冷库仓储货架系统的设计

冷链物流最重要的节点就是冷库，而货架是仓库的基础设备，货架系统是冷库内很普遍应用的一种货物存储结构。由于冷库长期处于低温、高湿及温湿度变化频繁的环境中，所以在进行仓储货架系统设计时，必须考虑温度对货架结构的影响，甚至还需要考虑仓储货架的防腐蚀性等。 
　　仓储货架系统处于低温环境下，货架钢结构组件受低温的影响而引起收缩以及受到货架柱与基础的约束时就要产生应力，即温度应力，极易发生货架钢结构及其部件的脆性破坏。业内习惯上把低温下的脆性破坏称为“低温冷脆现象”（低温通常是指低于-15℃的温度）。这种“低温冷脆现象”主要表现为脆性破坏的突然性，没有明显的塑性变形，而且构件破坏时的承载能力很低。这就需要针对低温环境中的仓储货架系统的设计与验证提出科学的方法和设计理论。 
　　1. 选材依据 
　　目前，我国的《钢结构设计规范》（GB50017-2003）仍是通过控制钢材的冲击韧性指标对钢结构的低温断裂进行控制的，无法对低温脆性断裂的发生进行准确的计算，存在着不合理的地方。《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）仅规定，用于承重结构的冷弯薄壁型钢的带钢或钢板，应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度、冷弯试验和硫、磷含量的合格保证；对焊接结构应具有碳含量的合格保证缺乏详细的规定与描述，仅从钢材的牌号和材性去限定。 
　　我们分析，仓储货架系统中的梁部件、可调节地脚或者焊接地脚等多为焊接部件，存在一定的焊接残余应力；而货架型材，如立柱、横梁、横斜补等，多为冷弯加工，既存在弯角部的局部冷作硬化，也存在冷弯成型工艺性影响或冲压工艺作用后的孔洞影响及其加工微裂纹等。但是否需要从考虑疲劳的角度进行货架材料选用，这里是有争论的。从材料选用的大原则来说，就是不能选用Q235的沸腾钢作为主要材料用于冷库环境下的仓储货架钢结构系统。 
　　钢材的冲击韧性是指，处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时的冲击吸收功，是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击功Ak表示，它是衡量材料承受冲击负荷的抗力指标。Ak值基本上是强度和塑性两者的函数，当强度和塑性同时增加时，Ak值也随之增加；当强度和塑性同时降低时，Ak值也会降低。不过，塑性的影响比强度要大些。钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、组织状态，以及冶炼、加工等都有关系。例如，钢材中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。冲击韧性也随温度的降低而下降，其规律是：开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。 
　　由此看来：冷库环境下的仓储货架系统选用钢材不当，易发生冷脆性的危害或者结构破坏的可能。我们常规选用的Q235-B是没有低温韧性要求的，Q235-B只保证在20℃的情况下的冲击值，不适合在低温条件下作为主要受力件使用。在冷库环境下的仓储货架系统选用钢材也不是简单地确定为Q235D或者Q235E等。我们知道：Q235A，Q235B，Q235C，Q235D，Q235E，这是材料等级的区分，其所代表的主要是不同温度条件下的钢材冲击韧性指标试验保证，分别为：Q235A 级，是不做冲击；Q235B 级，是20 ℃常温冲击；Q235C级，是0 ℃冲击；Q235D级，是-20 ℃冲击；Q235E，是-40℃冲击。在不同的冲击温度，冲击的数值也有所不同。而钢材的元素含量：A、B、C、D的硫含量依次递减；A和B 的磷含量相同，C的磷含量次之，D磷含量最少。同样Q345系列也是如此。为此，必须依据实际使用冷库的温度环境，选择具有相应温度级别下的冲击韧性的合格保证。 
　　2. 设计 
　　在实际仓储货架系统各组件结构的冷脆性破坏分析及其计算中，最具有代表性评价参数有两个，即：构件的破坏强度，以及构件从塑性破坏向脆性破坏的临界转变温度。而这个临界转变温度是靠试验确定的，这样就增加了仓储货架系统在冷库环境下的设计难度和不确定性。因此在没有可靠数据和理论支撑的前提下，为避免此风险，必须改选抗低温冷脆性较好的钢材或者改变货架的结构型式，而不能采取加大截面或者选用料更厚的材料来处理。即，冲击韧性试验或者报告主要用于选材和确定钢的抗脆性破坏能力；或者根据钢材的铁素体晶粒大小进行计算和判定，铁素体晶粒大小与脆性转变温度的关系如下式所示。 
　　T转变=A-mD-1/2 
　　公式中：A、m为常数；D为铁素体晶粒；T转变为脆性转变温度。 
　　从公式中可以看出，铁素体晶粒越小，脆性转变温度越低，低温韧性越好。 
　　3. 试验数据保证 
　　不是说钢材的冲击韧性指标合格，其设计强度指标就没有变化，在一定温度条件下，会随着温度的下降而降低。所以有必要测定相应钢材试件从塑性破坏到脆性破坏的临界转变温度T 和破坏强度f 。在试验中，选择相同结构型式和尺寸试件加工若干个，并分组（每组不少于3个）在不同温度下进行。我们可以有选择性地在实际的冷库环境中进行低温拉伸试验，或者足尺实载试验、冲击韧性试验，以判断我们的设计合理性。实际上，就是将其转化为强度折减的方法进行设计计算。即，在某个临界温度点（T转变）假想的折减系数为1，凡是高于T 转变的使用环境下就不需要考虑断裂设计的情况，低于T转变以下的某个范围内则依据材料试验结果拟定出强度折减影响系数，并依此来界定出相应冷库环境下的仓储货架系统设计标准和强度折减影响系数；再依据常规货架钢结构设计方式和方法处理，从而实现仓储货架系统在冷库环境下的合理、安全的应用。 
　　4. 结构措施 
　　由于温度应力的客观存在，尤其是货架结构多由单元结构成组连接而形成较长的结构体，从而将各单元组所形成的温度应力的聚集效应突显并可能造成结构的破坏，故针对冷库环境下的仓储货架整体结构特点，结合库存作业及物流动向，可对仓储货架系统进行分块处理，以减少结构整体受温度应力的累积极限大值的影响，并在货架结构中多采用间隙配合与装配，或者在整体结构内嵌入长圆孔结构可调节长度与装配尺寸的特殊单元、或可调节单元组架等辅助货架单元，来适应环境温度的变化与释放温度应力。即：在冷库内的分块货架单元的纵向与横向的中部选取一榀适当的货架单元，通过这榀货架单元将某块货架钢结构分隔开来，然后将任一部分上的所有纵向构件、横向构件与该榀货架单元的连接节点都做成可滑动的连接节点，则这个整块货架结构在工作时可通过这些节点构造的滑动伸缩来释放温度应力。这些构件与货架单元的连接节点采用了长圆孔加螺栓连接的做法，再加上货架钢结构自身的冷弯薄壁构件的弹性和柔性，极大地满足了仓储货架系统在冷库环境下的广泛而有效应用。 
　　5. 其他可能影响因素的考虑 
　　如采用可调节高度的货架底座，以减少地面不均匀性沉降对货架结构强度的影响，采用与地面接触部件先镀锌再烤漆处理的工艺，来有效提高货架组件的耐潮湿耐腐蚀性，以确保仓储货架系统结构的完整性等，都在一定程度上有效保证了仓储货架系统在冷库环境下的广泛而有效应用。 
　　6. 使用的注意事项
　　使用冷库时应防止货架上存有大量的冰和水，如果有冰，清理时切不可使用硬物敲打，会损坏货架。 使用中应注意防止硬物对货架的碰撞和表面刮划，不当操作可导致货架局部的凹陷和锈蚀，严重的会造成货架及其载货的崩塌。
　　冷库安装完毕或长期停用后再次使用，降温的速度要合理：每天控制在8-10℃为宜，并在0℃时应保持一段时间。定期检查冷库的密封性，在使用中对一些密封失效的部位及时修补，防止空气和水分进入，平衡库区整体温度和湿度的一致性，杜绝温湿差异造成库区货架内应力增加，发生冷脆性损毁事件。