基于机械连接节点行为的货架结构连续性倒塌机理和设计方法

Storage racks are extensively used in fields such as warehouses and other short- or long-term storage facilities. In practise, rack structures may carry extremely high live loads with comparatively light weight and reach up to 40 meters in height. Therefore, the local damage caused by extreme events might lead to the progressive collapse of storage racks. The objective of this research is to investigate the progressive collapse behaviour of steel storage pallet racks. By means of experimental investigation, numerical simulation and analytical method, the behaviour of mechanical beam-to-upright connections under a central-column-removal scenario will be investigated with special emphasis on their sliding behaviour, finite element model incorporating fracture simulation will be established to reveal the influences of geometric details and span/height ratio of beams on the progressive collapse behaviour of connections, the component-based connection model will be proposed, the interaction behaviour between pallets and beams will be studied, a numerical model of the overall rack structure incorporating the connection model and the contact properties between pallets and beams will be developed, the internal force redistribution and the progressive mechanisms of storage racks caused by local failure will be revealed with emphasis on the influences of connection behaviour and pallet sliding. Based on the Alternative Path Method, the anti-collapse design methods of storage racks will be proposed. This research results will provide technical supports and practical methods for collapse control design of storage racks.

随着物流和电商行业飞速发展，作为重要仓储设备的货架结构得到广泛应用。货架结构具有超大活恒比和较低结构冗余度，因此一旦在非预期荷载作用下发生局部失效极易引发结构连续性倒塌。本项目以托盘横梁式货架结构为研究对象，以半刚性机械式梁柱节点在连续性倒塌工况下的力学行为作为切入点：在货架梁柱节点方面，利用节点子结构试验和精细化数值模拟，特别关注节点断裂失效和脱离等行为特征，掌握连续性倒塌工况下货架梁柱节点的力学行为，提出节点简化分析模型；在整体结构体系方面，结合托盘货物与货架结构相互作用，构建货架结构连续性倒塌全过程数值分析模型，明确货架结构连续性破坏机理与抗倒塌机制；在货架结构设计方面，基于框架结构抗连续性倒塌设计方法，结合货架结构特点，提出货架结构抗连续性倒塌设计流程与控制策略。本项目的研究成果将为货架结构抗连续性倒塌设计提供必要的理论依据与技术支持，从而进一步推进货架结构的安全设计和技术进步。

随着仓储和物流行业飞速发展，冷弯薄壁型钢货架结构应用越来越广泛，并逐步向库架合一式建筑发展。由于货架结构具有连续开孔宽翼缘立柱、半刚性部分强度连接节点、超大活恒载比值等特点，使得货架结构在构件或连接节点局部失效时较易发生连续性倒塌。近年来，冷弯薄壁型钢仓储结构连续性倒塌事故频有发生，但国内外针对货架结构的研究成果大多集中于结构静力性能和抗震性能，针对货架结构连续性倒塌的研究则相对较少。因此，本研究以托盘横梁式货架结构为具体研究对象，以半刚性机械式梁柱节点在连续性倒塌工况下的力学行为作为出发点，采用试验研究、数值模拟和理论分析的研究手段得到以下成果：（1）基于多种应力状态的材性试验和数值仿真研究成果，揭示了货架结构中常用的Q235和Q355冷弯薄壁型钢平板和角部材料延性断裂特征，阐释冷弯程度对材料断裂的影响机制，构建适用于冷弯薄壁型钢的材料延性断裂模型；（2）基于多参数节点子结构试验研究成果，揭示了常用的挂齿式节点、锁螺栓节点和全螺栓节点在连续性倒塌工况下的变形模式和破坏机理制，揭示了托盘货载对梁端内力效应和结构抗力机制发展的影响机理，阐释了立柱厚度、横梁高度、挂齿数目和螺栓数目、梁跨高比等关键参数对梁柱节点在结构局部失效后力学行为的影响规律；（3）基于材料和子结构试验研究成果，将断裂模型通过编写USDFLD子程序用于模拟材料断裂过程，构建考虑冷弯薄壁型钢材料断裂的精细化数值分析模型，提出节点断裂的数值模拟方法；（4）结合试验和精细化数值模拟结果，揭示梁端内力效应和结构抗力发展机制，明确子结构的变形模式与传力机理；（5）提出了货架结构抗连续性倒塌设计建议。本项目研究成果填补了我国货架结构抗连续性倒塌性能研究的空白，为货架结构抗连续性倒塌设计提供必要的手段与技术支持。