​库架合一式立体库因其高存储量、高性价比等优势，近年来在国内外市场颇受青睐
但目前库架合一式立体库设计尚不成熟，国内规范也并不完善，还存在诸多问题
本文以美国某库架合一式立体库工程为例，以美规AISC、ASCE、RMI为设计依据，介绍库架合一式立体库设计整体思路、设计步骤、荷载取值和组合、抗侧设计等，为同类工程设计提供参考
相对于库架分离式立体库，库架合一式立体库钢结构主体一般由高层货架（牛腿式、横梁式）、围护结构(屋面、墙面等)依附于货架主体钢结构体上形成库房
从结构角度分析，库房与货架合二为一整体受力，即库架合一式立体库钢结构既要承受内部荷载（托盘荷载、设备附加荷载等），又要承受外部荷载（风荷载、雪荷载、地震荷载、屋顶活荷载等）
作为库房，库架合一式立体库也要满足消防等建筑功能
本文以美国某库架合一式立体库工程为例，以美规AISC、ASCE、RMI为设计依据，介绍库架合一式立体库设计整体思路、设计步骤、荷载取值和组合、抗侧设计等，为同类工程设计提供参考
一、项目背景项目现场位于美国德克萨斯州，本自动化立体库的钢货架为库架合一立体库，仓库主体结构形式为牛腿式立体库，钢货架立柱结构用钢为Q345B冷弯薄壁型钢
结构主要参数如下：货架纵向（沿巷道方向）总长度为168.45m，总宽度为52.1m，其中，单深位（叉车在垂直巷道方向的存取货物深度为一个托盘）边列货架宽度为2.650m，单深位货架中列宽度为5.400m，沿横向，巷道总数为7个，巷道宽度为1.95m，货架之间由巷道分开，单体间顶部由三角屋架相连成整体，货架总高度为24.25m，屋顶总高度为27.55m，屋顶类型：坡度为5度的三角屋架
货架主体有8层货物，每层层高分别为2.915m，货物支撑在牛腿载重梁上，每个托盘货物重量为1500kg
库架合一式钢货架主体结构与围护结构（屋面及墙面）合为一体，共同承受荷载
本牛腿式库架合一式立体库是带支撑无侧移货架，通过垂直支撑保证结构的竖向稳定性
地震设防：结构抗震相关参数按ASCE 7查得，Ss:0.084，S1:0.029
场地类别：D类
风载信息：设计风速 60m/s
场地粗糙度：C类
本库架合一式立体库的特点：高度较高，载荷较大，柱片深度较大
主体结构组成：货架主体结构[立柱、载重梁、垂直支撑（背拉杆）、水平支撑，屋架（屋面支撑）、连杆等]，围护结构（屋面钢檩条、内外墙、墙面压型钢板、屋面压型钢板等）、排水系统（屋面檐沟、天沟、落水管等）及其他（钢楼梯、栏杆等）
二、总体设计思路库架合一式立体库货架设计基本思路首先是满足各专业功能的要求
同时，各专业需要协同工作，才能设计出合理的方案；其次，结构本身的合理非常重要
要选用承载能力高、抗风力及地震作用性能好的结构体系和方案，保证结构体系和结构构件的承载力、刚度和延性，做到受力明确、传力快捷，保证安全；第三必须考虑经济性；第四，结构方案要考虑施工方便，材料供应落实
库架合一式立体库货架体系的设计应当分两阶段设计：第一阶段，应当进行整体分析确定内力效应（轴力、弯矩、剪力）及变形（挠度、侧移）；第二阶段，应校核结构各构件，以确保各构件在承载能力极限状态下有足够的抵抗力（应力比），同时，保证在正常使用极限状态下的变形满足其限值
库架合一结构必须有连续的传力路径和完整、有足够强度的抗侧力体系
库架合一式立体库货架由冷成型构件组成，因此可以采用弹性整体分析法
但是，若经过试验确定节点具有非线性特性并且具有足够的转动能力，在整体弹性分析中，应考虑节点的非线性
本项目的设计依据：RMI2011（美国钢货架结构设计规范）；ASCE/SEI 7-05美国建筑结构荷载设计规范；ANSI/AISC 360-05美国钢结构规范
1.分析步骤库架合一式立体库货架结构的分析首先进行平行于巷道方向分析，再进行垂直于巷道方向分析
以一个平面框架为基础进行分析
立柱设计时，应考虑满载和部分加载两种条件
满载时要考虑缺陷效应的影响，缺陷效应会导致结构侧向稳定问题，立柱设计时，整体缺陷和局部缺陷均应考虑
对于一个常规的货架设计，仅考虑底层中部一根梁未加载，其余部分满载的加载方式
抗震设计时，巷道方向分析按80%载荷考虑，柱片方向按满载考虑
对于有支撑的货架，导致立柱单曲率的加载模式也应当考虑，如图1
2.荷载的取值对库架合一式立体库货架，作用在其上的荷载包括恒荷载、活荷载（托盘荷载、屋面荷载）、竖向冲击荷载、风荷载、地震荷载等
本项目荷载类型和取值具体如下：（1）恒荷载（D）框架主体荷载，所有结构构件的自重在内力分析时由程序自动计算
屋面荷载，屋面（包括保温、防水、檩条等）：0.50kN/m2；彩钢板：0.25kN/m2；屋顶风机：4.6KN(总共10个)
外墙荷载采用彩钢板：0.25kN/m2（2）托盘荷载（P）托盘荷载主要是指放置在货架上的货物和托盘的重量
本项目每托盘货物重量P为1500kg (15KN) 每托，计算柱片内力时，单层单榀竖向荷载为15KN，在横向，每个载重梁线荷载：P=15/2/2.405=3.12KN/m
在计算载重梁的强度和连接时，作用在其上的活荷载应考虑托盘活荷载的1.25倍的冲击系数，计算挠度变形时不考虑冲击系数的影响
（3）屋面活荷载（Lr）根据施工荷载、检修荷载来确定
规范规定，在屋面设计时，应考虑屋面活荷载、雨水荷载，根据其从属面积大小（在水平面的投影）进行折减
一般屋面活荷载取0.96kN/m2，屋面的水平投影面积=52.1X3.2=166.7m2>55.8 m2，对应从属面积的折减系数R1=0.6，屋面坡度=2169/26/83.28=1<4，对应屋面斜率的折减系数R2=1，屋面活荷载折减后Lr=0.96XR1XR2=0.58KN/m2
（4）雨水荷载（R）经计算，取为0.55kN/m2
因雨水荷载小于屋面活荷载，因此屋顶活荷载起控制作用
（5）竖向冲击载荷（I）放置于货架上的活荷载应考虑冲击荷载的影响
规范中规定的活荷载已考虑了一般的冲击荷载，但当结构构件承受叉车等机械设备的冲击荷载时，应将规范中的活荷载乘以放大系数来考虑冲击荷载
由于叉车存放货物时会对载重梁以及梁柱节点产生冲击力，本项目竖向冲击荷载按25%托盘荷载考虑
I=0.25x15=3.75kN，采用集中荷载施加在载重梁中心
同时，应通过适当的安全措施，避免由叉车或其他机械设备冲击引起的货架立柱损坏
（6）风荷载（W）风荷载通过屋面水平支撑传递到竖向支撑系统
ASCE7提供了简化计算和精确计算两种方法来确定设计风荷载
本文采用精确算法，即综合考虑结构内外压和阵风效应的计算方法
风压的取值与周围环境（地面粗糙度类型）和迎风面形状（体型系数）有关
风载体型系数根据风洞试验而确定
风荷载设计基本步骤：①根据ASCE7中50年一遇的基本风速，取地面以上10m以上、时距3s的风速值，本项目设计风速取为60m/s
②选取重要性系数为1.0
③根据周围环境，确定地面粗糙度类别，本项目取为C
④确定结构封闭程度，本项目为全封闭
⑤计算确定结构设计风荷载
风荷载相关参数如表1
（7）地震荷载（E）地震设计一般采用简化计算，把复杂的地震作用简化为等效的静力荷载施加到结构上
地震作用包括水平地震和竖向地震
通常，大跨度和长悬臂需要考虑竖向作用的影响
本项目可忽略竖向地震的影响，采用振型分解法来计算地震作用，通过软件输入反应谱，计算结构自振周期，确定地震反应系数
仓储结构至少考虑其楼面活载的25%
地震反应修正系数R根据支撑类型确定，本项目R取为4
响应修正系数：R=4.0;SMS=SSxFa=0.084x1.6=0.134，SM1=S1xFv=0.029x2.4=0.070，SDS=2/3 SMS=2/3X0.134=0.090，SD1=2/3SM1=2/3X0.070=0.046，Ts=SD1/SDS=0.046/0.090=0.511，T0=0.2xTs=0.102，通过软件绘制反应谱曲线（图2），得到地震反应系数
巷道方向和柱片方向竖向荷载组合保守取为D+0.67P+0.25L
3.荷载组合ASCE提供了两种强度设计方法（ASD、LFRD），本文采用LFRD（荷载抗力分项系数法），荷载系数和抗力系数通过可靠性、并结合工程经验确定
依据规范，综合考虑项目情况，荷载组合如表3
4.构件设计库架一体式立体库货架的主要承重构件是立柱和载重梁
柱肢平面外通过斜撑形成格构式柱片，同时在柱片侧面布置载重梁，柱肢平面内通过联系梁形成框架，同时设置被拉杆件，提高结构整体稳定性
（1）立柱设计立柱柱片按开孔的压弯构件设计，其设计过程需要考虑孔洞或槽的布置形式综合分析局部屈曲、整体弯扭屈曲、畸变屈曲以及缺陷
缺陷的影响通过试验方式获得
立柱的设计轴力是由外荷载所产生的竖向力，并需考虑到因倾斜引起的其他效应的影响放大情况
立柱片两柱肢由于水平荷载、竖向缺陷、二阶效应等导致受力不等，应校核受力较大立柱的平面外的弯扭屈曲
在进行立柱等竖向构件设计时，不考虑竖向冲击荷载的作用
（2）载重梁设计载重梁按受弯构件设计应考虑以下因素：局部屈曲、腹板压屈、侧向扭转、剪切滞后、翼缘翘曲、扭转等
对开口截面的货架载重梁，当弯矩作用在非对称平面内时，构件会有弯曲和扭转的组合作用，并且易发生侧向屈曲
同时，构件受到所承担竖向荷载的约束
三、有限元分析1.有限元模型的建立本库架合一式立体库货架采用有限元软件SAP2000建模分析
整体分析采用考虑二阶效应的三维有限元模型分析
钢货架在小震设计时，按弹性设计，不需要考虑材料、几何等非线性因素]
立柱采用柱单元按压弯构件考虑，横斜撑采用支撑单元按压杆构件考虑，载重梁采用梁单元按受弯构件考虑，背拉杆采用支撑单元按只拉不压构件考虑
采用SAP2000对库架合一式货架进行静力设计、抗震设计、抗风设计等
库架合一式钢货架整体有限元模型见图3
外部水平荷载（风荷载、地震荷载等）通过水平支撑传递水平荷载到竖向传力系统（垂直支撑），垂直支撑把水平荷载传递给立柱
水平支撑与垂直支撑的布置是相对应的，从而形成空间桁架，缩短传力路径，同时提高结构的整体稳定性
2.计算结果高层钢结构对高度比较敏感，因为钢结构顶点侧移是与结构高度的四次方成正比，因此，高层钢结构侧移影响尤为明显，P-Δ效应会使结构产生附加内力，使结构变得不安全
高层钢结构设计包括强度和稳定性校核，由于本工程风荷载较大（60m/s），所以风荷载起控制作用
严格控制风荷载下的层间位移角来保证结构的整体刚度
同时，尽量使刚度中心和质量中心重合，避免钢货架由于扭转而发生剪切破坏
风荷载侧移控制指标按H / 400考虑
巷道方向在风荷载下最大侧移14mm<24500/400= 61.25mm，柱片方向在风荷载下最大侧移33.6mm<24500/400=61.25mm，满足要求，如图4
四、结语库架合一式货架作为新型钢货架，既是货架又是库房建筑结构，使结构一体化，大大节约了钢材用料
因其重量轻、整体性好，更利于抗震
整体设计，统一施工，大大缩短设计、制造和施工周期
库架合一作为高层钢结构，稳定性控制显得尤为重要，严格控制侧移，保证结构的整体刚度，是结构设计的关键，此外经济性好，库房建筑结构大大节约