■ 文/蔡少龄

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》三项国家标准已于2016年2月24日发布，并分别于同年5月15日、5月5日和5月15日实施。

这三个标准之中，《GB/T 7284-2016 框架木箱》标准是重中之重，是最基本的。其余两个标准的制定都引用了它。只要搞清楚了这个标准中框架木箱设计的基本理念，滑木箱和普通木箱标准就不难理解了。所以，以下主要是对《GB/T 7284-2016 框架木箱》标准中框架木箱设计的基本理念进行一个说明。

《GB/T 7284-2016 框架木箱》标准是对《GB/T 7284-1998 框架木箱》的修订，而其最早的版本是《GB/T 7284-1987框架木箱》。在1987年之前，框架木箱的设计可参考的有我国机械工业部的标准《JB/Z 114-1982出口机床包装箱》，以及前苏联的标准《ΓOCT10198-1978》、美军的标准《MIL-C-104B》和日本的标准《JIS-Z 1403-1984 木质框架式包装箱》等。在制定《GB/T 7284-1987框架木箱》标准的时候，我们对这些标准进行了充分的比较，最后确定参考《JIS-Z 1403-1984 木质框架式包装箱》制定我们国家的框架木箱标准。

当时，考虑到我国国情与日本不同，为稳妥起见，对设计的基本条件—顶盖载荷和堆码载荷以及滑木尺寸等的规定，基本上是参考这日本标准的前一版本《JIS-Z 1403-1976 木质框架式包装箱》。所以，《GB/T 7284-1987框架木箱》实际上才相当于日本上个世纪七十年代的水平。

1998年在修订《GB/T 7284-1987框架木箱》时，除了删除了其中对外框架木箱的规定之外，其他没太大的改动。

然而，由于森林资源的匮乏和世界物流环境的改善，日本的《JIS-Z 1403-1984 木质框架式包装箱》早已分别于1995年、2003年和2012年三次修订标准，在保证产品安全的前提下再进一步降低了木材的消耗。

所以，《GB/T 7284-1998 框架木箱》框架木箱等国家标准，已经很不利于节约和保护森林资源，同时也不适应于我国包装技术水平的发展。加之，制定《GB/T 7284-1987框架木箱》时我们所参考的重要标准《GB J5-1973 木结构设计规范》木结构设计规范也经过两次修订，成为《GB 50005-2003 木结构设计规范》。

因此，《GB/T 7284-2016 框架木箱》对于1998年的标准作出了较大的修订，其中主要内容的变化如该标准的前言所述。以下就新标准中的一些重要规定作一些深度的解读与说明。

二、木材的许用强度

木材的许用强度是木包装箱设计时的重要依据。关于木材许用强度的确定，这是一个比较复杂的问题。一般资料，如《中国主要树种的木材物理力学性质》所给出的木材强度是采用没有缺陷，含水率为15%的木材，对其施加静载荷，测其强度数据的平均值，此称为试验强度、标准强度或极限强度。

但是，由于木材总是存在着这样或那样的缺陷，而且即使是同一树种，产地不同、树龄不同、取材部位不同，其强度亦不同。再考虑到木材的木节和纹理，因干燥而收缩，对于公称尺寸的实际尺寸大小，以及木箱在储运过程中所受到的冲击等因素。所以，在设计木箱时不能直接套用木材的试验强度，而必须将试验强度打个折扣，换算成许用强度或设计强度。

至于这个折扣如何打，则与木材本身的情况和使用环境条件等有关，但由于考虑的方法不同而各有差异。所以，不同的标准、设计手册等资料中有不同的计算方法。

（一）日本包装用木箱标准对木材许用强度的规定

首先，从试验强度计算出木材的基本强度：

基本强度=试验强度×变异率×冲击载荷系数

其中，变异率是指由于木材的不均一性、因干燥而收缩以及相对于公称尺寸的最小尺寸所产生的强度降低常数，取值3/4。

冲击载荷系数是指相对于静载荷，对起吊、跌落、振动等冲击载荷的安全系数，取值1/3。

因此，基本强度的计算公式如下：

基本强度=试验强度×3/4×1/3=试验强度×1/4

表1 木材强度的降低率 (%)

然后，木材的许用强度是从基本强度减去木材缺陷所造成的降低率而得到的强度。木材缺陷的强度降低率如表1所示。计算时只考虑降低率较大的一方。

1、许用抗弯强度的计算

在日本，包装用的木材一般是辐射松、铁杉、落叶松等，其中试验强度最低的是辐射松，其抗弯的试验强度为68.65MPa。因此，基本抗弯强度可由下式算出：

基本抗弯强度=68.65×1/4=17.16（MPa）

根据表1。降低率较大的一方是：

径向时，纹理倾斜度在1/10时为39%（日本标准规定，包装用木材纹理倾斜度≤1/10，木节的大小占材宽≤1/3）；

弦向时，木节的大小占材宽1/3时为53%。

所以，由基本抗弯强度求许用抗弯强度时，可由下式算出：

2、许用顺纹抗压强度的计算

辐射松顺纹抗压的试验强度为32.36 MPa。因此，基本顺纹抗压强度可由下式算出：

根据表1。降低率较大的一方是纹理倾斜度为1/10时的26%，所以，由基本顺纹抗压强度求许用顺纹抗压强度时，可由下式算出：

图1 木节和群生节直径的测定

3、许用顺纹抗拉强度的计算

辐射松顺纹抗拉的试验强度为98.07 MPa。因此，基本顺纹抗拉强度可由下式算出：

根据表1。降低率较大的一方是纹理倾斜度为1/10时的39%，所以，由基本顺纹抗拉强度求许用顺纹抗拉强度时，可由下式算出：

（二）《GB 50005-2003 木结构设计规范》对木材许用强度的规定

《GB 50005-2003 木结构设计规范》对普通木结构用木材规定其树种的强度等级如表2和表3所示。

在正常情况下，木材的强度设计值及弹性模量应按表4采用。

该标准还规定木材的强度设计值和弹性模量，在不同使用条件下尚应乘以一定的调整系数，对于不同的设计使用年限也应乘以相应的调整系数（因为建筑物的使用年限最短5年，长则25年、50年、100年及以上），此外还有一些其他的调整系数，相当复杂。

《GB 50005-2003 木结构设计规范》是对建筑木结构的规定，木包装箱不同于建筑物，因为木包装箱与建筑物比起来，它是短期使用的。但是，它却需要承受储运过程中的冲击载荷。所以，《GB 50005-2003 木结构设计规范》的规定对我们来说只能作为参考用。

（三）《GB/T 7284-2016 框架木箱》对木材许用强度的规定

考虑到我国幅员辽阔，各地所用木材的树种、材质等较复杂，而且其强度差距相当大。如果像日本那样以我们常用树种中强度最低的树种的许用强度为基础，规定出各构件的尺寸，对于一般树种来说，势必会导致构件的尺寸过大，不利于木材强度的合理利用，也就是不利于木材的节约。

表2 针叶树种木材适用的强度等级

表3 阔叶树种木材适用的强度等级

表4 木材的强度设计值和弹性模量（N/mm2）

同时，又考虑到《中国主要树种的木材物理力学性质》中给出的各树种的试验强度本身就是一个平均值。即使同一树种，其实际的试验强度与该书给出的试验强度的差距亦相当大。例如红松木材的顺纹抗压强度为334 kgf/cm2，变异系数为12.5%，当概率为99.7%时，其最大值按X+3V%估计为334×（1+3×125/100）=459 kgf/cm2；其最小值按X-3V%估计为334×（1-3×125/100）=208 kgf/cm2，最大值竟是最小值的2.2倍。

综合考虑上面这些因素，我们将我国包装箱常用书中的试验强度（具体可以参阅中国林业出版社在1982年10月出版的《中国主要树种的木材物理力学性质》一书，书中有制作框架木箱常见树种木材的物理力学技术参数与相关数据。）进行平均，再除以安全系数得许用强度。

至于这个安全系数，对我国的木材来说一般取3.5～6，考虑到包装箱在储运过程中受力的特点及我国包装用木材材质一般较差等因素，在本标准中对抗弯及顺纹抗拉强度，这个安全系数暂定为7，而对于顺纹抗压强度则定为5.5。表5就是根据这种考虑方法得出的包装用木材的试验强度的平均值和许用强度。

木材受弯时，其许用强度与受力方向（即径向使用和弦向使用）是有关的。一般径向使用时的许用强度大于弦向使用时的许用强度（见前面的“1. 日本包装用木箱标准对木材许用强度的规定”）。但是，因为在实际制箱过程中往往不注意这个问题，或木材本身的一些原因，即使分开规定也没什么意义，所以在标准中不予以分别考虑，但在制箱时，对于弯曲构件还是应该尽可能采用径向使用。

本标准中各图表规定的构件尺寸都是以表5的许用强度计算得出的。如果实际使用的树种的试验强度与表5的试验强度平均值相差不大，则可以直接采用本标准规定的构件尺寸。否则，可根据实际使用树种的试验强度除以本标准规定的安全系数，得其许用强度。然后，以这实际使用树种的许用强度与表5许用强度之比来调整构件的尺寸，这在本标准的相关图表下面的注中都有说明。

表5 包装用木材的试验强度平均值和许用强度（MPa）

图3 顶盖载荷和堆码载荷

三、顶盖载荷和堆码载荷

在储运过程中,包装箱主要承受如图3所示的两种状态的上部载荷。图3的a）为顶盖载荷，顶盖载荷主要由横梁等顶盖构件来承担；图3的b）为堆码载荷，堆码载荷主要由侧面的框架结构来承担。这两种载荷值的确定是根据储运条件来定的。

顶盖载荷与堆码载荷的确定是一个比较复杂而又慎重的问题，各国的标准一般都是从大量的储运情况中进行统计，逐步摸索出来的。以下以日本的标准为例。

（一）顶盖载荷

日本过去的标准中曾规定横梁所承受的顶盖载荷为250kgf/m2，结果设计出来的木箱在储运过程中横梁的损坏经常发生。后来，根据美国林产试验所的报告，对顶盖载荷作了如下的假设：

1、相同尺寸的箱子堆码在一起时，或利用比顶盖宽度大的垫木在箱子上堆码尺寸较小的箱子时，顶盖载荷约为250kgf/m2。

2、不用垫木而将尺寸较小的箱子直接码放在下面箱子的顶盖上时，顶盖载荷为500kgf/m2～850kgf/m2。

参考了这一点，日本在1976年修订标准时，将顶盖载荷规定为500 kgf/m2。但是，经过十几年的实践，发现按500kgf/m2顶盖载荷的横梁已很少发现损坏，所以在1984年修订标准时将500kgf/m2的顶盖载荷改为400kgf/m2。

随着世界各地储运条件的逐步改善，特别是集装箱运输的普及，1995年日本将流通条件分为1级和2级：

1级：适用于转载次数多，有可能会受到非常大的外力时。主要是用散货船进行的出口运输，或即使是用集装箱的出口运输但却在码头装集装箱，或在目的地从集装箱卸货再配送的情况；

2级：适用于转载次数少，没有可能受到非常大的外力的情况。主要是国内运输，或即使是出口运输但采用的是集装联运。

所以，1995年的日本标准中，1级的顶盖载荷仍为400kgf/m2（3.9kPa），但2级的顶盖载荷为1级的2/3，即265kgf/m2（2.6kPa）。2012年修订标准时它们分别圆整成4.0kPa和2.7kPa。

我国《GB/T 7284-1987 框架木箱》根据我国的实际情况，对顶盖载荷的规定是：顶盖载荷按顶盖面积规定为5.0kPa（510 kgf/m2）。1998版没有动。2016版的规定为：作用于横梁的顶盖载荷按顶盖面积计算，一级（流通环境）为4.5 kPa，二级（流通环境）为3.0 kPa，比日本标准保守一点。所以，按我国标准设计出的横梁的截面尺寸会比按日本标准设计的大一点。

（二）堆码载荷

正如前面所说的，堆码载荷主要由侧面的框架结构来承担。实际上，在日本的标准中，堆码载荷的大小是立柱的尺寸和数量设计的主要依据。堆码载荷规定得大了会造成立柱的截面尺寸过大或立柱的数量过多，浪费木材。反之，规定得小了会造成立柱的截面尺寸过小或立柱的数量过少，导致木箱框架结构强度不足，储运过程中容易被压塌。

日本考虑到在散货船的船舱中，一般越重越大的木箱堆码在下面，越轻越小的木箱堆码在上面。所以，在日本的标准中是根据内装物的重量来规定堆码载荷的。这几十年来，由于世界各地储运条件的改善，特别是集装箱运输的普及，同样的堆码载荷所相应的内装物质量越来越大，见表6。

从表6可以清楚地看出日本对堆码载荷应如何规定的摸索过程。

我国《GB/T 7284 框架木箱》对堆码载荷的规定的变化情况如表7所示。

表6 日本标准中堆码载荷与内装物质量限制

表7 我国标准中堆码载荷与内装物质量限制

四、底座

底座是指框架木箱的底面，起安装侧面、端面及支承内装物的作用。在标准中规定了几种结构形式的底座，用户可根据内装物的情况灵活选用。

底座的各构件中，滑木是最重要的构件之一，它应该怎样设计？这是在设计底座时首先遇到的问题。

（一）滑木的设计方法

在我国《JB/Z 114-1982 出口机床包装箱》标准中，对滑木的设计是参照前苏联上个世纪50年代的标准中的滑木列线图的设计方法，该设计方法是将滑木简化为单纯简支梁的力学模式得出的，因此滑木用材非常多。前苏联在1978年修订标准时已经将列线图的设计方法取消并做了较大的改进，而我国却一直沿用这一方法。

但是，滑木的设计还有另外一种方法，这种方法以日本和美军的设计方法为代表，他们设计出的滑木用材比前苏联的少得多。若以MB1520磨床为例，分别按我国部标、日本、美军和前苏联标准设计框架木箱，在底座的用材上，我国与前苏联的几乎相同，而日本的最少，特别是滑木的用材仅为我国的35.3%。

为什么同是滑木，其用材却有这么大的差别呢？这主要是基于两种不同的考虑方法：一是把它视作弯曲构件，即在用绳索起吊木箱时，滑木是以起吊点为支承点的梁，而内装物的载荷完全由它来承担；二是把它视作拉伸构件，即在用绳索起吊木箱时，把滑木看作是侧面桁架的下弦材，因此内装物的载荷由滑木和侧面来共同承担。我国部标和前苏联标准属前一类型，而美军标和日本标准属后一类型。

至于哪种考虑方法对，我们认为第二种方法对。因为第一种考虑方法把滑木孤立起来对待，没有考虑整个木箱的整体性。

（待续）