EHS圈已瘋傳的貨架結構連續性倒塌分析說明

• event2021-11-20 13:40:04
• person 米兰竞技足球俱乐部官网WESAFE
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近日，網上一段據傳(chuan) 是英國《每日郵報》11月20日報道的視頻傳(chuan) 遍了倉(cang) 儲(chu) 物流圈與(yu) EHS圈。

視頻中顯示，一台叉車試圖通過擁擠的巷道時觸碰到了一根貨架立柱，從(cong) 而引起倉(cang) 庫內(nei) 大麵積貨架的連續性倒塌。事故的調查結果不得而知，不過事故的原因確已成為(wei) 公眾(zhong) 討論的熱點。認為(wei) 是貨架供應商偷工減料者有之，認為(wei) 管理混亂(luan) 違規操作者有之，認為(wei) 設計存在缺陷者亦有之。討論無所謂對與(yu) 錯，各方都以自己多年從(cong) 事相關(guan) 方麵的工作經驗，判斷了概率最大的原因。博百家之長，本文想針對幾個(ge) 比較典型的問題進行一下探討。

貨架一撞就倒，是設計不足的表現嗎？

這個(ge) 問題的另一種表述就是，貨架應該防撞嗎？眾(zhong) 所周知，貨架是與(yu) 搬運設備配合使用的。大部分貨架都配備叉車，由於(yu) 誤操作導致叉車撞擊貨架幾乎是不可避免的。但是叉車撞擊引起的偶然荷載，在貨架結構設計標準中卻沒有考慮（比較成熟的歐洲貨架設計標準EN 15512中，給出的叉車存取貨時的放置動載，反映的是叉車操作良好的情況。對於(yu) 配備叉車作業(ye) 的貨架，其設計中並未考慮叉車的撞擊作用），原因在於(yu) 貨架的立柱與(yu) 橫梁等主要受力構件為(wei) 冷彎薄壁型鋼構件，根本不能抵抗如此大的水平力（EN 1991-1-7中規定的倉(cang) 庫建築立柱必須能承受的叉車撞擊水平力約250kN）。到目前為(wei) 止，所有貨架設計都不考慮此撞擊力，也就是說，貨架是不抗叉車撞擊的！如果非要考慮，那麽(me) 結果就是單個(ge) 儲(chu) 位的貨架造價(jia) 直線上升，勢必對倉(cang) 儲(chu) 物流行業(ye) 造成嚴(yan) 重影響。因此，一撞就倒的貨架，設計不一定是不足的，設計符合標準的貨架，一撞也有可能倒。受到撞擊而不倒的貨架，設計也不一定就符合標準，設計不足的貨架受到撞擊也可能不倒。這就有點亂(luan) 了，想必大家要問下麵這個(ge) 問題了。

什麽情況下貨架受到撞擊會/不會倒塌？

在此僅(jin) 討論立柱受到撞擊的情況（因為(wei) 後果相對嚴(yan) 重）。立柱受到撞擊發生破壞失效，才會(hui) 引起貨架倒塌。問題轉化為(wei) ，什麽(me) 情況下撞擊會(hui) 導致立柱破壞失效？任何撞擊變形都會(hui) 造成立柱承載力一定程度的降低，從(cong) 而降低安全水平。 有限的撞擊變形可導致立柱承載力明顯降低（見圖1）。通過軸壓測試表明，圖示的撞擊變形使立柱承載力降低了30%至40%。

圖1 立柱撞擊變形導致承載力降低

但是實際中存在有利因素可以減緩立柱破壞失效：
貨架構件的鋼材實際強度大於(yu) 由規定的鋼材等級要求的最小值（設計采用的鋼材強度）（比如高達15%）；
實際總的托盤荷載小於(yu) 規定的設計值，某些情況下相差很大，即儲(chu) 位使用率未達到100%，抑或單托盤承重遠低於(yu) 設計值；
製造與(yu) 安裝精度優(you) 於(yu) 規定值；
選材時的承載力計算人為(wei) 偏於(yu) 保守。

對於(yu) 一根符合設計標準要求的立柱，當發生有限的撞擊變形時，其承載力可能會(hui) 降低40%，撞擊後的安全係數計算示意如下：
(撞擊後的承載力)×(設計荷載分項係數)×(提升的鋼材強度)/(撞擊後的實際承受荷載)
因此，撞擊後的安全係數=（1.0-0.4）×1.4×1.15/0.8=1.21。撞擊後的安全係數1.21小於(yu) 原設計安全係數:(荷載分項係數)×(材料係數)=1.4×1.0=1.4，但是仍然大於(yu) 1.0，立柱不會(hui) 立即破壞失效。然而，如果減緩立柱破壞的有利因素沒有同時出現，那麽(me) 撞擊後的安全係數大約為(wei) :(1.0-0.4)×1.4=0.84，小於(yu) 1.0，因此立柱很可能會(hui) 發生破壞從(cong) 而失效。以上安全係數討論僅(jin) 供說明示意，實際上現在主流的結構設計方法為(wei) 可靠度設計，是以一次概率為(wei) 基礎的多係數分析單一係數表達的極限狀態設計方法。本文提到的視頻，其貨架幾乎滿載，立柱的實際應力水平可能已經接近設計水平，因此對任何撞擊都很敏感，即一碰就倒。

貨架倒塌為什麽是連續性的？有沒有什麽阻斷措施？

結構連續性倒塌是指結構因偶然荷載造成結構局部破壞失效，繼而引起失效破壞構件相連的構件連續破壞，最終導致相對於(yu) 初始局部破壞更大範圍的倒塌破壞。連續性倒塌的後果很嚴(yan) 重，起因與(yu) 損失不成比例。貨架結構，由於(yu) 自身特點，易發生連續性倒塌。

首先，貨架結構冗餘(yu) 度較低，沒有多餘(yu) 構件，單根立柱失效後，沒有形成新的可靠的傳(chuan) 力路徑，荷重從(cong) 失效立柱向相鄰立柱傳(chuan) 遞，馬上超載嚴(yan) 重引起新的立柱失效，然後通過橫梁擴展開來。其次，貨架都是密集布置（貨架高度相對巷道寬度大很多），一列貨架的倒塌很難不波及相鄰列的貨架，掉落的貨物成為(wei) 新的撞擊荷載。

拜當年911事件所賜，連續性倒塌在建築結構中研究得較為(wei) 深入。結構設計中有所謂的"保險絲(si) "概念，即讓特定的構件在特定的條件下發生破壞，退出結構體(ti) 係，從(cong) 而阻斷破壞的發展。對於(yu) 貨架結構而言，能起到保險絲(si) 作用的可能是橫梁與(yu) 立柱連接的位置。如果某座貨架倒塌時，橫梁與(yu) 立柱能及時分離，那麽(me) 就有可能阻斷連續性倒塌。當然這僅(jin) 僅(jin) 存在於(yu) 理論層麵，實際設計還達不到如此精準。

拿什麽拯救你，我的貨架？

米兰竞技足球俱乐部官网認為(wei) ，最好的辦法是，不要撞到貨架，尤其是立柱。盡管不抗撞擊，冷彎薄壁型鋼貨架隻需做到以下幾點，仍然可以安全使用：
1、叉車操作員接受在貨架相關(guan) 環境中操作的培訓與(yu) 指導；
2、保證操作空間，比如足夠的巷道淨寬、存儲(chu) 單元與(yu) 貨架間淨距；
3、所有貨架巷道兩(liang) 側(ce) 立柱設置防撞保護件；
4、指定貨架安全負責人，建立三個(ge) 不同層級的檢測機製：

即時檢測
即時向貨架安全負責人報告所有損壞構件及涉及區域，針對報告內(nei) 容采取措施並建立程序記錄在檔。應鼓勵倉(cang) 庫所有員工發現損壞立即報告。

定期檢測
貨架安全負責人應確保每周（或根據倉(cang) 庫運行情況進行風險評估後確定間隔時間）進行檢測並記錄在檔。定期檢測應由培訓合格的人員進行。

專(zhuan) 家檢測
由有資格的專(zhuan) 業(ye) 檢測人員每年至少進行一次專(zhuan) 業(ye) 貨架檢測。專(zhuan) 家檢測成果物為(wei) 記錄在檔的檢測報告，鑒別貨架損壞並針對倉(cang) 庫其他活動提供指導與(yu) 建議。專(zhuan) 家檢測應由技術上勝任的人員進行；

5、分析確定引起損壞的可能原因，以消除（至少是減少）重現的可能。