風荷載作用下集裝箱建筑極限高度的研究

董新元，劉仲洋，2＊，王安安，毛會，張明普，陳杰

（1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷，改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000）

0 前言

集裝箱建筑是一種新型的鋼結構建筑形式，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行了詳細介紹。Sinha[2]根據ISO規范規定的實驗要求模擬了標準集裝箱空間框架結構三維模型。國內對于集裝箱建筑的研究相較于國外來說起步較晚，柏延衛等[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構加固等方面進行了系統的分析，但其在構造、連接加固等方面都屬于薄弱環節。王璐璐[4]運用ABAQUS對集裝箱建筑在橫向和豎向荷載下結構的布置、側移等進行了研究，論證了運用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軟件對集裝箱進行建模，考慮側壁波紋板對結構的影響，分析風荷載對集裝箱建筑極限高度的影響。

1 結構風荷載計算

集裝箱房屋受到的水平荷載主要為水平風荷載和地震作用，集裝箱建筑對水平風荷載較為敏感，在水平風荷載作用下集裝箱外框架、波紋板成為主要的抗側力構件，本文分別模擬了縱向風荷載和橫向風荷載對集裝箱建筑的不利影響。在進行模擬時，將梯形分布風荷載簡化為矩形分布，根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）[5]，垂直于建筑物表面的風荷載標準值應符合式1-1規定，風荷載標準值的計算見表1。

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

2 集裝箱極限高度有限元模擬

2.1 相關參數

模擬選取40英尺標準集裝箱，根據ISO標準，長寬高分別為12.192m、2.438m、2.591m，為簡化模擬，集裝箱各構件尺寸見表2，結構各部件鋼材均采用Q345鋼。

2.2 有限元模型建立

建模時只建立主要的承重構件，包括頂梁、底梁、角柱、頂底角件以及波紋板，忽略其他細部構造。集裝箱模型各構件之間采用Tie綁定來模擬焊接，波紋板采用殼單元創建，其他部件均采用3D實體單元。根據《集裝箱模塊化組合房屋技術規程》[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梁，風荷載沿波紋板面分布，由于波紋板面凹凸不平，因此考慮將風荷載進行等效成集中荷載，沿上側梁軸線、端梁軸線方向施加在集裝箱上部角件。根據表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。

風荷載標準值 表1

集裝箱尺寸 表2

材料參數 表3

2.3 縱向風荷載作用下結果分析

對縱向風荷載作用下的集裝箱建筑的極限高度進行了模擬，并對ABAQUS中的數據進行提取，得到了縱向風荷載作用下層高與側移變化關系曲線，如圖1所示。《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）[7]規定在風荷載作用下多層框架結構柱頂側移限值為H/500，其中H為建筑總高度。對于施加縱向風荷載的集裝箱結構其側移限值雖滿足規范規定，但當模擬高度達到10層時，第一二層集裝箱在荷載作用面和側壁波紋板面出現明顯變形，集裝箱的上側梁出現明顯的彎曲變形，上下兩層側梁與端梁之間出現明顯的分離現象。根據《鋼結構設計手冊第三版(下冊)》[8]，對于多高層鋼框架結構，由于風荷載作用時間長、頻率高，在風荷載作用下，要求結構處于彈性階段，不允許出現較大變形。因此對于縱向風荷載作用下集裝箱建筑高度達到10層時，從建筑的安全使用和舒適度角度判定達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，在縱向風荷載作用下隨著集裝箱建筑高度的增加，集裝箱建筑側移不斷增加，側向剛度不斷減小，集裝箱結構整體穩定性降低，當結構產生較大位移時會導致結構的失穩或倒塌。同時隨建筑高度的增加，相同高度處側移增量不斷增加，曲線越來越抖。在實際工程應用中應根據實際的工程情況合理確定集裝箱建筑高度，并應考慮對單體疊加的集裝箱建筑進行加固處理，可在端面以及側面設置斜撐、或增設立柱以增強整體穩定性。

圖1 高度-側移變化曲線（縱向）

圖2 高度-側移變化曲線（橫向）

2.4 橫向風荷載（沿寬度）作用下結果分析

采用ABAQUS模擬了在兩頂部角件處施加橫向風荷載的情況，當集裝箱建筑高度達到10層時，加載點側移達到了51mm，已超過《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）[7]規定的多層框架結構柱頂側移限值為H/500，9層集裝箱側移為34mm，認為此時達到了不開洞下集裝箱建筑的極限高度，加載點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，加載點的側移不斷增加，當層數超過7層時，曲線斜率增大，加載點位移開始急劇增加。對比圖1、圖2發現，對于集裝箱建筑而言，橫向風荷載對結構的影響比較大，同樣達到10層時，橫向風荷載作用下集裝箱結構側移明顯超過了規范限值，應取9層為極限高度。而在縱向風荷載作用下當集裝箱高度達到10層時加載點的側移還不是很大，出于安全、舒適考慮取10層為極限高度。根據最不利控制原則，當集裝箱建筑達到9層時達到該類結構的極限高度。

3 結論

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化、裝配化具有積極意義。本文對集裝箱建筑在縱向風荷載、橫向風荷載作用下的極限高度進行了簡單模擬，期望能夠為集裝箱多層建筑設計提供有益參考。研究發現，在縱向風荷載作用下集裝箱加載點側移與橫向風荷載作用相比相對較小，橫向風荷載對集裝箱的影響比較大，當集裝箱高度達到9層時達到不開洞集裝箱建筑的極限高度。