乾貨|安全係數---貨架結構計算

　　導語

　　大家好，我是智能倉儲物流技術研習社的社長，老K。

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　　2020-12-14

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　　在貨架設計過程中， 總會被問到設計的安全係數是多少？

　　安全係數 （factor of safety）是工程結構設計方法中用以反映結構安全程度的係數。 安全係數的確定需要考慮荷載、材料的力學性能、試驗值和設計值與實際值的差別、計算模式和施工質量等各種不定性。 安全係數涉及工程的經濟效益及結構破壞可能產生的後果，如生命財產和社會影響等諸因素。

　　要說清楚這個還真不簡單。 首先我們先來看看 安全係數的兩大體系：分項係數法和安全係數法。

　　

　　01分項係數法

　　分項係數法是指把貨架自重、託盤重以及各種活荷載分別都乘以一個加載係數，如貨架自重加載係數1.2、託盤重加載係數1.4等，然後把這些加過係數的重量加載到貨架上，計算出一個構件的實際應力，最後用材料的許用應力與算得的實際應力進行對比，只要實際應力小於許用應力，即可符合設計要求。

　　舉例說明，一個貨架，5層橫梁，每層2噸，每個立柱片受到的實際荷載是：5*2=10噸，再考慮貨架自重，假設單個立柱片+橫梁的重量為500kg，則每個立柱片受到的實際最大荷載是10.5噸。但使用分項係數法時，不是按照10.5噸來計算貨架，而是要按照1.2*0.5+1.4*10=14.6噸來計算，如果有一種立柱片最大臨界荷載為16噸，那麼14.6<16，這個設計是合格的。

　　02安全係數法

　　安全係數法相當於所有的單項荷載係數全部取1.0甚至是更低的係數，然後把這些的無係數的荷載加載到貨架上，計算出一個構件的實際應力，最後材料的許用應力與實際應力的比值，需要大於某個值，比如1.4，這個就是安全係數。

　　舉例說明，還是上面的那個貨架，5層橫梁，每層2噸，每個立柱片受到的實際最大荷載是10.5噸。使用安全係數法時，立柱片就按照實際荷載10.5噸來設計，如果有一種立柱片最大臨界荷載為16噸，那麼這個立柱片不能直接使用16，而是要按照16/1.4=11.4噸來使用，10.5<11.4，這個設計是合格的。

　　03兩者區別

　　看到這裡，感覺這兩種方法就像文字遊戲，不過是一個把係數加在前面，一個把係數加在後面，沒太大區別。其實這兩者之間最大的區別並不在係數加在前還是後，上面的例子由於荷載種類少且過於簡單所以感覺不到太大區別，實質上其本質區別在於到底是1個單一的係數還是一組係數。

　　安全係數法採用了一個單一的安全係數來確定結構的可靠程度，而分項係數法，是把結構中各種分項荷載劃分得更細更清楚，不同的單項荷載加載不同的係數，更為合理一些。

　　

　　04安全係數取多少

　　當採用分項係數法時，是沒有單一安全係數這個概念的，如果業主問了這個問題，你們的貨架安全係數多少啊？我們只能以權重最大的貨物託盤荷載的分項係數1.4作為靜態安全係數，但如果業主又要問地震時或風力下的安全係數，這個就比較難估算了。我們以地震工況為例，貨架自重、貨物重和地震作用的分項係數分別是1.2、1.2和1.3，第一個1.2是貨架自重的係數，考慮到貨架自重較小，可忽略，但是第二個1.2是貨物重的係數，第三個1.3是地震作用的係數，都是重要的不可省略的，那麼安全係數到底是1.2還是1.3呢？提1.2不安全，提1.3就保守了，至於1.2和1.3之間的某個值，由於貨物重和地震作用沒有直接比例關係，無法插值，所以難以提供準確的安全係數值。而且抗震設計還有強度及穩定性修正係數，實際安全係數應該在1.0左右，更是不好解釋。

　　

　　那麼為什麼我們非要用分項係數法呢？不是有安全係數法可以用麼？

　　那麼回答就是：我們國家的結構荷載規範只有分項係數法，建築結構荷載規範GB50009使用的是分項係數法，所以 我們貨架領域GB/T28576，CECS23：90等也採用分項係數法，此外歐洲也是使用分項係數法 。因為沒有安全係數可以用，所以才使用了分項係數法。

　　因此再碰到問貨架安全係數的問題，如果說靜態安全係數，可以勉強的用貨物重的係數1.4來答覆。為什麼是1.4，目前世界上主流貨架設計規範來自中國、歐洲、美國三地，這三種規範對貨架的各種荷載安全係數要求有相同之處，也有不同之處，但對貨物重這一靜態最高權重的分項係數來說，中國、歐洲、美國均為1.4，故取1.4。但這仍是不準確的回覆方式， 最完美的回答還是給業主講清楚分項係數法及安全係數法的區別 ，否則用一個體系的內容去解釋另一個體系，是無法得到準確的回答的。

　　註： 結構領域的安全係數法（許用應力法）主要是美國在採用，稱之為ASD法，同時美國也同樣使用分項係數法，稱之為LRFD法。

　　

　　

　　美國建築荷載規範ASCE7-10

　　總的來說，在美國建築荷載規範中，有安全係數及分項係數兩種體系，安全係數法比分項係數法略偏保守一點。

　　05安全(分項)係數到底是什麼

　　雖然說前面介紹了兩種方法來解釋安全係數和分項係數的區別，但我們自己經常也會有疑問，為什麼要加這個係數？這個問題與業主經常問的另一個問題本質是一樣的，這個問題是：如果說貨架靜態安全係數是1.4，是不是說可以放1.4倍重的貨物？

　　先說結論，不可以。

　　現有標準的結構設計都是採用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，這個概率計算，就是以結構的失效概率來確定結構的可靠度。安全係數也好，分項係數也好，都是根據工程實踐由統計概率進行確定的，比較拗口，通俗的來理解就是可靠度的概念，是系統不出現問題的機率。再通俗一點，打個不太準確但是好理解的比方， 貨架如果有1.4係數，系統不出問題的概率可能是99.9%，如果1.2係數可能就只有99%，而1.0係數可能就只有90%了，結構出問題的機率大大增加，這在工程設計中是不允許的。

　　為什麼會出現這樣的情況？安全係數、分項係數是綜合考慮了計算荷載及應力準確性、構件工作重要性、材料的可靠性以及必要的生產安裝缺陷等因素，其中每一項都可能出現理論與實際不符合的情況，影響構件的實際強度，為了給貨架安全使用留出安全裕度，這個係數是不可折減的，一旦折減，整個系統出現問題的機率就會大大增加，注意是出問題的機率大大增加，而不是一定會出問題，但是經過工程界多年的實踐經驗，一旦出現事故，後果都是不可承受的，系統的可靠度要求需要保持在一個很高的位置上。

　　以前有個貨架界非常流行的視頻，一排貨架被叉車撞擊了一下，結果造成連鎖倒塌反應，整個庫區的貨架都毀於一旦，這樣的貨架就是安全係數不夠導致的，立柱受力已經處於接近臨界的狀態，或者安全係數較低的狀態，受到外力時，立柱受損，承載力下降，一旦下降到了低於臨界狀態，則會發生崩塌，如果該貨架的安全係數較高，則不會存在損壞一根立柱導致整個貨架連鎖倒塌的狀態。

　　06總結

　　安全係數或分項係數是保證貨架安全所必不可少的，兩者目標一致，但實現方式不同，最好不要混為一談，否則會存在一些理解上的偏差。在國內， 通常採用分項係數法。

　　作者：劉吉濤

　　智能倉儲物流技術研習社

　　圍繞廠內物流Intralogisitics，分享倉儲物流自動化技術、設備、系統等知識，暢談智能倉儲物流的未來和去向。專欄包括智能倉儲物流自動化規劃設計，自動化立體庫、智慧機器人，自動化揀選系統，倉儲管理軟體WMS，AGV應用等等一系列熱點內容。

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