干货|安全系数---货架结构计算

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2020-12-14

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在货架设计过程中， 总会被问到设计的安全系数是多少？

安全系数 （factor of safety）是工程结构设计方法中用以反映结构安全程度的系数。 安全系数的确定需要考虑荷载、材料的力学性能、试验值和设计值与实际值的差别、计算模式和施工质量等各种不定性。 安全系数涉及工程的经济效益及结构破坏可能产生的后果，如生命财产和社会影响等诸因素。

要说清楚这个还真不简单。 首先我们先来看看 安全系数的两大体系：分项系数法和安全系数法。

01分项系数法

分项系数法是指把货架自重、托盘重以及各种活荷载分别都乘以一个加载系数，如货架自重加载系数1.2、托盘重加载系数1.4等，然后把这些加过系数的重量加载到货架上，计算出一个构件的实际应力，最后用材料的许用应力与算得的实际应力进行对比，只要实际应力小于许用应力，即可符合设计要求。

举例说明，一个货架，5层横梁，每层2吨，每个立柱片受到的实际荷载是：5*2=10吨，再考虑货架自重，假设单个立柱片+横梁的重量为500kg，则每个立柱片受到的实际最大荷载是10.5吨。但使用分项系数法时，不是按照10.5吨来计算货架，而是要按照1.2*0.5+1.4*10=14.6吨来计算，如果有一种立柱片最大临界荷载为16吨，那么14.6<16，这个设计是合格的。

02安全系数法

安全系数法相当于所有的单项荷载系数全部取1.0甚至是更低的系数，然后把这些的无系数的荷载加载到货架上，计算出一个构件的实际应力，最后材料的许用应力与实际应力的比值，需要大于某个值，比如1.4，这个就是安全系数。

举例说明，还是上面的那个货架，5层横梁，每层2吨，每个立柱片受到的实际最大荷载是10.5吨。使用安全系数法时，立柱片就按照实际荷载10.5吨来设计，如果有一种立柱片最大临界荷载为16吨，那么这个立柱片不能直接使用16，而是要按照16/1.4=11.4吨来使用，10.5<11.4，这个设计是合格的。

03两者区别

看到这里，感觉这两种方法就像文字游戏，不过是一个把系数加在前面，一个把系数加在后面，没太大区别。其实这两者之间最大的区别并不在系数加在前还是后，上面的例子由于荷载种类少且过于简单所以感觉不到太大区别，实质上其本质区别在于到底是1个单一的系数还是一组系数。

安全系数法采用了一个单一的安全系数来确定结构的可靠程度，而分项系数法，是把结构中各种分项荷载划分得更细更清楚，不同的单项荷载加载不同的系数，更为合理一些。

04安全系数取多少

当采用分项系数法时，是没有单一安全系数这个概念的，如果业主问了这个问题，你们的货架安全系数多少啊？我们只能以权重最大的货物托盘荷载的分项系数1.4作为静态安全系数，但如果业主又要问地震时或风力下的安全系数，这个就比较难估算了。我们以地震工况为例，货架自重、货物重和地震作用的分项系数分别是1.2、1.2和1.3，第一个1.2是货架自重的系数，考虑到货架自重较小，可忽略，但是第二个1.2是货物重的系数，第三个1.3是地震作用的系数，都是重要的不可省略的，那么安全系数到底是1.2还是1.3呢？提1.2不安全，提1.3就保守了，至于1.2和1.3之间的某个值，由于货物重和地震作用没有直接比例关系，无法插值，所以难以提供准确的安全系数值。而且抗震设计还有强度及稳定性修正系数，实际安全系数应该在1.0左右，更是不好解释。

那么为什么我们非要用分项系数法呢？不是有安全系数法可以用么？

那么回答就是：我们国家的结构荷载规范只有分项系数法，建筑结构荷载规范GB50009使用的是分项系数法，所以 我们货架领域GB/T28576，CECS23：90等也采用分项系数法，此外欧洲也是使用分项系数法 。因为没有安全系数可以用，所以才使用了分项系数法。

因此再碰到问货架安全系数的问题，如果说静态安全系数，可以勉强的用货物重的系数1.4来答复。为什么是1.4，目前世界上主流货架设计规范来自中国、欧洲、美国三地，这三种规范对货架的各种荷载安全系数要求有相同之处，也有不同之处，但对货物重这一静态最高权重的分项系数来说，中国、欧洲、美国均为1.4，故取1.4。但这仍是不准确的回复方式， 最完美的回答还是给业主讲清楚分项系数法及安全系数法的区别 ，否则用一个体系的内容去解释另一个体系，是无法得到准确的回答的。

注： 结构领域的安全系数法（许用应力法）主要是美国在采用，称之为ASD法，同时美国也同样使用分项系数法，称之为LRFD法。

美国建筑荷载规范ASCE7-10

总的来说，在美国建筑荷载规范中，有安全系数及分项系数两种体系，安全系数法比分项系数法略偏保守一点。

05安全(分项)系数到底是什么

虽然说前面介绍了两种方法来解释安全系数和分项系数的区别，但我们自己经常也会有疑问，为什么要加这个系数？这个问题与业主经常问的另一个问题本质是一样的，这个问题是：如果说货架静态安全系数是1.4，是不是说可以放1.4倍重的货物？

先说结论，不可以。

现有标准的结构设计都是采用以概率理论为基础的极限状态设计法，这个概率计算，就是以结构的失效概率来确定结构的可靠度。安全系数也好，分项系数也好，都是根据工程实践由统计概率进行确定的，比较拗口，通俗的来理解就是可靠度的概念，是系统不出现问题的几率。再通俗一点，打个不太准确但是好理解的比方， 货架如果有1.4系数，系统不出问题的概率可能是99.9%，如果1.2系数可能就只有99%，而1.0系数可能就只有90%了，结构出问题的几率大大增加，这在工程设计中是不允许的。

为什么会出现这样的情况？安全系数、分项系数是综合考虑了计算荷载及应力准确性、构件工作重要性、材料的可靠性以及必要的生产安装缺陷等因素，其中每一项都可能出现理论与实际不符合的情况，影响构件的实际强度，为了给货架安全使用留出安全裕度，这个系数是不可折减的，一旦折减，整个系统出现问题的几率就会大大增加，注意是出问题的几率大大增加，而不是一定会出问题，但是经过工程界多年的实践经验，一旦出现事故，后果都是不可承受的，系统的可靠度要求需要保持在一个很高的位置上。

以前有个货架界非常流行的视频，一排货架被叉车撞击了一下，结果造成连锁倒塌反应，整个库区的货架都毁于一旦，这样的货架就是安全系数不够导致的，立柱受力已经处于接近临界的状态，或者安全系数较低的状态，受到外力时，立柱受损，承载力下降，一旦下降到了低于临界状态，则会发生崩塌，如果该货架的安全系数较高，则不会存在损坏一根立柱导致整个货架连锁倒塌的状态。

06总结

安全系数或分项系数是保证货架安全所必不可少的，两者目标一致，但实现方式不同，最好不要混为一谈，否则会存在一些理解上的偏差。在国内， 通常采用分项系数法。

作者：刘吉涛

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