■ 文/蔡少齡

續(xù)2018年4月刊第33頁《深度解讀《GBT7284-2016框架木箱》標(biāo)準(zhǔn)（二）》

1.根據(jù)《GB J5-1973 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》導(dǎo)出《GB/T 7284-1987框架木箱》木箱立柱壓曲系數(shù)計算公式

對于木材的壓曲問題，我國曾經(jīng)做過大量細(xì)致的研究工作，做了大量的軸心壓桿試驗，并對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得出，壓曲系數(shù)φ值。曲線隨樹種的不同而不同，但基本可歸納為下面的A、B和C三條曲線，如圖13所示。

圖13　我國木材的壓縮系數(shù)φ值

對于針葉樹材，A曲線適用于E≥10000 MPa，fc/ fb≥0.94；B曲線適用于E≥10000 MPa，fc/ fb≥0.9；C曲線適用于E≥8500 MPa，fc/ fb≥0.8。

對于闊葉樹材，應(yīng)按上述標(biāo)準(zhǔn)降低一條曲線采用。

其中，E ——彈性模量；

fc——許用順紋抗壓強(qiáng)度；

fb——許用抗彎強(qiáng)度。

當(dāng)然，這個fc和fb值是指木建筑設(shè)計中的許用強(qiáng)度值，與木包裝箱設(shè)計中的許用強(qiáng)度值可能有所不同。另一方面，從這3條曲線的比較可知，在相同長細(xì)比的情況下，A曲線算出的許用壓曲強(qiáng)度最大，亦即構(gòu)件所需的尺寸最小，而由C曲線算出的許用壓曲強(qiáng)度最小，即構(gòu)件所需的尺寸最大。

在木箱的設(shè)計中，若根據(jù)樹種的不同而分別采用這3條曲線計算，勢必會給設(shè)計工作增加許多麻煩。既然在規(guī)定木材的許用強(qiáng)度是已經(jīng)考慮到平均值這一概念，所以為簡化設(shè)計，我們只采用處于中間的B曲線。

此外，再根據(jù)《GB J5-1973 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，受壓構(gòu)件的計算長度等于實(shí)際長度乘以下列不同支持點(diǎn)狀態(tài)條件的末端系數(shù)：

·兩端鉸支： 1.0；

·一端固定，一端自由：2.0；

·一端固定，一端鉸支：0.8。

但是，框架木箱立柱的支持點(diǎn)狀態(tài)條件與上述的不同，《JIS-Z 1403-1984 木質(zhì)框架式包裝箱》認(rèn)為它屬于兩端輕度固定，立柱的計算長度等于實(shí)際長度乘以0.9，如圖14的d)所示。

圖14　支持點(diǎn)狀態(tài)條件

這樣，我們就可以將《GB J5-1973 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的φ值計算式進(jìn)行修正，然后用于木箱的設(shè)計?！禛B J5-1973 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中B曲線的φ值計算式為：

當(dāng)λ≤78.5時：

當(dāng)λ＞78.5時：

式中，λ——有效長細(xì)比（λ= l / k ）；

l ——立柱長度，cm；

k——回轉(zhuǎn)半徑，cm。

式中，I ——截面慣性矩（I = bt3/12）；

b ——立柱截面寬，cm；

t ——立柱截面厚，cm；

A ——立柱截面積，cm2,（A = bt）。

將式（3）分別代入式（1）和式（2）得：

先將式（3）、式（4）和式（5）中的l改為計算長度le，然后將圖10的d) le= 0.9 l代入其中，得有效長細(xì)比λ：

由上式得到在木箱設(shè)計時區(qū)分長柱和中柱的長細(xì)比為：

由式（4）得，當(dāng) ≤25.2時為中柱，其壓曲系數(shù)為：

由式（5）得，當(dāng) ＞25.2時為長柱，其壓曲系數(shù)為：

式（6）和式（7）分別乘以木材的許用抗壓強(qiáng)度fc就是《GB/T 7284-1987 框架木箱》立柱設(shè)計時的許用壓曲強(qiáng)度計算公式。其中l(wèi)是柱的高，即箱的內(nèi)高；t是柱的厚（立柱的厚加上輔助立柱的厚和箱板厚）。

式（7）和日本框架木箱立柱設(shè)計用的公式幾乎相同，只是長細(xì)比的范圍不同而已。如果將式（6）和式（7）和日本、美國所用的計算式進(jìn)行比較，則如圖15所示。

圖15　框架木箱設(shè)計用的φ — l / t 圖

從圖15 可以看出，我們《GB/T 7284-1987 框架木箱》用的計算式與日本《JIS-Z 1403-1984 木質(zhì)框架式包裝箱》的計算式相近，比《JIS-Z 1403-1976 木質(zhì)框架式包裝箱》的計算式節(jié)省木材，但都不如美國的節(jié)省木材。從圖15還可以看出《JIS-Z 1403-1984 木質(zhì)框架式包裝箱》的φ — l / t 曲線從短柱到中柱的過渡是一個折線，這是很不合理的；而《GB/T 7284-1987 框架木箱》的φ — l / t 曲線從短柱到中柱的過渡是很圓滑的，是漸變的，是合理的。

2.根據(jù)《GB 50005-2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》修正《GB/T 7284-1987 框架木箱》木箱立柱設(shè)計計算公式

前面已經(jīng)提到，《GB J5-1973 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》現(xiàn)修訂成《GB 50005-2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。其中建筑用的立柱壓曲系數(shù)計算公式已做了修改。所以，我們在制定《GB/T 7284-2016 框架木箱》時，也必須對木箱立柱設(shè)計的計算公式做出相應(yīng)修改。

《GB 50005-2003 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的5.1.4條規(guī)定，軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)（即前面提到的φ值），應(yīng)根據(jù)不同的樹種強(qiáng)度等級按下列的公式計算：

①樹種強(qiáng)度等級為TC17、TC15及TB20：

當(dāng)λ≤75時：

當(dāng)λ＞75時：

②樹種強(qiáng)度等級為TC13、TC11、TB17、TB15、TB13及TB11：

當(dāng)λ≤91時：

當(dāng)λ＞91時：

式中各符號的意義同式（2）和式（3）。

包裝用木材的樹種一般接近于②的樹種強(qiáng)度等級，而且式（11）和式（12）也比較接近于《GB J5-1973 木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中B曲線的φ值計算式（2）和式（3）。所以，我們采用②的樹種強(qiáng)度等級的計算公式。

將式（11）和式（12）此兩式與式（2）和式（3）比較可知，不但公式內(nèi)的常數(shù)有所變化，而且區(qū)分長柱和中柱的有效長細(xì)比λ值也有變化，從78.5變成91。所以，我們按前面相同的步驟將式（4）分別代入式（11）和式（12）得：

先將式（4）、式（13）和式（14）中的l改為計算長度le，然后將圖9的d) le= 0.9 l代入其中，得有效長細(xì)比λ：

由上式得出在木箱設(shè)計時區(qū)分長柱和中柱的長細(xì)比為：

由式（12）得，當(dāng)≤29.2時為中柱，其壓曲系數(shù)為：

由式（13）得，當(dāng)＞29.2時為長柱，其壓曲系數(shù)為：

式（14）和式（15）分別乘以木材的許用抗壓強(qiáng)度fc就是《GB/T 7284-2016 框架木箱》立柱設(shè)計時的許用壓曲強(qiáng)度計算公式：

當(dāng) ≤29.2時為中柱，其許用壓曲強(qiáng)度為：

當(dāng) ＞29.2時為長柱，其許用壓曲強(qiáng)度為：

式中，fk——柱的許用壓曲強(qiáng)度，MPa；

fc——木材的許用抗壓強(qiáng)度，MPa；

l ——箱的內(nèi)高，mm；

t ——柱（包括立柱、輔助立柱和側(cè)板）的厚度，mm。

注意，式（17）和式（18）中的t不僅僅是立柱的厚度，而且還要加上箱板的厚度和輔助立柱的厚度（如果有輔助立柱時），也就是說將緊貼立柱的箱板的與立柱同寬的部分也作為承受堆碼載荷的受壓構(gòu)件來考慮。

由于作用于木箱每一個側(cè)面上的載荷為堆碼載荷的1/2，所以施加于側(cè)面每根柱的堆碼載荷P可由下式求得，見圖16。

圖16　側(cè)面每根柱的堆碼載荷

P（kN） = 【 堆碼載荷（kPa）×箱的外寬（m）×側(cè)立柱中心距（m）】 / 2

對于上式中的P，立柱、輔助立柱和側(cè)板（取與立柱相同的寬度）所需的截面積（A）按下式計算：

式中，fk是木材許用壓曲強(qiáng)度（fk= φ·fc）。因此，側(cè)面每一根柱的許用壓曲載荷Pk由下式求出：

本標(biāo)準(zhǔn)文件中附錄A的圖A.4～圖A.8的直線，表示相對于各種尺寸側(cè)面立柱的中心距和箱的外寬，每根柱的堆碼載荷P；而曲線則表示相應(yīng)于各種尺寸箱的內(nèi)高，許用壓曲強(qiáng)度fk與柱的截面積A相乘所得的許用壓曲載荷Pk。如何利用這些曲線去設(shè)計立柱和輔助立柱的尺寸，在圖A.4的注中已有說明，此處不再贅述。

為方便設(shè)計，我們將圖A.4～圖A.8編制成本標(biāo)準(zhǔn)文件中的表11框架構(gòu)件尺寸代號確定表，表中的框架構(gòu)件尺寸代號就是從圖A.4～圖A.8查得的。尺寸代號所代表的尺寸可在本標(biāo)準(zhǔn)文件中的表12查到。

3.日本建筑基準(zhǔn)法（1981年實(shí)施）和《JIS-Z 1403-2012 木質(zhì)框架式包裝箱》的許用壓曲強(qiáng)度計算公式

以下列出日本建筑基準(zhǔn)法和《JIS-Z 1403-2012 木質(zhì)框架式包裝箱》的許用壓曲強(qiáng)度計算公式以供參考：

①日本建筑基準(zhǔn)法（1981年實(shí)施）的許用壓曲強(qiáng)度計算公式：

短柱：當(dāng) λ≤30 時

中柱：當(dāng) 30＜λ≤100 時

長柱：當(dāng) λ＞100 時

②《JIS-Z 1403-2012 木質(zhì)框架式包裝箱》的許用壓曲強(qiáng)度計算公式。

式中各代號的意義和前面的相同。

（四）側(cè)面和端面的其他構(gòu)件

側(cè)面和端面的箱板的厚度在本標(biāo)準(zhǔn)文件的表5中已經(jīng)列出。

另外，前面在介紹框架結(jié)構(gòu)的尺寸時提到，以前我們的框架木箱既無輔助立柱又無梁承，橫梁只靠釘子釘在側(cè)上框木上，以致橫梁在儲運(yùn)過程中很容易塌下，損壞內(nèi)裝物。所以，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要使用梁承。

梁承起支承橫梁的作用，它是用釘釘在立柱和斜撐上的，其位置是從側(cè)上框木的上緣算起，僅讓出橫梁的厚度。它與側(cè)上框木有重疊時，要用釘將兩者釘住，見本標(biāo)準(zhǔn)文件的圖18。

設(shè)計梁承的截面尺寸時，我們將梁承看作是彎曲構(gòu)件，見圖17。橫梁作用在位于兩側(cè)立柱中間的梁承上，其載荷的大小就是作用在一根橫梁上的頂蓋載荷，設(shè)橫梁的中心矩為600mm就可以得出梁承的截面尺寸計算公式，如本標(biāo)準(zhǔn)文件中的附錄A的A.3 。為便于設(shè)計，本標(biāo)準(zhǔn)將此計算式轉(zhuǎn)化成本標(biāo)準(zhǔn)文件中的圖20，其使用方法見該圖的注。

圖17　梁承的受力情況

六、頂蓋

頂蓋安裝在側(cè)面和端面之上，頂蓋的設(shè)計首先是橫梁的設(shè)計。

（一）橫梁的設(shè)計方法

橫梁除承受圖3所示的頂蓋載荷之外，還要承受如圖18所示的起吊繩索的擠壓載荷。但是，只要起吊繩索足夠長，繩索與箱面的夾角很大，這個擠壓力是很小的。所以，橫梁承受頂蓋載荷時，其所需的截面尺寸要比它承受起吊繩索的擠壓載荷所需的截面尺寸大得多。因此，橫梁的設(shè)計是以 承受頂蓋載荷的彎曲構(gòu)件來考的。

圖18　起吊繩索對頂蓋的擠壓

頂蓋載荷的大小按本標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在一級流通環(huán)境條件時為4.5 kPa。這時，一根橫梁承受的彎曲載荷W如式（19）所示，見圖19。

圖19　一根橫梁承受的彎曲載荷

式中，W —一根橫梁承受的彎曲載荷，N；

0.0045—頂蓋載荷，MPa；

l1—橫梁的長，mm；

l2—橫梁的中心距，mm。

因為橫梁的長必須滿足：

將式（19）代入式（20）中得：

式中，b —橫梁的寬，mm；

h —橫梁的厚，mm；

l1—橫梁的長，mm；

l2—橫梁的中心距，mm；

fb—木材的許用抗彎強(qiáng)度，MPa。

最好將橫梁的中心距l(xiāng)2定在600mm以下，然后根據(jù)式（21）選擇對應(yīng)于橫梁的長的橫梁的寬b和厚h。

當(dāng)橫梁較長的時候，為節(jié)省木材并非整根橫梁的截面尺寸都一定要等于式（21）算出的那么大，也可在像前面圖A.3所示的滑木那樣，在橫梁的中部的側(cè)面用釘釘上厚度與橫梁相同，而長度為橫梁的長的2/3以上的輔助梁，使這部分的橫梁達(dá)到所需的截面尺寸。

為便于設(shè)計，本標(biāo)準(zhǔn)將式（21）轉(zhuǎn)化成本標(biāo)準(zhǔn)文件中的圖27，其使用方法見該圖的注。

另外，當(dāng)起吊繩索太短而且箱太寬時，繩索與箱面的夾角太小時，這個擠壓力相當(dāng)大，見圖18。這時，需要對橫梁進(jìn)行受壓構(gòu)件的強(qiáng)度核算，同時也應(yīng)對上框木進(jìn)行加強(qiáng)，如本標(biāo)準(zhǔn)文件中的圖28所示。

對橫梁進(jìn)行受壓構(gòu)件的強(qiáng)度核算時，起吊繩索的水平方向壓縮力可參照下述方法求得，如圖20所示。

圖20　木箱的起吊

設(shè)木箱的總載荷（包括內(nèi)裝物載荷和木箱的載荷）為W，起吊角（∠OEC）按《GB/T 5398-2016大型運(yùn)輸包裝件試驗方法》的規(guī)定，試驗時為45°（實(shí)際裝卸時的起吊角一般都比45°大。起吊角越小，繩索的水平方向壓縮力越大），起吊鉤與頂蓋的距離OC = h，箱寬為B，箱高為H，頂蓋上兩起吊繩索之間的距離DE = X?？梢运愠銎鸬趵K索OE的張力為，若繩索對橫梁的壓縮力為P，則：

如果B不變，當(dāng)X增大時，h增大，從而起吊繩索對橫梁的壓縮力P降低，當(dāng)X減少時，起吊繩索對橫梁的壓縮力P隨之而增加，其極限是X小到等于零時，h = B / 2，代入式（22）得：

這是起吊繩索對橫梁的壓縮力的最大值（當(dāng)起吊角為45°時），這是絕對不可能達(dá)到的，因為X絕對不可能為零。另一方面，考慮到這個本應(yīng)是箱的總載荷，但因為在木箱設(shè)計階段，即在各構(gòu)件尺寸還沒最后確定時，箱的總載荷是不知道的，所以為設(shè)計上的方便，一般情況下繩索對橫梁的壓縮力可近似地按內(nèi)裝物載荷的1/4計。

知道了這個壓縮力的大小之后，就可以參考立柱的設(shè)計方法對按本標(biāo)準(zhǔn)文件中第6.3.2條設(shè)計出的橫梁的截面尺寸進(jìn)行強(qiáng)度核算，看其是否能抵御起吊時起吊繩索對橫梁的擠壓力。

這里要提醒的是，有時起吊繩索經(jīng)過頂蓋的位置不一定正好有橫梁，很可能是兩根橫梁之間，這時起吊繩索的橫向擠壓力可能會將側(cè)上框木擠斷。為避免此類事故的發(fā)生，可按本標(biāo)準(zhǔn)文件中圖28所示的方法加強(qiáng)側(cè)上框木。

（二）頂蓋的其他構(gòu)件

按本標(biāo)準(zhǔn)文件中第6.3.3條的規(guī)定，橫梁之間有時會有梁撐，但我國過去很少采用。實(shí)際上它可以加強(qiáng)橫梁的穩(wěn)定性。再說，對其截面尺寸并沒有特別的規(guī)定，用方材的下腳料即可。所以，箱寬較大時，最好還是不要嫌麻煩，按標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定去做。

連接梁只是B型箱，或A型箱采用B型的頂蓋時才有的。

頂板按本標(biāo)準(zhǔn)文件中第6.3.5條的規(guī)定。

七、鋼釘和螺栓的使用方法

對于木箱的制作，如果不選擇適當(dāng)?shù)尼斪踊蜥斸敺椒ú粚?，即使木箱設(shè)計得很合理，但這個木箱還是抵御不了儲運(yùn)過程中的外力，對這個問題必須有充分的認(rèn)識。本標(biāo)準(zhǔn)對釘釘?shù)姆椒ㄓ休^為詳細(xì)的規(guī)定。只有進(jìn)行正確的釘釘作業(yè)，才能保證木箱的整體強(qiáng)度。

所謂握釘力是指木材對已釘入木材中的鋼釘（或螺絲釘）拔出的阻力，即木材對釘子的抗拔力。握釘力的大小與木材的樹種、密度、木紋的方向、含水率、釘子釘進(jìn)后木材含水率的變化等有關(guān)，也隨釘子的形狀、表面特性、直徑和釘入深度等而變化。

通常木材握釘力的大小隨木材密度的增大而增大，但有的木材容易釘裂，因此對于軟的輕的木材可用長點(diǎn)的釘子，對硬的重的木材最好用短點(diǎn)的釘子。

隨著釘入深度的增加，握釘力急劇增加。雖然在這限度內(nèi)最好是盡可能將長的粗的釘子釘?shù)蒙钚?，但由于木材的材質(zhì)、板厚和釘釘位置等因素，所以釘長也有一定的限制。當(dāng)將木板釘?shù)揭粋€構(gòu)件上時，隨著釘長與板厚之比增加到2，握釘力直線增加，但超過3時就沒有多大變化，在3.5倍時大最大值。3倍時的握釘力比2.5倍時約增加20%～30%。所以將木板釘?shù)揭粋€構(gòu)件上時，釘長一般為板厚的3倍，如圖21所示。

圖21　釘長與板厚

釘子的形狀、表面粗糙度不同，握釘力的大小也不同。釘子表面越粗糙，則握釘力越大。因此，為提高握釘力可采用涂膠釘、刻蝕釘?shù)勾提敾蚱渌愋吾?。鋼釘和螺栓的具體使用方法按本標(biāo)準(zhǔn)文件中的第7章的規(guī)定。

八、內(nèi)裝物的防護(hù)和固定

（一）內(nèi)裝物的防護(hù)

內(nèi)裝物的防護(hù)包括防水、防潮和防銹，在本標(biāo)準(zhǔn)中沒有涉及，但這些方法都有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)可以參照，如《GB/T 7350-1999 防水包裝》、《GB/T 5048-1999 防潮包裝》和《GB/T 4879-1999 防銹包裝》，這里只著重提一下防潮包裝。

過去我國的防潮包裝是很差的，只是放上點(diǎn)硅膠，再罩上個塑料袋，塑料袋與底板上的油氈無法封口，這根本沒有防潮的作用。因為塑料袋不封口，外界的濕氣可以源源不斷地擴(kuò)散到塑料罩內(nèi)，使硅膠很快就失效。而且，木箱經(jīng)太陽一曬，底下的濕氣往上蒸，濕氣在塑料罩內(nèi)散發(fā)不出去，凝露成許多小水珠，使得塑料罩內(nèi)濕度反而更大。

今后，必須改變這種防潮材料不封口的做法，不但要放入足夠量的硅膠，還要用封口鉗（電熱鉗）焊封防潮材料，并留出一個小口以便將防潮罩內(nèi)的空氣盡可能的抽掉，然后再封口。但也要注意抽氣不要抽得太過分，以致內(nèi)裝物的突出部分扎破防潮材料，所以內(nèi)裝物的突出部分最好預(yù)先用EPE等緩沖材料包好。有螺栓穿過防潮罩的地方應(yīng)該墊上氣密墊，以防從螺栓穿孔處漏進(jìn)外界的潮氣。封口完成后，用塑料繩將防潮罩纏緊，以防有漏氣的地方，外界空氣慢慢滲入會使防潮罩騰開，這會吸進(jìn)更多的外界空氣，如圖22所示。

圖22　防潮包裝

再有，為降低木箱內(nèi)的濕度，包裝用木材的含水率應(yīng)盡可能控制在本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。而且，為了通風(fēng)和排水，木箱應(yīng)該按本標(biāo)準(zhǔn)文件中6.1.2.5條的a)的規(guī)定在底板留有間隙，在木箱的側(cè)面或端面按本標(biāo)準(zhǔn)文件中第6.2.5條的規(guī)定開有通風(fēng)窗。

（二）內(nèi)裝物的固定

包裝件在儲運(yùn)過程中由于會受到振動、急轉(zhuǎn)彎、緊急制動、風(fēng)浪或野蠻裝卸等而受到?jīng)_擊。對于脆弱的、較輕的內(nèi)裝物可以用緩沖材料包裹，裝在紙箱內(nèi)然后再固定在木箱內(nèi)，即采用防震包裝或緩沖包裝，以防內(nèi)裝物的破損。對于剛性強(qiáng)的大型重型的內(nèi)裝物，則必須將其牢牢地固定在木箱的內(nèi)部，以防其受到外力沖擊時在木箱內(nèi)發(fā)生相對位移，以防內(nèi)裝物的破損。

內(nèi)裝物的固定方式與內(nèi)裝物的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)密切相關(guān)，在本標(biāo)準(zhǔn)中難以給出統(tǒng)一的規(guī)定。因此，本標(biāo)準(zhǔn)對固定方法只是提出一般性的要求，而沒有作出具體的規(guī)定。

常用的固定方法有：

a）用瓦楞紙板、木材、膠合板或其他材料襯墊。

b）用螺栓緊固；

c）用鋼帶、鋼絲或其他繩索緊固；

d）用金屬材料或木材支撐或壓住；

其中，第一種方法一般用于小型、輕型的內(nèi)裝物的固定。在容器的內(nèi)表面與內(nèi)裝物之間充填泡沫塑料或貼有瓦楞紙板的襯墊。而后3種方法適用于重型大型的內(nèi)裝物。

原《JB/Z 114-1982出口機(jī)床包裝箱》的附錄A（補(bǔ)充件）的機(jī)床緊固方法中列有6種緊固方法（螺栓緊固、壓杠緊固、吊籃螺栓緊固、掛鉤緊固、木塊定位緊固和鐵箍緊固）都是適用的。圖23～圖27是從一些資料中摘錄的一些固定方法僅供參考。

圖23　

圖24　

圖25　

圖26　

圖27　

九、《GB/T 7284-2016 框架木箱》標(biāo)準(zhǔn)勘誤表

標(biāo)準(zhǔn)制定后，還是難免有一些錯誤的地方，表9就是筆者根據(jù)自有經(jīng)驗對本標(biāo)準(zhǔn)中一些錯誤內(nèi)容進(jìn)行勘誤糾正，以便于修正。

表9　《GB/T 7284-2016 框架木箱》標(biāo)準(zhǔn)勘誤表