（机械制造及其自动化专业论文）大型物流货架复杂结构的抗震防灾性能分析研究.pdf

摘要 摘要 大型物流货架复杂结构的抗震防灾性能分析研究是工程应用中一个十分重 要且难度较大的课题，它的研究对推动大型立体仓库在我国的发展、保障结构的 可靠性、提高结构的经济性、维护人民生命财产安全具有重要的理论与实用意义。 本论文对大型物流货架的结构形式作了全面细致地论述，系统研究了大型物流货 架结构的静动力特性及地震响应分析方法，并结合数学工具提出了一种结构优化 的新策略。其主要研究内容及创新点摘要如下： 首先，在完成大型物流货架结构有限元建模的基础上，对大型货架结构体系 在承受竖向载荷下的线性静力性能及水平载荷下的非线性静力性能进行了详尽 分析。特别针对结构设计中影响侧移的主要荷载风荷载，应用非线性静力分 析方法，考虑结构几何非线性，引入结构侧移、层间相对位移、构件轴力、和材 料效率指数等评价指标对大型钢框架结构的抗侧性能做了全面的分析研究。另 外，分析了货架主要构件设计参数的变化以及拉杆不同的布置形式对结构性能的 影响。 深入研究了货架结构稳定性的各项影响因素。以屈曲分析理论为基础，对货 架结构的关键部件进行了稳定性分析，并据此深入研究了构件尺寸的变化以及构 件的布置形式对于货架结构稳定性的影响。 首次将超级有限元法引入大型货架结构的分析过程。大型物流货架结构体系 单元众多，节点自由度数量庞大，在进行非线性或动力计算时存在计算时间过长 或受到计算机容量限制的问题。为了清晰、准确地得到大型货架结构的动力特性 规律，在对大型货架结构不同的计算模型进行基本固有特性分析的基础上，应用 超级元方法对结构中的主要构件进行参数分析，从而得出了一些有益于结构合理 设计的结论。 地震响应分析是大型物流货架结构分析中的难点之一，本文对货架结构地震 响应的谱分析及非线性时程分析方法进行了研究。在谱分析中，比较了底部剪力 法与美国货架制造业协会的地震响应分析方法的异同，深入研究了多维地震输入 下的结构响应，并对构件设计参数改变对地震响应的影响作出了探讨。研究了货 架结构的非线性地震响应时程分析方法，并据此对地震响应的控制方法进行了探 讨。比较了在常遇地震作用下时程分析方法与反应谱法分析结果间的差异，进一 步验证了超级元分析方法的可行性。并以粘弹性阻尼器为例，探讨了有效提高结 构抗震性能、减小地震响应的控制方法。 摘要 针对货架结构的设计优化，本文提出了基于遗传算法和神经网络的结构优化 策略和方法，并成功地应用于货架的结构参数优化。用神经网络学习算法建立货 架结构设计参数与结构质量、结构最大应力、最大位移等的非线性全局映射关系， 获得遗传算法求解结构优化问题所需的目标函数，用遗传算法进行优胜劣汰的寻 优搜索运算，求出最优解，为货架结构的优化设计开拓了一条新的途径。 关键词：大型物流货架复杂结构，抗震防灾，静动力性能，谱分析，非线性时程 分析，结构优化，神经网络与遗传算法 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t t h es t u d yo nq u a k e - p r o o fa n dh a z a r dr e s i s t a n c ep r o p e r t yo fc o m p l i c a t e dl a r g e l o g i s t i c sp a l l e ts 缸u c t u r ei s av e r yi m p o r t a n ta n dd i f f i c u l ts u b j e c ti ne n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n t h es t u d yh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e st o d e v e l o p i n gp r o m o t i o no fl a r g et h r e e d i m e n s i o nw a r e h o u s ei nc h i n a , r e l i a b i l i t y a s s u r a n c eo fs t r u c t u r e ，e c o n o m yi n c r e a s ea n ds a f e t yk e e po fp e o p l e sl i f ea n d p r o p e r t y i nt h i sp a p e r , t h es t n l c n l r a lf o r mo fl a r g el o g i s t i c sp a l l e tw a sf u l l yd i s c u s s e d ， t h ea n a l y z i n gm e t h o d so fs t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t ya n ds e i s m i cr e s p o n s eo fl a r g e p a l l e ts t m c t u _ r ew e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ，t h e nc o m b i n e d 、i t l lm a t h e m a t i c a lt o o l s ， an e w a p p r o a c ho fs t r u c t u r a lo p t i m u mw a sa d v a n c e d t h em a i nc o n t e n t sa n d c r e a t i v e p o i n t sa l es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t ，b a s e do nf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fl a r g ep a l l e ts t r u c t u r e ，t h el i n e a rs t a t i c c h a r a c t e r i s t i c su n d e rv e r t i c a ll o a da n dn o n l i n e a rs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c su n d e r h o r i z o n t a ll o a dw e r ea n a l y z e di nd e t a i l e s p e c i a l l yf o rt h em a i nl o a da f f e c t i n g s t r u c t u r a ls i d ed i s p l a c e m e n t w w i n d1 0 a d ，w i t hs t r u c t u r a ln o n l i n e a r , t h ea s s e s s i n g i n d e x e so fs t r u c t u r a ls i d ed i s p l a c e m e n t ，r e l a t i v ed i s p l a c e m e n tb e t w e e nl a y e r s ， c o m p o n e n ta x i a lf o r c ea n dm a t e r i a le f f i c i e n ti n d e x ，w e r el e d - i n ，a n dt h el a t e r a l r e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo fl a r g es t e e lf r a m es t r u c t u r ew a sf u l l ys t u d i e d m o r e o v e r , t h e c o n t r i b u t i o no fd e s i g np a r a m e t e r sc h a n g eo fm a i nc o m p o n e n t sa n dd i f f e r e n tp u l l i n g r o dl a y o u t st os t r u c t u r a lp e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d e v e r yf a c t o ra f f e c t i n gp a l l e ts t a b i l i t yw a sd e e p l ys t u d i e d b a s e do nb u c k l i n g a n a l y z i n gt h e o r y , t h es t a b i l i t yo fk e yc o m p o n e n t so fp a l l e ts t r u c t u r ew a s d i s c u s s e d a c c o r d i n gt oa b o v er e s u l t s ，d e e ps t u d yw a sd o n eo nt h ei n f l u e n c eo fc o m p o n e n t d i m e n s i o nc h a n g ea n dd i f f e r e n tl a y o u tt op a l l e ts t a b i l i t y t h es u p e r - e l e m e n tm e t h o dw a sf r s ti n t r o d u c e dt ot h ea n a l y z i n gp r o c e s so f c o m p l i c a t e dl a r g el o g i s t i c sp a l l e ts t r u c t u r e t h e r ee x i s ts u c hm a n ye l e m e n t sa n d e n o r m o u sn o d ef r e e d o mi nl a r g ep a l l e ts t r u c t u r es y s t e mt h a tl o n gc a l c u l a t i n gt i m ei s n e e d e df o rn o n l i n e a ro rd y n a m i ca n a l y s i s ，t h ea n a l y s i si sa l s or e s t r i c t e db yc o m p u t e r c a p a c i t y i no r d e rt oo b t a i nac l e a ra n da c c u r a t er e g u l a rp a t t e r no fd y n a m i cp r o p e r t y o fl a r g ep a l l e ts t r u c t u r e ，b a s e do ni n t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so fd i f f e r e n tm o d e l s ， t h ep a r a m e t e ra n a l y s i so fm a i nc o m p o n e n t sw a sm a d e 诵t hs u p e r - e l e m e n tm e t h o d ， y i e l d i n gs o m er e s u l t sf a v o r a b l et or a t i o n a ls t r u c t u r ed e s i g n i l l a b s t r a c t t h es e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i si so n eo ft h ed i f f i c u l ts u b j e c t si np a l l e ts t r u c t u r e a n a l y s i s i nt h i sp a p e r , s p e c t r u ma n a l y s i sa n dn o n l i n e a rt i m e - h i s t o r ya n a l y s i sf o r c o m p l i c a t e dl a r g el o g i s t i c sp a l l e ts t r u c t u r ew e r ef i r s tm a d e i ns p e c t r u ma n a l y s i s ，t h e b o t t o ms h e a rm e t h o dw a sc o m p a r e d 、析t l ls e i s m i cr e s p o n s ea n a l y z i n gm e t h o do f p a l l e t m a n u f a c t u r i n g i n s t i t u t eo fu s a t h e nt h es t r u c t u r e r e s p o n s e u n d e r m u l t i d i m e n s i o ns e i s m i c i n p u t sw a sd e e p l ys t u d i e d ，a n d t h ec o n t r i b u t i o no f p a r a m e t e rc h a n g eo fc o m p o n e n t st os e i s m i cr e s p o n s ew a sd i s c u s s e d t h en o n l i n e a r m e t h o do fs e i s m i cr e s p o n s ew a ss t u d i e d ，t h e nt h em e t h o d w a su s e dt or e s e a r c h c o n t r o la p p r o a c ho fs e i s m i cr e s p o n s e t h er e s u l td i f f e r e n c eb e t w e e nt i m e h i s t o r y a n a l y z i n gm e t h o da n dr e s p o n s es p e c t r u mm e t h o do fn o r m a ls e i s m o sw a sc o m p a r e d ， p r o v i n ga l s ot h ep r a c t i c a b i l i t yo fs u p e r - e l e m e n tm e t h o d t h e nt a k i n gv i s c o e l a s t i c d a m p e rf o re x a m p l e ，t h ec o n t r o lm e t h o df o rp r o m o t i n gq u a k e - p r o o fb e h a v i o ra n d r e d u c i n gs e i s m i cr e s p o n s ew a s d i s c u s s e d f o rd e s i g no p t i m u mo fp a l l e ts t r u c t u r e ，n e ws t r a t e g yb a s e do nn e u r a ln e t w o r k a n dg e n e t i ca l g o r i t h mw a sa d v a n c e da n da p p l i e dt oo p t i m i z et h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s u c c e s s f u l l y w i t hl e a r n i n ga l g o r i t h mo fn e u r a la l g o r i t h m ，t h en o n l i n e a rg l o b a l m a p p i n gr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd e s i g np a r a m e t e r s w i t hs t r u c t u r a l w e i g h t ，t h e m a x i m u ms t r e s s ，t h em a x i m u md i s p l a c e m e n ta n ds oo n ，w e r eb u i l t t h e nt h e o b j e c t i v ef u n c t i o no fs t r u c t u r a lo p t i m u mn e e d e db yg e n e t i ca l g o r i t h mc a nb eg i v e n t h r o u g hs e a r c h i n gc a l c u l a t i n go fd o m i n a n tc h a r a c t e ro fg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h e o p t i m u ms o l u t i o ni sf o u n d ，d e v e l o p i n gan e wa p p r o a c ht oo p t i m u md e s i g nf o r c o m p l i c a t e dl a r g el o g i s t i c sp a l l e ts t r u c t u r ep a l l e t k e yw o r d s ：c o m p l i c a t e dl a r g el o g i s t i c sp a l l e ts t r u c t u r e ，q u a k e p r o o fa n dh a z a r d r e s i s t a n c e ，s t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e s ，s p e c t r u ma n a l y s i s ，n o n l i n e a rt i m e h i s t o r y a n a l y s i s ，s t r u c t u r eo p t i m u m ，n e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h m i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：耋茏廊 砂年6 其2 护日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 j 指导教师签名：刁杯 学位论文作者签名夕拐孙酗辞 o 砰g 月夕c ，日力砂年易月力日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名彦、柳 汐够年乡月2 0 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 国内外立体仓库的发展概况 l - 1 1 立体仓库的发展 高架仓库一般指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相 应的物料搬运设备进行货物出入库作业的仓库，由于能充分利用空间进行储存， 所以形象化的称作“立体仓库”。 立体仓库的出现和发展是第二次世界大战以后生产和技术发展的结果。上世 纪5 0 年代初，美国出现了采用桥式堆垛机的仓库，5 0 年代末6 0 年代初出现了 司机操作的巷道式堆垛机，1 9 6 3 年美国首先在仓库业务中采用计算机控制，建 立了第一座计算机控制的立体仓库。此后，立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展。 6 0 年代中期以后，日本开始兴建立体仓库，而且发展速度越来越快，成为当今 世界上拥有立体仓库数量最多的国家。 我国对立体仓库及其专用物流搬运设备的研发开始的并不晚，早在1 9 6 3 年 就开发试制成功了第一台桥式堆垛机，上世纪7 0 年代中期开始研发采用巷道堆 垛机和高架叉车的立体仓库，1 9 8 0 年第一座自行研制完成的自动化立体仓库投 产。以后，立体仓库在我国得到了迅速发展，应用于机器制造业、电器制造业、 航空港、轻工和化工企业、商储业、军需部门等各行业。目前，国内对立体仓库 的需求不断增加，立体仓库的建设在我国方兴未艾。 由于其本身所带来的实质性的经济效益，立体仓库迅速为世界各国物资流通 所接受并获得迅速的发展。它具有一系列突出的优点，在整个企业的物流系统中 起着重要的作用。 ( 1 ) 能大幅度地增加仓库高度，减少占地面积。对于一座拥有6 0 0 0 个货位的 仓库，如果托盘尺寸为8 0 0 1 2 0 0 m m ，则普通的货架仓库高5 5 m ，占地 3 6 0 9 m 2 ，而3 0 m 高的立体仓库，占地面积仅3 9 9 m 2 。 ( 2 ) 提高仓库出入库频率。自动化仓库采用机械化、自动化作业，出、入库 频率高并能方便纳入整个企业的物流系统，成为其中一环，使企业物流 更为合理。 ( 3 ) 有效提高仓库管理水平。借助计算机管理能有效地利用仓库储存能力， 便于清点盘库，合理减少库存，节约流动资金。对用于生产流程中的半 成品仓库，还能对半成品进行跟踪，成为企业物流的一个组成部分。 第l 章绪论 ( 4 ) 由于采用了货架储存，并结合计算机管理可以很容易地实现先入先出， 防止货物自然老化、变质、生锈。立体仓库也便于防止货物的丢失，减 少货损。 ( 5 ) 采用自动化技术后，能较好地适应黑暗、有毒、低温等特殊场合的需要。 8 0 年代后，自动化仓库正向着合理化、系统化、综合化和社会化方向发展。 在国际上，特别是近1 0 年，自动化仓库技术进步非常显著，无论在生产、流通、 交通运输和物流企业都谋求在更广泛的范围内，各方配合，共同协作，以期达到 整体的物流合理化。 1 1 2 立体仓库的分类 表1 1 、1 2 、1 3 分别为按货架的构造、仓库存取方式和仓库在生产和流通 的作用所进行的立体仓库的分类。 表1 1 按货架构造的立体仓库分类 t a b l e1 1p a l l e tw a r e h o u s ec l a s s i f i c a t i o nb yp a l l e ts t r u c t u r e 类型特点应用范嗣 货架沿仓库的宽度方向分成若干排。每两排货架为一组，使用最广，通用性较 单元货格式 其间有一条巷道。供堆垛机或其他搬运机械运行。每排强 仓库货架沿仓库纵长方向分为数十列，沿垂直方向又分为若 干层至数十层，从而形成大最货格。用以储存货物。 取消巷道，将货架合并，使同一层、同一列的货格互相适用丁货物品种不 贯通。形成能依次存放许多货物单元的通道。在通道一太多而数量相对较 贯通式仓库端由入库起重机将货物单元装入通道，而在另一端由出多的仓库。 库起重机取货。 面积利用率高，但取货只能“先入先出”。 分为垂直与水平循环仓库。垂直循环货架仓库的货架本适用丁小件物品高 身是一台垂直提升机，其两根链条分支上都悬挂有装货频率存取或捻选。其 循环货架仓 的货匣水平循环的每组货架由数十个独立的货柜用链中垂直循环也用于 库 式输送机串联构成。 储存长卷状物料及 小汽车。 每两排货架为一单元，下面装有车轮。能沿铺设在地面 适用于出入库不频 的轨道做横向运行。存取货物时，各货架单元做相应移繁的场合，如用丁储 移动式货架 动，使要存取货物的货格前形成通道以便进行作业其存制成品、原材料 仓库 他货架单元均密集在一起不留空隙。因此仓库面积可得 等。 到充分利用。存储密度大，- t 作周期长。 2 第1 章绪论 没有货架通道，搬运货物的叉车直接在货格形成的空间使用范围受到较大 驶入式货架 内运行。货格托梁问横向静空必须保证叉车能安全通过。限制，适用r 储存横 仓库货物存取由货架的同一侧出入，且先存的货物后取。后向尺寸较大的货物。 存的货物必须先取。 表1 2 按货物存取方式的立体仓库分类 t a b l e1 2p a l l e tw a r e h o u s ec l a s s i f i c a t i o nb yt h ew a yo fg o o d sp u t t i n gi na n dt a k eo u t 类型特点应用范围 整体货物单货物放在标准容器中或托盘上储存。出入库以整单元进 元存取式仓行。 库 货物虽以单元化方式入库储存，但出库时是根据提货单 捻选式仓库的要求从货物单元中捻选一部分出库。分“人到货前捻 选”与“货到人处捻选”。 表1 3 按仓库在生产和流通作用的立体仓库分类 t a b l e1 3p a l l e tw a r e h o u s ec l a s s i f i c a t i o nb yi t sf u n c t i o ni np r o d u c t i o na n dc i r c u l a t i o n 类型特点应用范围 从物流系统的复杂性讲，一般比较简单，货物以单元化绝大多数高层货架 单纯储存的 形式入库之后，在货架上储存一定的时间。需要时，出仓库。 仓库 库供使用。 各种货物先是各自以货物单元的形式储存在货架上。出典型的“配送中心”。 储存兼选配库时，往往需要根据订单的要求将不同货物以不同的数 的仓库量进行选配，组成新的货物单元，送往需要的地方供使 用。除了有高货架外，一般都有比较大的选配面积。 最常见的单元货格式自动化立体仓库又分为两类，分别为分离式和整体式。 其中分离式立体仓库的货架库房与货架是两个相互独立的体系，浪费材料且结构 整体性差；而整体式立体仓库是由结构设计人员统一考虑货架构件的强度和稳定 性，使货架同时作为货架和库房的受力柱使用，库房的墙面檩条既作为墙檩，又 作为高货架的背撑，将货架与库房合二为一。同时，屋面系统可充分发挥高货架 的优势，将较大跨度的屋面梁设计成几个跨度较小的屋面梁，即立体仓库的货架 除承受货物的荷载外，还作为库房的骨架支撑着屋面和墙面围护，货架兼作建筑 物承重的结构。整体式自动仓库有以下优点：库架合一，整体稳定性好：可达到 较高高度，能够有效合理地利用空间；具有较好的抗震能力；外形更加美观现代； 3 第1 章绪论 库内设备安装施工便利，速度快：基础受力比较均匀，基础设计比较单一：工程 造价低，施工周期短。 整体式立体仓库的一系列优点使其倍受青睐。在日本、韩国、台湾有较大数 量的库架合一整体式自动仓库。近几年，库架合一整体式自动仓库在我国也有了 一定的发展，在嘉兴、常熟、淮阴、上海、仪征、云南等地相继投人使用。本文 的研究对象即是单元货格式自动化立体仓库，以下将单元货格式立体仓库简称为 立体仓库。 1 2 课题的背景及研究的目的、意义 单元货格式自动化立体仓库主要部分包括：物流货架、巷道堆垛机、输送系 统、电控系统、a g v 系统、监控系统、计算机调度管理系统等，其中货架结构是 立体仓库的主要部分，作为立体仓库的承重构筑物，其设计的质量将直接影响到 立体仓库的性能和制造成本。一方面，货架的垮塌，将会造成重大的损失；另一 方面货架强度或刚度富裕太多，又会造成货架制造成本的增加。 中国已经成为世界加工中心，大型物流货架的应用已越来越广泛。由于大型 物流货架结构的大型复杂性，其受力性能和破坏机理、力学分析方法以及结构设 计、制作和安装等都要比普通结构复杂得多，目前国内外有关物流货架的理论研 究成果还相对较少，且大都处于分散状态，随着工程应用中大型立体仓库的推广， 已经出现了许多亟待解决的问题n 1 。其中对于其抗震防灾性能，尚未引起足够 的重视。阪神大地震的惨重教训，已经引起世人的关注，如何对这种大型复杂结 构的防灾抗震性能进行科学的分析研究，是目前尚未很好解决的急迫难题与空白 之一。 在受力性能上。由于货架结构体系种类很多，这里以库架合整体式大型物 流立体仓库为例加以说明。此体系的最大特点是立体仓库的货架除承受货物的荷 载外，还作为库房的骨架支撑着屋面和墙面围护，即货架兼作建筑物承重的结构。 其中货架片的安装形式、拉杆的布置方式均会影响到货架的受力性能。以往的分 析大多仍停留在对结构强度、刚度校核后工程师凭经验进行结构修改的水平上， 即基本上属于消极的设计校验，而不是基于c a e 分析结果的设计优化，对于货架 构件设计参数以及布置形式的改变下受力性能的研究还有待进一步深入。同时， 对于结构复杂的货架系统，在完成结构设计的基础上，如何对其强度和刚度进行 综合验算，以保证结构强度均匀，尽量节省钢材，降低成本，也是货架结构需要 解决的难点之一。 在力学分析方法上。首先，由于货架结构中存在明显的结构层次，结构特性 不再象传统体系那样相对单一。若从解析角度分析将碰到难以克服的困难。对于 4 第1 章绪论 大型框架或桁架中使用的支撑，考虑其屈曲所引起的承载力的降低，虽然已有了 一些数值模拟方法，但计算量非常大，难以在实际工程中普遍应用。因此，对大 型货架结构的力学模型和结构分析方法的研究，是一个很紧迫的课题，本文的主 要工作之一就是结合此问题给出一种比较切合实际的弹塑性静动力分析方法。同 时，对于高层建筑和大型建筑物如何抵御突如其束强烈地震的影响，是当今世界 极为关注的研究热点。众多的专家学者在此方面进行了大量的研究工作，而对于 复杂的大型货架结构，其防震抗震性能的系统分析研究尚未见报道。本文将首次 应用反应谱方法以及非线性时程分析方法对大型物流货架在常遇及罕遇地震下 的综合性能进行深入分析和研究。 在结构设计的优化方法上。由于货架实际结构比较复杂，立柱和主梁等的截 面形状不规则，传统的优化方法已经不适用于来对其进行结构优化。本文利用试 图将现有数学工具的结合，通过建立货架结构设计参数与结构重量、结构最大应 力、最大位移等的非线性全局映射关系，以寻找获得最优方案的方法。 在研究的系统性上。在已有的文献报道中，对于大型立体仓库货架结构的研 究大都针对某一具体问题，且大都围绕安全性验算来进行。本文的工作将基于有 限元和超级元方法对大型货架的结构性能做出全面系统地考察，从而将大型货架 结构性能的研究提升到新的高度。这对于提高我国大型货架建筑结构的设计水 平，推动大型立体仓库的应用与发展具有重要的理论和实用意义。 1 3 国内外对大型复杂货架结构的研究现状 国内外专门针对大型复杂物流货架结构的系统研究很少，但针对大型结构已 有很多的研究成果。总结国内外对大型复杂结构的研究现状，可归纳如下。 1 3 1 大型结构的计算模型和分析方法 i 二维分析法 7 0 年代以前，由于能够应用的计算机内存都很小，因此不可能对结构进行 详细分析计算，只能将建筑结构分解为若干片平面框架，在分层处通过一定刚度 的杆件相连，考虑它们的共同工作而分配水平力到各片框架一i - _ ，然后逐片进行平 面分析。这种将空间问题转化为平面问题的方法，就是协同工作的分析方法。此 法可考虑平面问题的双非线性、支撑的影响、节点域的剪切变形的影响等，而且 不需很大的计算工作量。但它仅适用于平面规则的常规三大结构，且没考虑结构 构件的空间力学性能，因此无法进行任意荷载下真正意义的空间分析n 始1 。 2 超级元分析方法 大型结构型式复杂，构件数量很多，为提高计算效率，可采用超级元法。超 5 第1 章绪论 级元法的基本思想是将原始离散型的多构件系统人为设想为连续化的实体，按实 体进行有限元剖分，并选取解函数及总体自由度，因此系统内部任一点位置的力 学量被总体自由度所约束。然后对每个杆件再进行一般有限元分析，而构件上节 点自由度同样也被总体自由度所约束，从而很方便地将所有内部构件的自由度转 化为系统的总体自由度来求解乜冽。由于连续化后再离散形成的每个单元包含大 量构件，故而称为超级元法。超级元法的特点在于：大规模节省计算工作量；能 反映内部各构件的力学特征、几何尺寸、物理常数、所在空间位置及对系统的刚 度、质量、阻尼的贡献：保留了有限元法所具有的分析对象灵活性与程序统一性 的特点。 3 三维梁元法 以传统的空间三维梁单元为基础的有限元分析法可以对任何结构在弹性范 围内进行较准确的静、动力分析。但随着结构型式的复杂、分析精度要求的提高 以及为在随机荷载激励下真实、详尽地把握结构的总体和细部受力性能，国内外 许多学者在传统三维有限元基础上，发展、创造了许多三维分析法位蚴1 。如：对 于空间梁单元的几何非线性研究；为考虑物理非线性问题，假设当构件进入塑性 时，塑性变形集中在杆件两端，同时引入屈服面方程式作为判定构件两端是否形 成塑性铰的准则，以z i e g l e r 随动强化塑性理论描述屈服面的移动；同时考虑几 何非线性、材料非线性和单元剪切变形、节点域变形的统一非线性二阶分析法等： 考虑累积损伤效应的三维梁元法啪一。 4 考虑累积损伤效应的三维梁元法 本方法使用弹塑性损伤铰的概念，把杆件进入塑性也看成是损伤的一种，结 合屈服面函数和塑性流动法则，建立起考虑损伤累积效应的空间钢构件恢复力模 型，这个模型可以考虑由于损伤引起的刚度退化效应、强度退化效应。根据考虑 损伤累积效应的空间钢构件恢复力模型建立空间钢构件考虑损伤累积效应的弹 塑性三维梁单元刚度矩阵。同时考虑轴力引起的二阶效应，建立几何刚度矩阵， 并将其叠加到上述单元刚度矩阵中。这是一种半理论半试验的方法，需要由试验 来确定损伤模型所必需的材料参数。 文献【3 2 ，3 3 】利用这种空间钢构件考虑损伤累积效应的恢复力模型计算所得 到的空间钢框架模型振动位移曲线和空间钢框架模型振动台试验测得的振动位 移曲线吻合的比较好，证明本法能够很好地反映损伤对空间钢框架的影响，是对 结构进行力学分析的一种较好方法。但这种方法的不足之处在于要通过大量的损 伤累积试验测得的滞回曲线来确定该损伤模型中的一些材料参数，当杆件截面形 式不同时，所需确定的材料参数也都不尽相同，这就需要通过大量的构件试验来 揭示这些参数的基本规律。 6 第l 章绪论 5 有限分割有限元法 有限分割有限元法的基本单元为三维梁单元，其基本思想是将杆件沿杆长分 为若干段，在每段的截面上又将其分为若干平面小块，用杆端内力增量通过材料 力学知识按弹性关系求出杆件上各小块的应力、应变增量，然后计算各小块的屈 服函数值，判断弹塑性状态及加卸载情况，最后重新形成杆件的单元刚度矩阵， 计算杆端内力，进行迭代直至收敛。这种方法最大的特点就是无需事先假设和构 造杆件的三维非线性滞回模型，也无需只有杆端集中发生塑性变形等假设，在理 论推导和程序计算中即可将以上问题自动解决啪矧。然而，用这种方法分析结构 的动力响应时，每一荷载增量步内都要进行大量的迭代计算，每迭代一次都相当 于对结构进行一次整体求解，计算量巨大，从而导致实际工程应用中的困难。 6 等效模型简化分析方法 等效模型分析法最初由日本学者提出，并在我国逐渐引起重视。这种方法是 连续化方法的一种，它将大型柱用弯曲、剪切、轴向变形等效的柱置换，将大型 梁用弯曲、剪切变形等效的梁置换，而它们的交点用受纯剪切的节点域置换。 等效模型分析方法对于比较规则且具有相似性的巨型钢结构并在弹性范围内进 行静动力分析时是很有效的。文献对使用“人 字型支撑和“x ”型支撑的两种 大型框架结构分别进行了分析，与精确的杆系模型相比最大误差不超过2 ，同 时计算工作量得到大幅度降低瞄刀。但对于弹塑性问题，由于构件进入塑性时应变 不但与荷载位置有关，而且与加载路径有关，这就会导致即使是对非常规则的结 构也很难找到各层大型梁柱准确的等效刚度( 恢复力特性) 。针对这一问题，目前 有些学者正在研究可以分析弹塑性的二维等效模型。应当指出，开发三维弹塑性 等效模型是当前结构设计及性能分析中急需解决的问题。 1 3 2 大型结构的抗震、抗风设计 大型货架作为复杂大型结构，且在竖向、水平荷载作用下的传力机制非常独 特，完全不同于以往的结构型式，以往的大型结构抗震性能的研究对其有一定的 借鉴作用。在大型结构的抗震分析中，一般采用振型分解反应谱法，但建筑抗 震设计规范( g b j l l - 8 9 ) 规定，对特别不规则的建筑和一些较重要的建筑等应采 用时程分析法进行补充计算。白绍良等学者从巨型钢框架结构体系的特点及竖向 地震作用的角度，通过理论分析和具体算例论述了竖向地震作用计算对此类结构 的重要性呻1 ；刘季等学者进行过在水平三维地震运动分量联合作用下非对称结构 反应谱法的研究1 ；李宏男则系统地研究了多维地震激励下，工程结构的分析方 法及抗震设计等问题。除了大量探讨反应谱法与时程分析法h 订n 霸外，能量法3 1 h 钔、随机振动方法h 渊1 、静力弹塑性分析法( p u s h o v e r ) h 等都是国内外地震 7 第l 章绪论 工作者当前重点研究的分析方法；另外，地震反应分析中的阻尼问题嘲、模态组 合方法啼3 1 等也引起了足够的重视。 对于一般高层结构，横风向共振发生的可能性很小，顺风向响应起主要作用。 规范规定，对于高度大于3 0 m 且高宽比大于1 5 的房屋建筑，以及基本自振周期 t j 大于o 2 5s 的高耸结构，采用风振系数来考虑风压脉动的影响嘲。一般的大 型货架结构高度均不超过3 0m ，因此，除在静力分析时将风作为横向载荷考虑 并根据规范考虑风振系数外，一般不对货架结构的抗风性能做出研究。 1 3 3 大型结构的振动控制理论、实用分析法及控制装置开发研究 结构控制是近二十年来发展起来的一门新兴的工程学分支，它是研究以有效 的结构控制方法实现结构控制目标的理论。结构控制方法主要是根据结构的荷载 反应特性采用相应的措施，以求实现对结构荷载反应及破坏机制的控制目标。这 些相应的措施包括：基础隔震体系中的夹层橡胶垫隔震装置一1 ：滚珠加钢板消 能装置旧1 ；铅塞滞变阻尼器隔震装置嘟吲等。消能减震体系中的消能支撑呻11 6 1 1 ； 消能剪力墙阳羽；摩擦阻尼器汹1 ；金属阻尼器1 ；粘弹性阻尼器陋7 2 1 ；调谐质量阻 尼控制系统口3 吖7 1 。除应用较广泛的被动控制外，主动控制算法及装置h 8 吨射、混合 控制方法删等也期待着更深入的研究。 总的说来，目前国内外对大型货架结构的研究还不全面、系统，仅仅是将普 通建筑结构的研究方法照般或稍微修改后，用在货架结构的分析上，而没有抓住 货架结构本身的特点。因此，极有必要对专门的大型货架结构型式开展深入、细 致地研究，对其传力机制与静、动荷载作用下的性能进行分析，找出合适于大型 复杂货架结构的设计方法，并能根据其特点，灵活运用结构控制手段控制它的一 些设计参数，达到安全、节省的目的。 1 4 本文主要工作 本文正是在上文所述的研究背景下，开展研究工作的。期望通过本文的研究 工作对上述存在的问题找到一些解决办法，或为彻底解决这些问题做些探讨性研 究。本文主要进行以下几方面的工作： l 、系统分析大型复杂物流货架结构的静力性能，深入研究结构在竖向荷载 和水平荷载下的传力机理、力学特性和变形特点。尤其针对侧向力作用，以一整 体式仓库货架为例，探讨主、次框架构件截面尺寸的改变对抗侧性能的影响，并 对主要设计参数发生改变后，结构受力性态的变化趋势进行深入探讨。 2 乙研究大型复杂物流货架结构的稳定性问题。以屈曲分析理论为基础，对 货架结构的关键部件进行稳定性分析，并据此深入研究结构尺寸的变化以及构件 8 第1 章绪论 的布置形式对于货架结构稳定性的影响。这对于设计或优化货架系统具有现实的 指导意义。 3 、模态分析是进行谱分析或瞬态动力学分析所必须的前期分析过程，大型 复杂物流货架钢结构体系单元众多，节点自由度数量庞大，在做非线性或动力计 算时存在计算时间过长或受到计算机容量限制的问题，为了清晰、准确地得到其 动力特性规律，本文将超级有限元法引入大型货架结构的分析过程。对大型货架 结构不同的计算模型进行基本固有特性分析，从总体上比较它们之间的刚度、质 量分布的异同，比较框架节点在铰接和刚接时的计算结果。在此基础上，比较有 限元模型与超级元模型的分析结果，并应用超级元方法对结构中的主要构件进行 参数分析，从而得出一些有益于结构合理设计的结论。 4 、进行大型物流货架结构地震响应的谱分析。分别应用底部剪力法以及美 国货架制造业协会的地震相应分析方法对货架结构进行比较分析，探讨地震输入 的维数对结构抗震性能的影响，并对不同地震输入下结构构件参数的改变对结构 动力特性的影响进行深入研究。 5 、应用时程分析方法研究货架结构的空间非线性地震响应并对地震相应的 控制进行初步探讨。比较在常遇地震作用下时程分析方法与反应谱法分析结果问 的差异，在此基础上进一步考虑结构构件的材料非线性进行罕遇地震作用下的时 程分析，从而揭示结构的弹塑性抗震性能。针对结构控制方法，深入探讨了在不 同粘弹性阻尼器布置形式下的结构地震响应。 6 、提出基于神经网络与遗传算法的货架结构优化设计