EHS圈已瘋傳的貨架結構連續(xù)性倒塌分析說明

• event2021-11-20 13:40:04
• person 穩(wěn)圖WESAFE
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近日，網(wǎng)上一段據(jù)傳是英國《每日郵報》11月20日報道的視頻傳遍了倉儲物流圈與EHS圈。點我看視頻

視頻中顯示，一臺叉車試圖通過擁擠的巷道時觸碰到了一根貨架立柱，從而引起倉庫內大面積貨架的連續(xù)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公眾討論的熱點。認為是貨架供應商偷工減料者有之，認為管理混亂違規(guī)操作者有之，認為設計存在缺陷者亦有之。討論無所謂對與錯，各方都以自己多年從事相關方面的工作經驗，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(xiàn)嗎？

這個問題的另一種表述就是，貨架應該防撞嗎？眾所周知，貨架是與搬運設備配合使用的。大部分貨架都配備叉車，由于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。對于配備叉車作業(yè)的貨架，其設計中并未考慮叉車的撞擊作用），原因在于貨架的立柱與橫梁等主要受力構件為冷彎薄壁型鋼構件，根本不能抵抗如此大的水平力（EN 1991-1-7中規(guī)定的倉庫建筑立柱必須能承受的叉車撞擊水平力約250kN）。到目前為止，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，那么結果就是單個儲位的貨架造價直線上升，勢必對倉儲物流行業(yè)造成嚴重影響。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。這就有點亂了，想必大家要問下面這個問題了。

什么情況下貨架受到撞擊會/不會倒塌？

在此僅討論立柱受到撞擊的情況（因為后果相對嚴重）。立柱受到撞擊發(fā)生破壞失效，才會引起貨架倒塌。問題轉化為，什么情況下撞擊會導致立柱破壞失效？任何撞擊變形都會造成立柱承載力一定程度的降低，從而降低安全水平。 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于由規(guī)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于規(guī)定的設計值，某些情況下相差很大，即儲位使用率未達到100%，抑或單托盤承重遠低于設計值；
制造與安裝精度優(yōu)于規(guī)定值；
選材時的承載力計算人為偏于保守。

對于一根符合設計標準要求的立柱，當發(fā)生有限的撞擊變形時，其承載力可能會降低40%，撞擊后的安全系數(shù)計算示意如下：
(撞擊后的承載力)×(設計荷載分項系數(shù))×(提升的鋼材強度)/(撞擊后的實際承受荷載)
因此，撞擊后的安全系數(shù)=（1.0-0.4）×1.4×1.15/0.8=1.21。撞擊后的安全系數(shù)1.21小于原設計安全系數(shù):(荷載分項系數(shù))×(材料系數(shù))=1.4×1.0=1.4，但是仍然大于1.0，立柱不會立即破壞失效。然而，如果減緩立柱破壞的有利因素沒有同時出現(xiàn)，那么撞擊后的安全系數(shù)大約為:(1.0-0.4)×1.4=0.84，小于1.0，因此立柱很可能會發(fā)生破壞從而失效。以上安全系數(shù)討論僅供說明示意，實際上現(xiàn)在主流的結構設計方法為可靠度設計，是以一次概率為基礎的多系數(shù)分析單一系數(shù)表達的極限狀態(tài)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。

貨架倒塌為什么是連續(xù)性的？有沒有什么阻斷措施？

結構連續(xù)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(xù)破壞，最終導致相對于初始局部破壞更大范圍的倒塌破壞。連續(xù)性倒塌的后果很嚴重，起因與損失不成比例。貨架結構，由于自身特點，易發(fā)生連續(xù)性倒塌。

首先，貨架結構冗余度較低，沒有多余構件，單根立柱失效后，沒有形成新的可靠的傳力路徑，荷重從失效立柱向相鄰立柱傳遞，馬上超載嚴重引起新的立柱失效，然后通過橫梁擴展開來。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，掉落的貨物成為新的撞擊荷載。

拜當年911事件所賜，連續(xù)性倒塌在建筑結構中研究得較為深入。結構設計中有所謂的"保險絲"概念，即讓特定的構件在特定的條件下發(fā)生破壞，退出結構體系，從而阻斷破壞的發(fā)展。對于貨架結構而言，能起到保險絲作用的可能是橫梁與立柱連接的位置。如果某座貨架倒塌時，橫梁與立柱能及時分離，那么就有可能阻斷連續(xù)性倒塌。當然這僅僅存在于理論層面，實際設計還達不到如此精準。

拿什么拯救你，我的貨架？

穩(wěn)圖認為，最好的辦法是，不要撞到貨架，尤其是立柱。盡管不抗撞擊，冷彎薄壁型鋼貨架只需做到以下幾點，仍然可以安全使用：
1、叉車操作員接受在貨架相關環(huán)境中操作的培訓與指導；
2、保證操作空間，比如足夠的巷道凈寬、存儲單元與貨架間凈距；
3、所有貨架巷道兩側立柱設置防撞保護件；
4、指定貨架安全負責人，建立三個不同層級的檢測機制：

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(qū)域，針對報告內容采取措施并建立程序記錄在檔。應鼓勵倉庫所有員工發(fā)現(xiàn)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(jù)倉庫運行情況進行風險評估后確定間隔時間）進行檢測并記錄在檔。定期檢測應由培訓合格的人員進行。

專家檢測
由有資格的專業(yè)檢測人員每年至少進行一次專業(yè)貨架檢測。專家檢測成果物為記錄在檔的檢測報告，鑒別貨架損壞并針對倉庫其他活動提供指導與建議。專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(xiàn)的可能。