■ 文/蔡少齡

一、前言

《GB/T 7284-2016 框架木箱》、《GB/T 18925-2016 滑木箱》和《GB/T 12462-2016 普通木箱》三項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)已于2016年2月24日發(fā)布，并分別于同年5月15日、5月5日和5月15日實(shí)施。

這三個標(biāo)準(zhǔn)之中，《GB/T 7284-2016 框架木箱》標(biāo)準(zhǔn)是重中之重，是最基本的。其余兩個標(biāo)準(zhǔn)的制定都引用了它。只要搞清楚了這個標(biāo)準(zhǔn)中框架木箱設(shè)計的基本理念，滑木箱和普通木箱標(biāo)準(zhǔn)就不難理解了。所以，以下主要是對《GB/T 7284-2016 框架木箱》標(biāo)準(zhǔn)中框架木箱設(shè)計的基本理念進(jìn)行一個說明。

《GB/T 7284-2016 框架木箱》標(biāo)準(zhǔn)是對《GB/T 7284-1998 框架木箱》的修訂，而其最早的版本是《GB/T 7284-1987框架木箱》。在1987年之前，框架木箱的設(shè)計可參考的有我國機(jī)械工業(yè)部的標(biāo)準(zhǔn)《JB/Z 114-1982出口機(jī)床包裝箱》，以及前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)《ΓOCT10198-1978》、美軍的標(biāo)準(zhǔn)《MIL-C-104B》和日本的標(biāo)準(zhǔn)《JIS-Z 1403-1984 木質(zhì)框架式包裝箱》等。在制定《GB/T 7284-1987框架木箱》標(biāo)準(zhǔn)的時候，我們對這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了充分的比較，最后確定參考《JIS-Z 1403-1984 木質(zhì)框架式包裝箱》制定我們國家的框架木箱標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)時，考慮到我國國情與日本不同，為穩(wěn)妥起見，對設(shè)計的基本條件—頂蓋載荷和堆碼載荷以及滑木尺寸等的規(guī)定，基本上是參考這日本標(biāo)準(zhǔn)的前一版本《JIS-Z 1403-1976 木質(zhì)框架式包裝箱》。所以，《GB/T 7284-1987框架木箱》實(shí)際上才相當(dāng)于日本上個世紀(jì)七十年代的水平。

1998年在修訂《GB/T 7284-1987框架木箱》時，除了刪除了其中對外框架木箱的規(guī)定之外，其他沒太大的改動。

然而，由于森林資源的匱乏和世界物流環(huán)境的改善，日本的《JIS-Z 1403-1984 木質(zhì)框架式包裝箱》早已分別于1995年、2003年和2012年三次修訂標(biāo)準(zhǔn)，在保證產(chǎn)品安全的前提下再進(jìn)一步降低了木材的消耗。

所以，《GB/T 7284-1998 框架木箱》框架木箱等國家標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)很不利于節(jié)約和保護(hù)森林資源，同時也不適應(yīng)于我國包裝技術(shù)水平的發(fā)展。加之，制定《GB/T 7284-1987框架木箱》時我們所參考的重要標(biāo)準(zhǔn)《GB J5-1973 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范也經(jīng)過兩次修訂，成為《GB 50005-2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。

因此，《GB/T 7284-2016 框架木箱》對于1998年的標(biāo)準(zhǔn)作出了較大的修訂，其中主要內(nèi)容的變化如該標(biāo)準(zhǔn)的前言所述。以下就新標(biāo)準(zhǔn)中的一些重要規(guī)定作一些深度的解讀與說明。

二、木材的許用強(qiáng)度

木材的許用強(qiáng)度是木包裝箱設(shè)計時的重要依據(jù)。關(guān)于木材許用強(qiáng)度的確定，這是一個比較復(fù)雜的問題。一般資料，如《中國主要樹種的木材物理力學(xué)性質(zhì)》所給出的木材強(qiáng)度是采用沒有缺陷，含水率為15%的木材，對其施加靜載荷，測其強(qiáng)度數(shù)據(jù)的平均值，此稱為試驗(yàn)強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度或極限強(qiáng)度。

但是，由于木材總是存在著這樣或那樣的缺陷，而且即使是同一樹種，產(chǎn)地不同、樹齡不同、取材部位不同，其強(qiáng)度亦不同。再考慮到木材的木節(jié)和紋理，因干燥而收縮，對于公稱尺寸的實(shí)際尺寸大小，以及木箱在儲運(yùn)過程中所受到的沖擊等因素。所以，在設(shè)計木箱時不能直接套用木材的試驗(yàn)強(qiáng)度，而必須將試驗(yàn)強(qiáng)度打個折扣，換算成許用強(qiáng)度或設(shè)計強(qiáng)度。

至于這個折扣如何打，則與木材本身的情況和使用環(huán)境條件等有關(guān)，但由于考慮的方法不同而各有差異。所以，不同的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計手冊等資料中有不同的計算方法。

（一）日本包裝用木箱標(biāo)準(zhǔn)對木材許用強(qiáng)度的規(guī)定

首先，從試驗(yàn)強(qiáng)度計算出木材的基本強(qiáng)度：

基本強(qiáng)度=試驗(yàn)強(qiáng)度×變異率×沖擊載荷系數(shù)

其中，變異率是指由于木材的不均一性、因干燥而收縮以及相對于公稱尺寸的最小尺寸所產(chǎn)生的強(qiáng)度降低常數(shù)，取值3/4。

沖擊載荷系數(shù)是指相對于靜載荷，對起吊、跌落、振動等沖擊載荷的安全系數(shù)，取值1/3。

因此，基本強(qiáng)度的計算公式如下：

基本強(qiáng)度=試驗(yàn)強(qiáng)度×3/4×1/3=試驗(yàn)強(qiáng)度×1/4

表1 木材強(qiáng)度的降低率 (%)

然后，木材的許用強(qiáng)度是從基本強(qiáng)度減去木材缺陷所造成的降低率而得到的強(qiáng)度。木材缺陷的強(qiáng)度降低率如表1所示。計算時只考慮降低率較大的一方。

1、許用抗彎強(qiáng)度的計算

在日本，包裝用的木材一般是輻射松、鐵杉、落葉松等，其中試驗(yàn)強(qiáng)度最低的是輻射松，其抗彎的試驗(yàn)強(qiáng)度為68.65MPa。因此，基本抗彎強(qiáng)度可由下式算出：

基本抗彎強(qiáng)度=68.65×1/4=17.16（MPa）

根據(jù)表1。降低率較大的一方是：

徑向時，紋理傾斜度在1/10時為39%（日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，包裝用木材紋理傾斜度≤1/10，木節(jié)的大小占材寬≤1/3）；

弦向時，木節(jié)的大小占材寬1/3時為53%。

所以，由基本抗彎強(qiáng)度求許用抗彎強(qiáng)度時，可由下式算出：

2、許用順紋抗壓強(qiáng)度的計算

輻射松順紋抗壓的試驗(yàn)強(qiáng)度為32.36 MPa。因此，基本順紋抗壓強(qiáng)度可由下式算出：

根據(jù)表1。降低率較大的一方是紋理傾斜度為1/10時的26%，所以，由基本順紋抗壓強(qiáng)度求許用順紋抗壓強(qiáng)度時，可由下式算出：

圖1 木節(jié)和群生節(jié)直徑的測定

3、許用順紋抗拉強(qiáng)度的計算

輻射松順紋抗拉的試驗(yàn)強(qiáng)度為98.07 MPa。因此，基本順紋抗拉強(qiáng)度可由下式算出：

根據(jù)表1。降低率較大的一方是紋理傾斜度為1/10時的39%，所以，由基本順紋抗拉強(qiáng)度求許用順紋抗拉強(qiáng)度時，可由下式算出：

（二）《GB 50005-2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對木材許用強(qiáng)度的規(guī)定

《GB 50005-2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對普通木結(jié)構(gòu)用木材規(guī)定其樹種的強(qiáng)度等級如表2和表3所示。

在正常情況下，木材的強(qiáng)度設(shè)計值及彈性模量應(yīng)按表4采用。

該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定木材的強(qiáng)度設(shè)計值和彈性模量，在不同使用條件下尚應(yīng)乘以一定的調(diào)整系數(shù)，對于不同的設(shè)計使用年限也應(yīng)乘以相應(yīng)的調(diào)整系數(shù)（因?yàn)榻ㄖ锏氖褂媚晗拮疃?年，長則25年、50年、100年及以上），此外還有一些其他的調(diào)整系數(shù)，相當(dāng)復(fù)雜。

《GB 50005-2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》是對建筑木結(jié)構(gòu)的規(guī)定，木包裝箱不同于建筑物，因?yàn)槟景b箱與建筑物比起來，它是短期使用的。但是，它卻需要承受儲運(yùn)過程中的沖擊載荷。所以，《GB 50005-2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定對我們來說只能作為參考用。

（三）《GB/T 7284-2016 框架木箱》對木材許用強(qiáng)度的規(guī)定

考慮到我國幅員遼闊，各地所用木材的樹種、材質(zhì)等較復(fù)雜，而且其強(qiáng)度差距相當(dāng)大。如果像日本那樣以我們常用樹種中強(qiáng)度最低的樹種的許用強(qiáng)度為基礎(chǔ)，規(guī)定出各構(gòu)件的尺寸，對于一般樹種來說，勢必會導(dǎo)致構(gòu)件的尺寸過大，不利于木材強(qiáng)度的合理利用，也就是不利于木材的節(jié)約。

表2 針葉樹種木材適用的強(qiáng)度等級

表3 闊葉樹種木材適用的強(qiáng)度等級

表4 木材的強(qiáng)度設(shè)計值和彈性模量（N/mm2）

同時，又考慮到《中國主要樹種的木材物理力學(xué)性質(zhì)》中給出的各樹種的試驗(yàn)強(qiáng)度本身就是一個平均值。即使同一樹種，其實(shí)際的試驗(yàn)強(qiáng)度與該書給出的試驗(yàn)強(qiáng)度的差距亦相當(dāng)大。例如紅松木材的順紋抗壓強(qiáng)度為334 kgf/cm2，變異系數(shù)為12.5%，當(dāng)概率為99.7%時，其最大值按X+3V%估計為334×（1+3×125/100）=459 kgf/cm2；其最小值按X-3V%估計為334×（1-3×125/100）=208 kgf/cm2，最大值竟是最小值的2.2倍。

綜合考慮上面這些因素，我們將我國包裝箱常用書中的試驗(yàn)強(qiáng)度（具體可以參閱中國林業(yè)出版社在1982年10月出版的《中國主要樹種的木材物理力學(xué)性質(zhì)》一書，書中有制作框架木箱常見樹種木材的物理力學(xué)技術(shù)參數(shù)與相關(guān)數(shù)據(jù)。）進(jìn)行平均，再除以安全系數(shù)得許用強(qiáng)度。

至于這個安全系數(shù)，對我國的木材來說一般取3.5～6，考慮到包裝箱在儲運(yùn)過程中受力的特點(diǎn)及我國包裝用木材材質(zhì)一般較差等因素，在本標(biāo)準(zhǔn)中對抗彎及順紋抗拉強(qiáng)度，這個安全系數(shù)暫定為7，而對于順紋抗壓強(qiáng)度則定為5.5。表5就是根據(jù)這種考慮方法得出的包裝用木材的試驗(yàn)強(qiáng)度的平均值和許用強(qiáng)度。

木材受彎時，其許用強(qiáng)度與受力方向（即徑向使用和弦向使用）是有關(guān)的。一般徑向使用時的許用強(qiáng)度大于弦向使用時的許用強(qiáng)度（見前面的“1. 日本包裝用木箱標(biāo)準(zhǔn)對木材許用強(qiáng)度的規(guī)定”）。但是，因?yàn)樵趯?shí)際制箱過程中往往不注意這個問題，或木材本身的一些原因，即使分開規(guī)定也沒什么意義，所以在標(biāo)準(zhǔn)中不予以分別考慮，但在制箱時，對于彎曲構(gòu)件還是應(yīng)該盡可能采用徑向使用。

本標(biāo)準(zhǔn)中各圖表規(guī)定的構(gòu)件尺寸都是以表5的許用強(qiáng)度計算得出的。如果實(shí)際使用的樹種的試驗(yàn)強(qiáng)度與表5的試驗(yàn)強(qiáng)度平均值相差不大，則可以直接采用本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的構(gòu)件尺寸。否則，可根據(jù)實(shí)際使用樹種的試驗(yàn)強(qiáng)度除以本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全系數(shù)，得其許用強(qiáng)度。然后，以這實(shí)際使用樹種的許用強(qiáng)度與表5許用強(qiáng)度之比來調(diào)整構(gòu)件的尺寸，這在本標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)圖表下面的注中都有說明。

表5 包裝用木材的試驗(yàn)強(qiáng)度平均值和許用強(qiáng)度（MPa）

圖3 頂蓋載荷和堆碼載荷

三、頂蓋載荷和堆碼載荷

在儲運(yùn)過程中,包裝箱主要承受如圖3所示的兩種狀態(tài)的上部載荷。圖3的a）為頂蓋載荷，頂蓋載荷主要由橫梁等頂蓋構(gòu)件來承擔(dān)；圖3的b）為堆碼載荷，堆碼載荷主要由側(cè)面的框架結(jié)構(gòu)來承擔(dān)。這兩種載荷值的確定是根據(jù)儲運(yùn)條件來定的。

頂蓋載荷與堆碼載荷的確定是一個比較復(fù)雜而又慎重的問題，各國的標(biāo)準(zhǔn)一般都是從大量的儲運(yùn)情況中進(jìn)行統(tǒng)計，逐步摸索出來的。以下以日本的標(biāo)準(zhǔn)為例。

（一）頂蓋載荷

日本過去的標(biāo)準(zhǔn)中曾規(guī)定橫梁所承受的頂蓋載荷為250kgf/m2，結(jié)果設(shè)計出來的木箱在儲運(yùn)過程中橫梁的損壞經(jīng)常發(fā)生。后來，根據(jù)美國林產(chǎn)試驗(yàn)所的報告，對頂蓋載荷作了如下的假設(shè)：

1、相同尺寸的箱子堆碼在一起時，或利用比頂蓋寬度大的墊木在箱子上堆碼尺寸較小的箱子時，頂蓋載荷約為250kgf/m2。

2、不用墊木而將尺寸較小的箱子直接碼放在下面箱子的頂蓋上時，頂蓋載荷為500kgf/m2～850kgf/m2。

參考了這一點(diǎn)，日本在1976年修訂標(biāo)準(zhǔn)時，將頂蓋載荷規(guī)定為500 kgf/m2。但是，經(jīng)過十幾年的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)按500kgf/m2頂蓋載荷的橫梁已很少發(fā)現(xiàn)損壞，所以在1984年修訂標(biāo)準(zhǔn)時將500kgf/m2的頂蓋載荷改為400kgf/m2。

隨著世界各地儲運(yùn)條件的逐步改善，特別是集裝箱運(yùn)輸?shù)钠占埃?995年日本將流通條件分為1級和2級：

1級：適用于轉(zhuǎn)載次數(shù)多，有可能會受到非常大的外力時。主要是用散貨船進(jìn)行的出口運(yùn)輸，或即使是用集裝箱的出口運(yùn)輸?shù)珔s在碼頭裝集裝箱，或在目的地從集裝箱卸貨再配送的情況；

2級：適用于轉(zhuǎn)載次數(shù)少，沒有可能受到非常大的外力的情況。主要是國內(nèi)運(yùn)輸，或即使是出口運(yùn)輸?shù)捎玫氖羌b聯(lián)運(yùn)。

所以，1995年的日本標(biāo)準(zhǔn)中，1級的頂蓋載荷仍為400kgf/m2（3.9kPa），但2級的頂蓋載荷為1級的2/3，即265kgf/m2（2.6kPa）。2012年修訂標(biāo)準(zhǔn)時它們分別圓整成4.0kPa和2.7kPa。

我國《GB/T 7284-1987 框架木箱》根據(jù)我國的實(shí)際情況，對頂蓋載荷的規(guī)定是：頂蓋載荷按頂蓋面積規(guī)定為5.0kPa（510 kgf/m2）。1998版沒有動。2016版的規(guī)定為：作用于橫梁的頂蓋載荷按頂蓋面積計算，一級（流通環(huán)境）為4.5 kPa，二級（流通環(huán)境）為3.0 kPa，比日本標(biāo)準(zhǔn)保守一點(diǎn)。所以，按我國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計出的橫梁的截面尺寸會比按日本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的大一點(diǎn)。

（二）堆碼載荷

正如前面所說的，堆碼載荷主要由側(cè)面的框架結(jié)構(gòu)來承擔(dān)。實(shí)際上，在日本的標(biāo)準(zhǔn)中，堆碼載荷的大小是立柱的尺寸和數(shù)量設(shè)計的主要依據(jù)。堆碼載荷規(guī)定得大了會造成立柱的截面尺寸過大或立柱的數(shù)量過多，浪費(fèi)木材。反之，規(guī)定得小了會造成立柱的截面尺寸過小或立柱的數(shù)量過少，導(dǎo)致木箱框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，儲運(yùn)過程中容易被壓塌。

日本考慮到在散貨船的船艙中，一般越重越大的木箱堆碼在下面，越輕越小的木箱堆碼在上面。所以，在日本的標(biāo)準(zhǔn)中是根據(jù)內(nèi)裝物的重量來規(guī)定堆碼載荷的。這幾十年來，由于世界各地儲運(yùn)條件的改善，特別是集裝箱運(yùn)輸?shù)钠占埃瑯拥亩汛a載荷所相應(yīng)的內(nèi)裝物質(zhì)量越來越大，見表6。

從表6可以清楚地看出日本對堆碼載荷應(yīng)如何規(guī)定的摸索過程。

我國《GB/T 7284 框架木箱》對堆碼載荷的規(guī)定的變化情況如表7所示。

表6 日本標(biāo)準(zhǔn)中堆碼載荷與內(nèi)裝物質(zhì)量限制

表7 我國標(biāo)準(zhǔn)中堆碼載荷與內(nèi)裝物質(zhì)量限制

四、底座

底座是指框架木箱的底面，起安裝側(cè)面、端面及支承內(nèi)裝物的作用。在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了幾種結(jié)構(gòu)形式的底座，用戶可根據(jù)內(nèi)裝物的情況靈活選用。

底座的各構(gòu)件中，滑木是最重要的構(gòu)件之一，它應(yīng)該怎樣設(shè)計？這是在設(shè)計底座時首先遇到的問題。

（一）滑木的設(shè)計方法

在我國《JB/Z 114-1982 出口機(jī)床包裝箱》標(biāo)準(zhǔn)中，對滑木的設(shè)計是參照前蘇聯(lián)上個世紀(jì)50年代的標(biāo)準(zhǔn)中的滑木列線圖的設(shè)計方法，該設(shè)計方法是將滑木簡化為單純簡支梁的力學(xué)模式得出的，因此滑木用材非常多。前蘇聯(lián)在1978年修訂標(biāo)準(zhǔn)時已經(jīng)將列線圖的設(shè)計方法取消并做了較大的改進(jìn)，而我國卻一直沿用這一方法。

但是，滑木的設(shè)計還有另外一種方法，這種方法以日本和美軍的設(shè)計方法為代表，他們設(shè)計出的滑木用材比前蘇聯(lián)的少得多。若以MB1520磨床為例，分別按我國部標(biāo)、日本、美軍和前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計框架木箱，在底座的用材上，我國與前蘇聯(lián)的幾乎相同，而日本的最少，特別是滑木的用材僅為我國的35.3%。

為什么同是滑木，其用材卻有這么大的差別呢？這主要是基于兩種不同的考慮方法：一是把它視作彎曲構(gòu)件，即在用繩索起吊木箱時，滑木是以起吊點(diǎn)為支承點(diǎn)的梁，而內(nèi)裝物的載荷完全由它來承擔(dān)；二是把它視作拉伸構(gòu)件，即在用繩索起吊木箱時，把滑木看作是側(cè)面桁架的下弦材，因此內(nèi)裝物的載荷由滑木和側(cè)面來共同承擔(dān)。我國部標(biāo)和前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)屬前一類型，而美軍標(biāo)和日本標(biāo)準(zhǔn)屬后一類型。

至于哪種考慮方法對，我們認(rèn)為第二種方法對。因?yàn)榈谝环N考慮方法把滑木孤立起來對待，沒有考慮整個木箱的整體性。

（待續(xù)）