董新元，劉仲洋，2＊，王安安，毛會，張明普，陳杰

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷，改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000）

0 前言

集裝箱建筑是一種新型的鋼結(jié)構(gòu)建筑形式，國外對集裝箱建筑的研究開始較早，Giriunas[1]利用有限元分析了多種集裝箱整體和在開洞形式下多種荷載作用時的剛度，對集裝箱建筑有限元模型的建模過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。Sinha[2]根據(jù)ISO規(guī)范規(guī)定的實(shí)驗(yàn)要求模擬了標(biāo)準(zhǔn)集裝箱空間框架結(jié)構(gòu)三維模型。國內(nèi)對于集裝箱建筑的研究相較于國外來說起步較晚，柏延衛(wèi)等[3]共同撰寫的《香港集裝箱建筑》，對集裝箱建筑的空間組合形式、建筑造型以及箱體結(jié)構(gòu)加固等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，但其在構(gòu)造、連接加固等方面都屬于薄弱環(huán)節(jié)。王璐璐[4]運(yùn)用ABAQUS對集裝箱建筑在橫向和豎向荷載下結(jié)構(gòu)的布置、側(cè)移等進(jìn)行了研究，論證了運(yùn)用ABAQUS建模的有效性，但是分析中沒有考慮波紋板的影響。本文主要研究在風(fēng)荷載作用下集裝箱建筑的極限高度，采用ABAQUS軟件對集裝箱進(jìn)行建模，考慮側(cè)壁波紋板對結(jié)構(gòu)的影響，分析風(fēng)荷載對集裝箱建筑極限高度的影響。

1 結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算

集裝箱房屋受到的水平荷載主要為水平風(fēng)荷載和地震作用，集裝箱建筑對水平風(fēng)荷載較為敏感，在水平風(fēng)荷載作用下集裝箱外框架、波紋板成為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，本文分別模擬了縱向風(fēng)荷載和橫向風(fēng)荷載對集裝箱建筑的不利影響。在進(jìn)行模擬時，將梯形分布風(fēng)荷載簡化為矩形分布，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[5]，垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合式1-1規(guī)定，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計算見表1。

縱向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。對于40ft集裝箱，1～4層時，水平風(fēng)荷載F=wk·A=18.72kN，頂層風(fēng)荷載為F=9.36kN；5～6層時，水平風(fēng)荷載F=wk·A=21.024kN；7～8層，水平風(fēng)荷載F=wk·A=23.04kN；9-10層，水平風(fēng)荷載F=wk·A=25.92kN。由于對風(fēng)荷載分布進(jìn)行了簡化，風(fēng)荷載沿建筑物高度是均勻分布的，因此取10層以下風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為m2，F(xiàn)=wk·A=22.176kN，則頂層風(fēng)荷載荷載為F=11.088kN。

2 集裝箱極限高度有限元模擬

2.1 相關(guān)參數(shù)

模擬選取40英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，長寬高分別為12.192m、2.438m、2.591m，為簡化模擬，集裝箱各構(gòu)件尺寸見表2，結(jié)構(gòu)各部件鋼材均采用Q345鋼。

2.2 有限元模型建立

建模時只建立主要的承重構(gòu)件，包括頂梁、底梁、角柱、頂?shù)捉羌约安y板，忽略其他細(xì)部構(gòu)造。集裝箱模型各構(gòu)件之間采用Tie綁定來模擬焊接，波紋板采用殼單元創(chuàng)建，其他部件均采用3D實(shí)體單元。根據(jù)《集裝箱模塊化組合房屋技術(shù)規(guī)程》[6]集裝箱上下層之間采用角件的焊接連接，模型的邊界條件為固定四個底部角件以及兩下側(cè)梁，風(fēng)荷載沿波紋板面分布，由于波紋板面凹凸不平，因此考慮將風(fēng)荷載進(jìn)行等效成集中荷載，沿上側(cè)梁軸線、端梁軸線方向施加在集裝箱上部角件。根據(jù)表2集裝箱各部件尺寸在Part選項下建立各部件的三維模型，建模單位為mm。集裝箱模型梁柱角件以及波紋板均采用Q345鋼材，鋼材材性見表3。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 表1

集裝箱尺寸 表2

材料參數(shù) 表3

2.3 縱向風(fēng)荷載作用下結(jié)果分析

對縱向風(fēng)荷載作用下的集裝箱建筑的極限高度進(jìn)行了模擬，并對ABAQUS中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，得到了縱向風(fēng)荷載作用下層高與側(cè)移變化關(guān)系曲線，如圖1所示?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）[7]規(guī)定在風(fēng)荷載作用下多層框架結(jié)構(gòu)柱頂側(cè)移限值為H/500，其中H為建筑總高度。對于施加縱向風(fēng)荷載的集裝箱結(jié)構(gòu)其側(cè)移限值雖滿足規(guī)范規(guī)定，但當(dāng)模擬高度達(dá)到10層時，第一二層集裝箱在荷載作用面和側(cè)壁波紋板面出現(xiàn)明顯變形，集裝箱的上側(cè)梁出現(xiàn)明顯的彎曲變形，上下兩層側(cè)梁與端梁之間出現(xiàn)明顯的分離現(xiàn)象。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊第三版(下冊)》[8]，對于多高層鋼框架結(jié)構(gòu)，由于風(fēng)荷載作用時間長、頻率高，在風(fēng)荷載作用下，要求結(jié)構(gòu)處于彈性階段，不允許出現(xiàn)較大變形。因此對于縱向風(fēng)荷載作用下集裝箱建筑高度達(dá)到10層時，從建筑的安全使用和舒適度角度判定達(dá)到了這種單體疊加式集裝箱建筑的極限高度。

通過圖1看出，在縱向風(fēng)荷載作用下隨著集裝箱建筑高度的增加，集裝箱建筑側(cè)移不斷增加，側(cè)向剛度不斷減小，集裝箱結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性降低，當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移時會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)或倒塌。同時隨建筑高度的增加，相同高度處側(cè)移增量不斷增加，曲線越來越抖。在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工程情況合理確定集裝箱建筑高度，并應(yīng)考慮對單體疊加的集裝箱建筑進(jìn)行加固處理，可在端面以及側(cè)面設(shè)置斜撐、或增設(shè)立柱以增強(qiáng)整體穩(wěn)定性。

圖1 高度-側(cè)移變化曲線（縱向）

圖2 高度-側(cè)移變化曲線（橫向）

2.4 橫向風(fēng)荷載（沿寬度）作用下結(jié)果分析

采用ABAQUS模擬了在兩頂部角件處施加橫向風(fēng)荷載的情況，當(dāng)集裝箱建筑高度達(dá)到10層時，加載點(diǎn)側(cè)移達(dá)到了51mm，已超過《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）[7]規(guī)定的多層框架結(jié)構(gòu)柱頂側(cè)移限值為H/500，9層集裝箱側(cè)移為34mm，認(rèn)為此時達(dá)到了不開洞下集裝箱建筑的極限高度，加載點(diǎn)位移隨層高變化曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著層高增加，加載點(diǎn)的側(cè)移不斷增加，當(dāng)層數(shù)超過7層時，曲線斜率增大，加載點(diǎn)位移開始急劇增加。對比圖1、圖2發(fā)現(xiàn)，對于集裝箱建筑而言，橫向風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響比較大，同樣達(dá)到10層時，橫向風(fēng)荷載作用下集裝箱結(jié)構(gòu)側(cè)移明顯超過了規(guī)范限值，應(yīng)取9層為極限高度。而在縱向風(fēng)荷載作用下當(dāng)集裝箱高度達(dá)到10層時加載點(diǎn)的側(cè)移還不是很大，出于安全、舒適考慮取10層為極限高度。根據(jù)最不利控制原則，當(dāng)集裝箱建筑達(dá)到9層時達(dá)到該類結(jié)構(gòu)的極限高度。

3 結(jié)論

對于集裝箱建筑的研究，有助于我們對于模塊化建筑技術(shù)的深入探討，為集裝箱高層建筑做出有利探索，對于深入研究未來建筑工業(yè)化、裝配化具有積極意義。本文對集裝箱建筑在縱向風(fēng)荷載、橫向風(fēng)荷載作用下的極限高度進(jìn)行了簡單模擬，期望能夠?yàn)榧b箱多層建筑設(shè)計提供有益參考。研究發(fā)現(xiàn)，在縱向風(fēng)荷載作用下集裝箱加載點(diǎn)側(cè)移與橫向風(fēng)荷載作用相比相對較小，橫向風(fēng)荷載對集裝箱的影響比較大，當(dāng)集裝箱高度達(dá)到9層時達(dá)到不開洞集裝箱建筑的極限高度。