现象；库架合一式钢货架立体冷库体系是一个密闭的、内外有温差的整体结构，受季节变化、白天与夜晚环境温度变化的影响，会造成墙体保温板内外层材料热胀冷缩，产生受拉压变形隐患，破坏搭接处的密封，而仓体内部是一个相对恒温环境，受库内钢货架区域货物或其它荷载的变化，也会造成整体货架结构的不均匀变形。

在长期低温潮湿的环境下，冷库保温材料导热系数会受影响，保温材料的吸水率越大，保温效果越差。冷库使用后，保温材料存在水蒸气由高温侧向低温侧转移和冻融循环的过程，在冻融交替的情况下，保温材料的热阻会有不同程度的下降，因此长期冻融循环后的热阻保留率十分重要。理论上可以通过隔热结构的一次性投资和制冷系统的运行费用计算出隔热层经济厚度，但是由于影响制冷系统运行费用的因素很多，加上能源价格的变化较大，理论计算值会出现较大的偏差，失去指导意义。围护结构的选择对冷库的热效率和运营成本等影响较大，库板连接处密封盒连接关系到库板的冷桥效应，建议在库架一体式钢货架结构中应用弹性扣接形式的聚苯乙烯板自扣板，以确保聚苯乙烯板靠板两侧的公、母扣自行搭接，从而保障墙板连接的紧密性和牢靠安全性，减少搭接处漏冷等“冷桥”故障的发生，并处理好地坪的防潮防水及隔热等问题，工程完工后需要重点检查库体外表是否有结露的地方，特别是墙与墙的交接处、墙与顶板的交接处、管道的穿墙处、板与板的接缝处、门窗的密封等地方要重点查看，由于聚氨酯保温板很长又不可弯曲且依托于墙檩条，对墙檩条的整体平整度要求极高。

6.库房屋面体系

库房屋面体系作为直接承受屋面荷载和吊挂荷载的结构，目前多采用轻钢桁架结构与货架结构分离设计形成各自的结构整体，然后将屋架结构安装在货架结构顶部，没有真正实现库房屋面结构与货架结构的一体化设计。由于货架立柱柱距较密、净跨较小，可加长立柱直接支撑屋面，此种做法传力直接有效，经济效益明显，较单独屋架设计方法可降低屋架用钢量约30%。屋面檩条体系一般使用冷弯薄壁型钢檩条，可参考轻钢结构设计或单层工业厂房钢结构进行设计。

7.防火及消防特点

确定库房的耐火等级、防火分区，依据GB50261-96《自动喷水灭火系统施工及验收规范》进行库架合一式钢货架立体冷库消防设计，同时应根据所存放的物品的特性，确定具体的消防方案，合理确定消防装置在钢货架结构体上的架构形式和荷载作用。库架合一式立体冷库建议采用自动消防系统，如干式自动喷淋系统，它由传感器（温度、烟雾传感器等）不断检测现场温度、湿度等信息，当面临危险时，自动消防系统发出报警信号，并控制自动干湿阀系统自动工作，进水喷淋喷出CO2，达到灭火的目的。

8.其它

库架合一式钢货架立体冷库安全等级应按二级考虑，并根据设计使用年限合理确定构件重要性系数。设计者应综合考虑库架合一式钢货架立体冷库的地区差异、气候条件、存储物的重要程度及爆炸危险及环境遭雷击所造成的破坏程度等因素，结合预计雷击次数计算进行综合确定库架合一式立体冷库的防雷等级；并将外部防雷设计和内部防雷设计进行整体统一的考虑，只有这样才能保证冷库建筑的运行安全、可靠。库架合一式钢货架立体冷库在设计中需要考虑和分析的因素还有很多，需要针对各项影响因素进行分析，确定影响系数，力求冷库项目的顺利实施。

四、某冷库结构有限元分析

本文拟运用SAP2000有限元软件进行常规使用环境、低温冷库环境下不同温度条件下的某项目结构整体的温度应力分析和结构加固模拟辅助分析，以期获得库架合一式自动冷库设计的一般方法和规律。

1.模型概述与节点简化

某库架合一式钢货架立体冷库的货架主体为横梁式货架，主要构件选用冷弯薄壁型钢制作，承受拉、压、弯、扭作用；结构上可以将其分为立柱框架组件、横梁组件、背部加强区组件、水平加强区组件、龙门梁组件和天地轨及其支撑组件等部分。其中立柱框架和横梁是主要的承载组件；立柱选择120 mm×120 mm×3.0 mm，柱片深度1000mm，横梁105 mm×50 mm×1.5 mm×2100 mm，单托盘最大荷载1000kg，货物层数为13层。地震信息：选择7度0.1g设计，地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ，基本风压0.4KN/m2，基本雪压0.4KN/m2等。

拉杆与立柱及其他组件间的连接方式，目前主要是采用螺栓连接，可以按照铰接方式进行处理。而横梁与立柱之间常采川机械式锁紧装置连接，通常确定为半刚性连接，对于13层结构来说，地基沉陷对货架结构的影响（应力）小于10%。因此，在建立货架计算模型时，完全可以不考虑地基沉陷的影响，即按照刚性地基把地基节点作为刚性节点来处理。

2.建模及模型分析

梁、檩条等采用两端刚接的梁单元模拟；水平拉件、横斜拧、屋架水平拉杆、犀架桁架腹杆采用两端铰接的杆单元模拟；货架背拉杆采用只受拉杆单元模拟，并考虑拉杆中的初始拉力形成的几何刚度，荷载作用主要考虑四种：结构自重、货重、风荷载、雪荷载，另外还要考虑x轴方向地震作用、Y轴方向地震作用。本案采用SAP2000有限元分析软件进行模拟分析讨论，以洋细分析各工况下的力系加载模式、货架结构中各组件节点的位移、各组件空间三维方向的应力应变情况，并根据相应构件的设计安全系数或强度设计值等进行强度、刚度及稳定性校核，结构整体的p-效应分析与评估，在实际工作中能很方便地验证各类构件的应力、应变、位移等值，并对其在结构中的稳定性进行计算与校核，且能进一步寻求整体结构中的薄弱环节以实现系统结构的优化调整与补强，为客户提供高性价比的货架结构，SAP2000温度荷载是指温度变化时在库架一体式钢货架立体冷库中产生的热效应，是结构钢的热膨胀系数和单元温度变化的乘积。其中材料的热膨胀系数是在材料的分析属性数据中定义的，本案的单元温度变化是参考室温25℃到运行库温-20℃时的变化，SAP2000软件在模型分析中自动根据材料的属性和温度的变化计算出相应结构构件的温度应力和变形（见图3）。本案是针对库区内整体结构进行的温度均布值施加分析，即温度为整个库架一体式钢货架立体冷库的结构部件的任意整个截面内均匀恒定，并产生轴向应力应变，未进行构件可能产生的弯曲应变进行模拟，与实际案例中存在的库内任意区域内温度不均匀性实际存在一定的偏差；却也能在一定程度上反应出温度应力对于库架一体式钢货架立体冷库结构的设计和规划有一定的影响，需要考虑整体结构在荷载变化、温度变化下的综合应力作用和位移变化，确保钢货架结构体与库架结构之间的装配关系是合理的、库架保温板的装配是密封的、无冷桥效应影响的，冷库结构及其构件应考虑温度变化作用产生的变形及内力影响，并应采取减少温度变化作用对结构破坏的相应措施；库房投产前必须逐步降温，发现问题及时解决，确保库架合一式立体冷库的安全、高效、经济地运行，以最大限度地满足客户需求。

在使用有限元法进行货架系统的分析与计算时，需要明确有限元的校核结果不一定能揭示诸如材料性能、几何特征等重要的变量是如何影响应力的，一旦输入数据有误，结果就会大相径庭，而分析者却难以觉察，为此需要综合参考经验数据、有限元分析结果和足尺试验结果，修正货架系统的结构和计算校核结果，确保实施项目的合理性、科学陛；也希望通过多项目的案例比较和分析研究，特别是与专业设计分析机构合作进行相应的结构分析和试验验证，获得广泛的设计应用基础。

五、发展前景

一般来讲，库架合一式钢货架立体冷库的造价要比库架分离式室外装配冷库低，但库架合一式钢货架立体冷库的设计及受力计算更复杂，可供参考的设计和验收规范比较缺乏，其投资风险还是存在的。需要依据已有的设计规范，详细分析其内在的结构设计特点和环境影响因素、钢货架在低温冷库环境下的设计方法和改善措施，合理选材、有效分析荷载作用及其组合，并结合室外装配冷库设计特点，利用有限元辅助设计软件进行设计校核，提高冷库运作的可靠性、安全性和经济性，保证长期工况使用条件下的结构精度不变、货架受力后的变形控制及结构力系的变化影响等在受控范围内，有效防止冷桥效应，真正实现库架合一式立体冷库技术的良性发展。