冷庫倉儲貨架系統的設計

冷鏈物流最重要的節點就是冷庫，而貨架是倉庫的基礎設備，貨架系統是冷庫內很普遍應用的一種貨物存儲結構。由于冷庫長期處于低溫、高濕及溫濕度變化頻繁的環境中，所以在進行倉儲貨架系統設計時，必須考慮溫度對貨架結構的影響，甚至還需要考慮倉儲貨架的防腐蝕性等。 
　　倉儲貨架系統處于低溫環境下，貨架鋼結構組件受低溫的影響而引起收縮以及受到貨架柱與基礎的約束時就要產生應力，即溫度應力，極易發生貨架鋼結構及其部件的脆性破壞。業內習慣上把低溫下的脆性破壞稱為“低溫冷脆現象”（低溫通常是指低于-15℃的溫度）。這種“低溫冷脆現象”主要表現為脆性破壞的突然性，沒有明顯的塑性變形，而且構件破壞時的承載能力很低。這就需要針對低溫環境中的倉儲貨架系統的設計與驗證提出科學的方法和設計理論。 
　　1. 選材依據 
　　目前，我國的《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）仍是通過控制鋼材的沖擊韌性指標對鋼結構的低溫斷裂進行控制的，無法對低溫脆性斷裂的發生進行準確的計算，存在著不合理的地方�！独鋸澅”谛弯摻Y構技術規范》（GB50018-2002）僅規定，用于承重結構的冷彎薄壁型鋼的帶鋼或鋼板，應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度、冷彎試驗和硫、磷含量的合格保證；對焊接結構應具有碳含量的合格保證缺乏詳細的規定與描述，僅從鋼材的牌號和材性去限定。 
　　我們分析，倉儲貨架系統中的梁部件、可調節地腳或者焊接地腳等多為焊接部件，存在一定的焊接殘余應力；而貨架型材，如立柱、橫梁、橫斜補等，多為冷彎加工，既存在彎角部的局部冷作硬化，也存在冷彎成型工藝性影響或沖壓工藝作用后的孔洞影響及其加工微裂紋等。但是否需要從考慮疲勞的角度進行貨架材料選用，這里是有爭論的。從材料選用的大原則來說，就是不能選用Q235的沸騰鋼作為主要材料用于冷庫環境下的倉儲貨架鋼結構系統。 
　　鋼材的沖擊韌性是指，處在簡支梁狀態的金屬試樣在沖擊負荷作用下折斷時的沖擊吸收功，是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，常用標準試樣的沖擊功Ak表示，它是衡量材料承受沖擊負荷的抗力指標。Ak值基本上是強度和塑性兩者的函數，當強度和塑性同時增加時，Ak值也隨之增加；當強度和塑性同時降低時，Ak值也會降低。不過，塑性的影響比強度要大些。鋼材的沖擊韌性與鋼材的化學成分、組織狀態，以及冶煉、加工等都有關系。例如，鋼材中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形成的微裂紋等都會使沖擊韌性顯著降低。沖擊韌性也隨溫度的降低而下降，其規律是：開始下降緩和，當達到一定溫度范圍時，突然下降很多而呈脆性，這種性質稱為鋼材的冷脆性。 
　　由此看來：冷庫環境下的倉儲貨架系統選用鋼材不當，易發生冷脆性的危害或者結構破壞的可能。我們常規選用的Q235-B是沒有低溫韌性要求的，Q235-B只保證在20℃的情況下的沖擊值，不適合在低溫條件下作為主要受力件使用。在冷庫環境下的倉儲貨架系統選用鋼材也不是簡單地確定為Q235D或者Q235E等。我們知道：Q235A，Q235B，Q235C，Q235D，Q235E，這是材料等級的區分，其所代表的主要是不同溫度條件下的鋼材沖擊韌性指標試驗保證，分別為：Q235A 級，是不做沖擊；Q235B 級，是20 ℃常溫沖擊；Q235C級，是0 ℃沖擊；Q235D級，是-20 ℃沖擊；Q235E，是-40℃沖擊。在不同的沖擊溫度，沖擊的數值也有所不同。而鋼材的元素含量：A、B、C、D的硫含量依次遞減；A和B 的磷含量相同，C的磷含量次之，D磷含量最少。同樣Q345系列也是如此。為此，必須依據實際使用冷庫的溫度環境，選擇具有相應溫度級別下的沖擊韌性的合格保證。 
　　2. 設計 
　　在實際倉儲貨架系統各組件結構的冷脆性破壞分析及其計算中，最具有代表性評價參數有兩個，即：構件的破壞強度，以及構件從塑性破壞向脆性破壞的臨界轉變溫度。而這個臨界轉變溫度是靠試驗確定的，這樣就增加了倉儲貨架系統在冷庫環境下的設計難度和不確定性。因此在沒有可靠數據和理論支撐的前提下，為避免此風險，必須改選抗低溫冷脆性較好的鋼材或者改變貨架的結構型式，而不能采取加大截面或者選用料更厚的材料來處理。即，沖擊韌性試驗或者報告主要用于選材和確定鋼的抗脆性破壞能力；或者根據鋼材的鐵素體晶粒大小進行計算和判定，鐵素體晶粒大小與脆性轉變溫度的關系如下式所示。 
　　T轉變=A-mD-1/2 
　　公式中：A、m為常數；D為鐵素體晶粒；T轉變為脆性轉變溫度。 
　　從公式中可以看出，鐵素體晶粒越小，脆性轉變溫度越低，低溫韌性越好。 
　　3. 試驗數據保證 
　　不是說鋼材的沖擊韌性指標合格，其設計強度指標就沒有變化，在一定溫度條件下，會隨著溫度的下降而降低。所以有必要測定相應鋼材試件從塑性破壞到脆性破壞的臨界轉變溫度T 和破壞強度f 。在試驗中，選擇相同結構型式和尺寸試件加工若干個，并分組（每組不少于3個）在不同溫度下進行。我們可以有選擇性地在實際的冷庫環境中進行低溫拉伸試驗，或者足尺實載試驗、沖擊韌性試驗，以判斷我們的設計合理性。實際上，就是將其轉化為強度折減的方法進行設計計算。即，在某個臨界溫度點（T轉變）假想的折減系數為1，凡是高于T 轉變的使用環境下就不需要考慮斷裂設計的情況，低于T轉變以下的某個范圍內則依據材料試驗結果擬定出強度折減影響系數，并依此來界定出相應冷庫環境下的倉儲貨架系統設計標準和強度折減影響系數；再依據常規貨架鋼結構設計方式和方法處理，從而實現倉儲貨架系統在冷庫環境下的合理、安全的應用。 
　　4. 結構措施 
　　由于溫度應力的客觀存在，尤其是貨架結構多由單元結構成組連接而形成較長的結構體，從而將各單元組所形成的溫度應力的聚集效應突顯并可能造成結構的破壞，故針對冷庫環境下的倉儲貨架整體結構特點，結合庫存作業及物流動向，可對倉儲貨架系統進行分塊處理，以減少結構整體受溫度應力的累積極限大值的影響，并在貨架結構中多采用間隙配合與裝配，或者在整體結構內嵌入長圓孔結構可調節長度與裝配尺寸的特殊單元、或可調節單元組架等輔助貨架單元，來適應環境溫度的變化與釋放溫度應力。即：在冷庫內的分塊貨架單元的縱向與橫向的中部選取一榀適當的貨架單元，通過這榀貨架單元將某塊貨架鋼結構分隔開來，然后將任一部分上的所有縱向構件、橫向構件與該榀貨架單元的連接節點都做成可滑動的連接節點，則這個整塊貨架結構在工作時可通過這些節點構造的滑動伸縮來釋放溫度應力。這些構件與貨架單元的連接節點采用了長圓孔加螺栓連接的做法，再加上貨架鋼結構自身的冷彎薄壁構件的彈性和柔性，極大地滿足了倉儲貨架系統在冷庫環境下的廣泛而有效應用。 
　　5. 其他可能影響因素的考慮 
　　如采用可調節高度的貨架底座，以減少地面不均勻性沉降對貨架結構強度的影響，采用與地面接觸部件先鍍鋅再烤漆處理的工藝，來有效提高貨架組件的耐潮濕耐腐蝕性，以確保倉儲貨架系統結構的完整性等，都在一定程度上有效保證了倉儲貨架系統在冷庫環境下的廣泛而有效應用。 
　　6. 使用的注意事項
　　使用冷庫時應防止貨架上存有大量的冰和水，如果有冰，清理時切不可使用硬物敲打，會損壞貨架。 使用中應注意防止硬物對貨架的碰撞和表面刮劃，不當操作可導致貨架局部的凹陷和銹蝕，嚴重的會造成貨架及其載貨的崩塌。
　　冷庫安裝完畢或長期停用后再次使用，降溫的速度要合理：每天控制在8-10℃為宜，并在0℃時應保持一段時間。定期檢查冷庫的密封性，在使用中對一些密封失效的部位及時修補，防止空氣和水分進入，平衡庫區整體溫度和濕度的一致性，杜絕溫濕差異造成庫區貨架內應力增加，發生冷脆性損毀事件。