裝配式集裝箱結構體系優化及節點性能

王化杰，李 洋，雷炎祥，白 樵，范 峰，錢宏亮

(1.哈爾濱工業大學(威海) 土木工程系，山東 威海 264209；2. 天元建設集團有限公司，山東 臨沂 276000；3.哈爾濱工業大學 土木工程學院，哈爾濱 150090；4.大連中集物流裝備有限公司，遼寧 大連 116600)

裝配式集裝箱結構體系優化及節點性能

王化杰1,2，李 洋3，雷炎祥4，白 樵4，范 峰3，錢宏亮1

(1.哈爾濱工業大學(威海) 土木工程系，山東 威海 264209；2. 天元建設集團有限公司，山東 臨沂 276000；3.哈爾濱工業大學 土木工程學院，哈爾濱 150090；4.大連中集物流裝備有限公司，遼寧 大連 116600)

為建立裝配式集裝箱結構的標準體系并掌握其力學性能，以一個典型的集裝箱建筑方案為基礎，以規范要求為評價指標，對其進行了6種不同結構方案的靜力分析和抗震分析，研究了設置橫梁立柱、輔助拉桿等構造措施對結構性能的影響，結果表明：該集裝箱建筑體系對風荷載較為敏感，構件截面主要由風荷載控制，地震作用不起控制作用，增加局部立柱和橫梁對于提高集裝箱建筑的抗側移剛度作用不明顯，而設置側向拉桿則能有效加強結構抗側移剛度.最后采用多尺度分析方法對結構所采用的裝配式集裝箱建筑節點進行了模擬分析，結果表明該節點在結構各種工況下均能保持良好的工作狀態，可為類似集裝箱建筑的節點選用提供技術參考.

集裝箱結構；力學性能；多尺度模型；多點約束算法

集裝箱建筑是指利用廢舊集裝箱或者新集裝箱進行組合、搭接的新興裝配式建筑體系，具有能耗低、污染小，抗震性能好，施工周期短，回收率高等一系列優點，最大限度實現了節能、節地、節水、節材的目標，與“綠色建筑”的理念相契合，被美國商業周刊評選為“最有可能改變人類未來生活方式的20項重要發明”之一.英國的Travelodge酒店、美國的Puma品牌概念店、荷蘭的Keetwonen學生公寓(圖1)以及國內汶川的集裝化組合校區、山西香箱鄉祈福村主題精品酒店等均采用這種集裝箱建筑形式，2014年索契冬奧會上也出現了由國內企業設計建造的集裝箱酒店.

目前，關于集裝箱建筑的研究主要集中于建筑風格及應用前景方面的探討，缺乏對其結構力學性能的研究.文獻[1]中主要分析了集裝箱模塊在不同側面波紋板缺失情況下的剛度，文獻[2]中則主要研究了豎向荷載作用下集裝箱模塊組合方式和水平荷載作用下多層廢舊集裝箱改造房組合方式，二者都沒有進行體系分析.2013年公布的CECS 334—2013《集裝箱模塊化組合房屋技術規程》[3]對低層和多層集裝箱建筑作了簡要的規定和設計建議，并且給出了焊接連接節點和高強度螺栓連接節點等節點構造，但只適用于非地震區或抗震設防烈度為8度以下的地區，且層數不高于6層.

為突破傳統規范限制，使裝配式集裝箱建筑應用更廣泛，本文以一典型集裝箱建筑方案為基礎，采用SAP2000建立了7層集裝箱結構模型，并對其進行了6種不同結構方案的靜力分析和抗震性能分析，提出了兩種提高結構抗側剛度的構造措施，并對其影響進行了仿真分析，最后基于ANSYS平臺采用多尺度分析方法對該結構采用的連接節點進行了精細化模擬分析，校核了節點連接的安全性.

圖1 集裝箱學生公寓

1 總體分析方案

1.1 結構體系介紹

整個結構體系由長度7 354 mm，寬度2 438 mm，高度3 000 mm的集裝箱模塊組成，見圖2.

圖3為所分析戶型的平面布置圖，結構層數為7層，高度19.5 m.其中，前6層為標準層，第7層為屋頂層，高度為1.5 m.圖中樓梯間、電梯間和中部走廊為非標準集裝箱模塊，樓梯間和電梯間尺寸為：4 896 mm×2 438 mm，中部走廊尺寸為9 812 mm×2 438 mm.

圖2 集裝箱模塊

圖3 集裝箱建筑平面布置

1.2 設計要求

建筑位置為沿海區域，建筑結構安全等級二級，結構重要性系數1.0，設計使用年限50 a.風荷載體型系數、風振系數和風壓沿高度變化系數按照GB50009—2012《建筑結構荷載規范》[4]取值.樓面板和墻面板材料選用ALC加氣混凝土板，密度取為6 kN/m3，厚度100 mm，其他設計基本參數見表1.

表1 裝配式集裝箱建筑設計基本參數

1.3 分析方案

1.3.1 整體方案分析

根據結構承重方案、連接方式以及抗側移剛度構造措施的不同，采用6種方案進行對比分析，初始截面見表2，方案內容見表3.

表2 原始方案初始截面

方案二增加的局部承重構件位于最外側橫向布置集裝箱與縱向布置集裝箱的交匯處，以及最大走廊模塊的中點處，同時相應增加了連接節點，修改后平面圖見圖4.方案三和方案五中增加的輔助立柱和橫梁的截面規格分別為100 mm×50 mm×4 mm和50 mm×50 mm×3 mm.圖5給出了方案三～六的模塊示意圖.

表3 方案描述

圖4 修改后平面布置

圖5 方案三～六集裝箱建筑模塊示意

整體結構靜力分析單一工況包括恒荷載、活荷載、風荷載以及溫度荷載，按照承載能力極限狀態和正常使用極限狀態共定義了60種荷載組合，主要考察指標為構件的應力比，撓度比，風荷載作用下層間相對位移和柱頂位移.根據GB50017—2003《鋼結構設計規范》，受彎構件在恒荷載和活荷載聯合作用下的撓度限值為L/400，其中L為構件的跨度；風荷載標準值作用下多層鋼框架結構的柱頂位移限值為H/500，層間相對位移為h/400，H為結構總高度，h為層高[5].

1.3.2 節點方案分析

集裝箱建筑主要采用裝配式節點進行連接，其節點性能是影響結構是否正常使用的關鍵因素.在進行結構的整體性能分析時，保守得將模塊之間上下柱和左右柱之間的連接方式近似簡化為鉸接(模塊本身梁柱連接為焊接).而對于具體的節點性能研究而言，由于其處于復雜的三維受力狀態，則需建立實體有限元模型進行分析，驗證其在整體結構中的工作性能，以確保集裝箱模塊間的可靠連接.圖6給出了一種集裝箱建筑的節點形式.

圖6 一種集裝箱節點形式

上述節點形式主要由節點板、柱端封板、墊板、螺栓組成.節點的水平剪力主要靠節點板上突起的抗剪鍵來承擔，而柱間的上下連接則由設置在柱端封板的螺栓來實現，且端梁端部設置了連接上下梁端翼緣的螺栓，進一步加強了模塊之間的連接.由于螺栓主要用于承受豎向拉力，采用承壓型高強度螺栓，螺栓性能等級為8.8級.具體安裝時，可采用特制扳手伸入立柱上的吊裝孔擰緊螺栓.

2 分析方法與分析模型

2.1 整體模型分析方法

對上述集裝箱建筑進行整體力學分析時，進行了兩方面簡化：1)集裝箱模塊間連接方式簡化為鉸接連接；2)由于ALC墻板對整體結構的剛度貢獻尚不明確，保守分析，模型中暫不考慮ALC墻板的有利作用，只建立純框架模型.

利用SAP2000建立的初始截面整體框架模型如圖7所示.梁柱構件和斜拉桿均采用框架單元，并釋放斜拉桿兩端彎矩并修正截面慣性矩，模塊之間采用節點耦合實現鉸接假定.

圖7 初始截面整體框架模型

2.2 節點多尺度分析方法

單獨對節點進行實體模擬分析不能有效模擬節點處的邊界條件，計算結果與真實情況相差較大，為此采用多尺度模型分析方法進行建模和計算.多尺度模型分析的核心理念是對結構的關鍵部位或對結構受力性能有主要影響的部分建立微觀尺度模型，其他部分利用宏觀尺度模型，通過適當的連接方式，使得宏觀尺度模型和微觀尺度模型協同計算，更好把握結構的整體受力特征和微觀破壞過程，為實際工程提供更為準確的參考依據[6].因此節點多尺度分析模型主要由實體單元建立的節點微觀模型和梁單元建立的整體宏觀模型來實現.

在多尺度分析中，微觀尺度模型與宏觀尺度模型界面的有效裝配是保證多尺度計算實現的前提[7]，此處采用ANSYS的多點約束算法(MPC)來實現梁單元和實體單元之間的有效連接.MPC方法是指利用接觸單元和技術，由ANSYS根據接觸運動自動建立約束方程，解決不連續且自由度不協調網格之間、不同單元類型之間的連接問題，實現施加荷載或約束條件的目的[8].同時，采用接觸分析來模擬節點各個部分之間力的傳遞，接觸單元采用Contact 174，目標單元采用Target 170，并考慮接觸面之間的摩擦作用.分別在螺栓墊片與墊板、墊板與封板、封板與節點板、螺栓桿與螺栓孔壁，抗剪鍵和封板洞口內壁之間建立接觸對，精確模擬節點在荷載作用下的受力特征.圖8給出了節點處實體單元和梁單元連接示意圖，其中，實體單元采用SOLID 45單元，拉桿采用LINK 10單元(設置為單向受拉)，梁單元采用BEAM 45單元.

圖8 實體單元和梁單元連接示意

3 整體方案分析

3.1 靜力分析

圖9、10給出了各方案風荷載作用下層間相對位移.原始方案在風荷載作用下兩個方向的層間位移都較大，結構整體剛度較弱，短軸向層間位移明顯大于長軸向層間位移，短軸向為結構的弱軸方向.方案二增加局部承重構件后使結構平面布置更趨合理，兩個方向抗側移剛度均有一定程度提升.方案三在集裝箱單元長跨間加設立柱和橫梁對結構的剛度提升作用不明顯.方案四、五、六在結構短軸向加設輔助拉桿后結構的抗側移剛度得到加強，兩個方向層間相對位移都小于規范限值.而方案一直接在原始結構方案的基礎上進行截面優化，通過加大截面特性來實現提升結構抗側移能力的目的.

圖9 長軸向風荷載作用下層間位移

表4給出了各方案在風荷載作用下柱頂最大位移和構件撓度比.原始方案、方案二、方案三柱頂位移超出規范限值，整體剛度較弱.構件撓度比除原始方案外均符合設計要求，可見撓度比不是集裝箱建筑中桿件截面的控制因素.

圖10 短軸向風荷載作用下層間位移

圖11給出了各方案構件應力比分布圖.應力比超限的方案包括原始方案、方案二、方案三和方案四.原始方案桿件大量超限，桿件初始截面太小，強度不足.方案二和三在增加局部承重構件和加設立柱橫梁以后，仍有部分桿件超限.方案四在方案二的基礎上施加輔助拉桿后對提高結構整體強度作用明顯，超限桿件只有0.3%.方案一、五、六大部分桿件的應力比都控制在0.6以內，結構整體強度較好.

表4 各方案柱頂最大位移和構件撓度比統計表

Tab.4 Maximum capital displacement and component deflection of each scheme

方案柱頂最大位移/mm構件撓度比規范限值39．01．000原始方案93．34．644方案一33．70．937方案二80．10．930方案三77．00．621方案四27．40．930方案五27．90．620方案六24．10．988

圖11 各方案桿件應力比分布

各方案單位面積用鋼量統計見表5所示.

表5 各方案單位面積用鋼量統計

Tab.5 The amount of steel per unit area (kg·m-2)

方案一方案二方案三方案四方案五方案六111．4370．0074．5072．2576．5275．08

方案一在原始方案上通過優化設計使各項指標符合規范設計要求，但柱子最大截面已達250 mm×250 mm×8 mm，用鋼量超過100 kg/m2，不滿足經濟指標.在各項指標均符合設計要求的方案五和方案六中，方案六用鋼量更小，為最佳方案.

3.2 結構模態分析

表6列出了方案一到方案六前6階頻率，圖12列出了方案一的前4階振型圖.

表6 各方案前六階頻率

方案三在方案二的基礎上增設了立柱和橫梁，基頻比方案二增加0.011 Hz，方案四在方案二的基礎上在結構短軸向設置了輔助拉桿，基頻提高了0.142 Hz，說明增設立柱和橫梁對提高結構的整體剛度不明顯，輔助拉桿則有效加大了結構的抗側移剛度.未加設拉桿的方案一、二和方案三的1階振型均為結構短軸向側移振動，2～3階振型為結構中央扭轉振動，4階振型為結構長軸向正弦波振動.而加設了輔助拉桿的方案四、五、六的1階振型為結構長軸向側移振動，2～4階振型主要為結構中央扭轉振動.加設輔助拉桿后，結構短軸向的抗側移剛度已明顯大于結構長軸向的抗側移剛度，結構的弱軸由短軸向轉變為長軸向.模態分析進一步表明，增加橫梁和立柱對結構側向剛度影響不大，而輔助拉桿對側向剛度提升作用比較明顯.

圖12 方案一前4階振型

3.3 結構抗震分析

根據靜力及模態分析結果，分別采用振型分解反應譜法和時程分析法對各項指標符合要求且用鋼量最小的方案六進行了地震作用分析，包括多遇地震動分析和罕遇地震動分析.按照該集裝箱建筑的場地類別和設計地震分組，根據地震動統計特性選取了TAFT波、EI-Centro波和合適的人工地震波對結構進行彈性時程分析和彈塑性時程分析.

3.3.1 多遇地震分析

將結構振型分解反應譜法和彈性時程分析法結果分別與靜力工況進行荷載效應組合，表7給出了結構最大應力比包絡值，表8給出了結構最大層間位移包絡值.按照JGJ99—98《高層民用建筑鋼結構技術規程》[9]規定，鋼框架層間相對位移為h/250，h為層高.結構在多遇地震作用下應力比和層間位移都有較大富余度.

表7 多遇地震與靜力工況組合最大應力比包絡值

Tab.7 Envelope value of maximum stress ratio in the combination between frequent earthquake and static condition

振型分解反應譜法時程分析法0．7100．732

表8 地震作用下最大層間位移包絡值

3.3.2 罕遇地震分析

對結構進行罕遇地震分析時，考慮了幾何非線性及材料彈塑性，材料模型采用雙線性強化模型，屈服后彈性模量為初始彈性模量的3%，地震動按照三向輸入，加速度最大值按照1(水平1)∶0.85(水平2)∶0.65(豎向)的比例進行調整[10].EI-Centro罕遇地震作用下結構豎向位移達到最大(5.8 mm)，但未發生失穩倒塌，圖13給出了EI-Centro地震波作用下結構豎向(Z向)位移最大點的時程曲線.

由上述分析可以看出，結構在地震作用下表現出良好的受力性能，各項指標均有較大富余，而方案六在風荷載作用下結構最大層間位移與規范限值相近，靜力荷載組合下桿件應力比富余也較小，說明對結構起控制作用的工況為靜力荷載工況.

方案六為最佳方案，表9給出最終優化后方案六的構件截面.

圖13 EI-Centro罕遇地震結構豎向最大位移點時程曲線

Fig.13 Time-history curve of the maximum vertical displacement point under EI-Centro rare earthquake

表9 方案六截面信息

4 關鍵節點分析

為了考察節點在整體體系中的工作性能能否滿足要求，分別提取出方案六中螺栓桿受最大拉力和抗剪鍵受最大剪力的組合工況對節點進行分析，在相應最大受力節點位置建立節點實體模型，進行多尺度有限元分析.

4.1 螺栓桿受最大拉力工況

螺栓桿受最大拉力的工況組合為：1.0恒荷+1.4風荷(短軸向)+1.4×0.6正溫，相應的節點位置見圖14所示.分析結果表明，節點在風荷載作用下，迎風面柱子受到向上的拉力，上下柱子之間已發生分離，此時螺栓桿的最大應力為588 MPa(圖15)，小于8.8級螺栓的屈服強度640 MPa，滿足受力要求.圖16給出了節點的整體位移(放大10倍).

圖14 螺栓桿受最大拉力節點位置

圖15 螺栓桿米塞斯應力分布

圖16 最大拉力工況下節點整體位移分布

Fig.16 Connection displacement distribution under maximum tension condition

4.2 抗剪鍵受最大剪力工況

抗剪鍵受最大剪力的工況組合為1.2恒荷+1.4×0.7活荷+1.4風荷(短軸向)+1.4×0.6負溫，相應的節點位置見圖17所示.分析結果表明，節點在該工況作用下上下柱子封板之間已發生錯動，抗剪鍵的最大應力為164 MPa(圖18)，小于Q235的屈服強度，滿足受力要求.圖19給出了節點的整體位移(放大10倍).

圖17 抗剪鍵受最大剪力節點位置

圖18 抗剪鍵米塞斯應力分布

圖19 最大剪力工況下節點整體位移分布

Fig.19 Connection displacement distribution under maximum shear force condition

5 結 論

本文對給定平面布置的集裝箱建筑進行了優化設計，并采用多尺度有限元模型進行了關鍵節點分析，得到如下結論：

1)分析表明，因集裝箱模塊輕質高強，由其組成的集裝箱建筑具有良好的抗震性能.地震作用不是集裝箱建筑的控制工況，結構對風荷載較為敏感，構件的截面大小主要由風荷載作用下結構層間位移和柱頂位移決定，設計中應加強對水平剛度的控制設計.

2)對比多種增加側向剛度的構造措施后表明，在集裝箱模塊內增加立柱和橫梁對提高結構的抗側移剛度作用不明顯，而增加側向拉桿對提高結構抗側移剛度提升較為明顯.在實際工程的設計與施工中，可以在使用空間允許條件下增設輔助斜索提高結構側向剛度.

3)本文所采用的集裝箱建筑連接節點，通過螺栓承受上下集裝箱之間的拉力，利用節點板上抗剪鍵承受集裝箱之間的水平剪力，受力概念明確；并采用MPC算法解決了宏觀模型與微觀模型的有效連接問題，建立了該節點多尺度精細化有限元模型，精確分析了該節點在最不利工況下的受力性能.結果表明，螺桿和抗剪鍵Mises應力均小于材料的屈服應力，可以滿足結構連接要求，且方案合理，可為類似集裝箱建筑的節點選用提供技術參考.

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System optimization of fabricated container structure and the joint performance

WANG Huajie1,2, LI Yang3, LEI Yanxiang4, BAI Qiao4, FAN Feng3, QIAN Hongliang1

(1.Department of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, Shandong,China; 2.Tianyuan Construction Group Co., Ltd., Linyi 276000, Shandong，China; 3.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 4.Dalian CIMC Logistics Equipment Co., Ltd., Dalian 116600,Liaoning, China)

To establish standard system of fabricated container structure and obtain its mechanical characteristics, static mechanical analysis and seismic analysis were made on six sets of structures according to existing codes based on a typical plan of container building. The influence on structural performance by adding beams and columns or tension cables was also studied. The results indicate that: container building system is sensitive to wind load, which controls the section of members and seismic action is not a dominant factor; the effort to enhance lateral stiffness of container building by adding local columns and beams is not useful, while adding lateral tension rod can strengthen the structural lateral stiffness effectively. Finally, a connected joint used in container building was analyzed by multi-scale analysis. The results indicate that this joint can work well under every working condition and provide a technical reference of joint selection in similar container buildings.

container structure; mechanical behavior; multi-scale model; method of multipoint constraints

(編輯 趙麗瑩)

10.11918/j.issn.0367-6234.201511115

2015-11-30

國家自然科學基金青年基金(51308154)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(HIT.NSRIF.2016099)

王化杰 (1982—)，男，博士，講師； 范 峰 (1971—)，男，教授，博士生導師

李 洋，sxliyang@zju.edu.cn

TU392.5; TU318.2

A

0367-6234(2017)06-0117-07