帶腰桁架的集裝箱疊箱結構設計與研究

周 璇

（深圳市同濟人建筑設計有限公司，深圳518001）

0 引 言

帶腰桁架的集裝箱（圖1，華為2018年發明專利，專利名稱：箱體及集裝箱數據中心，專利號：CN107905577A）作為美國“商業周刊”所列出的20項重要發明之一，有可能在未來10年改變人們的生活方式［1～2］。

腰桁架的尺寸初步選為上下弦桿H175×175×7×10、腹桿B100×50×6、跨度為13.3 m，高度為0.5 m；2、本文研究的集裝箱腰桁架所在側不設波紋板，每層樓面與腰桁架上弦桿標高平齊，室內根據使用功能要求設置相應的建筑隔墻；單體集裝箱長13.3 m，寬2.4 m，高4.15 m（圖1）。

圖1 帶腰桁架的集裝箱結構單體計算模型Fig.1 Calculation model of single container structure with waist truss

傳統的集裝箱［3-4］（圖2）因為左右兩側設置有波紋板，且對波紋板的開孔率有限制（一般不超過60%），即使形成疊箱結構體系，也無法獲得開敞的大空間。因此傳統的集裝箱只能滿足最基本的日常居住需求［5］。

圖2 傳統的集裝箱房屋Fig.2 Traditional container house

因為腰桁架所在側不設波紋板，前后兩側也可以不設波紋板（鋼柱承重），帶腰桁架的集裝箱疊箱結構可以獲得任意想要的大空間，如做成酒吧、餐廳、電影院、會議室、開敞辦公室等（圖3）。不僅如此，該類型的集裝箱還可以通過各單體間的特定組合形成不同的戶型，滿足人們的使用要求。

圖3 集裝箱的各種戶型Fig.3 Various types of containers

1 工程概況

該工程位于中東某地區，系華為在該地區的實驗生產基地。為一大型集裝箱疊箱結構，其單體結構計算模型見圖1，整體結構計算模型見圖4。結構屋頂設鋼坡屋蓋，因支座處理問題，鋼坡屋蓋單獨建模計算，整體計算模型見圖5。二層建筑平面圖見圖6。0.2 s 譜加速度Ss為0.67，1 s譜加速度S1為 0.21，場地類別為 D 類［6］。風速為100 m/h，暴露類別為C類［7］。使用功能有辦公室、IT 室、電池室、會議室等，本文選取IT 室作為研究對象，其恒荷載為0.42 kN/m2，活荷載為12 kN/m2。另整體計算模型最外圍臨空側的波紋板和鋼坡屋蓋考慮±30 ℃的溫度荷載，本文設計使用的是美國規范IBC2009、ASCE 7-10，遵循美國結構設計標準。

2 集裝箱疊箱結構腰桁架尺寸的選定與優化設計

2.1 腰桁架跨度的選定

圖4 整體集裝箱疊箱結構計算模型Fig.4 Computational model of overall container stacked container structure

圖5 整體屋蓋結構計算模型Fig.5 Calculation model of integral roof structure

圖6 二層建筑平面圖Fig.6 Floor plan of two-storey building

工程設計強調成本意識，要最大限度的使用材料。為確定集裝箱最合適的跨度，特建立了跨度分別為12.4 m、12.7 m、13.0 m、13.3 m以及13.6 m的集裝箱疊箱結構模型，每個疊箱模型除跨度不一樣外，其他的參數均同圖1。集裝箱上下之間通過短柱墊件連接，模型中用0.2 m長的同截面方通鋼柱模擬；左右之間通過轉鎖和橋型連接器連接，模型中用 0.1 m 長、截面 150×16 的方形實心虛梁模擬；腹桿與弦桿采用焊縫連接，考慮到實際工程中腹桿的兩端可能存在少量的彎矩，因此在進行模擬計算時，將其與弦桿的連接設定為剛接，偏于安全。圖4 中為研究方便，特從選取一單榀兩層集裝箱疊箱結構進行計算。本小節將通過考察腰桁架下弦桿應力比R隨跨度L的變化來確定集裝箱最終的跨度（華為能給的最大跨度為13.6 m），應力比R-跨度L變化關系曲線見圖7。

圖7 應力比R-跨度L變化曲線Fig.7 Stress ratio R-span L change curve

從圖7 中可以看出，下弦桿的應力比隨著跨度的增大逐漸增大，但增大的幅度并不一樣?？缍仍?12.7～13.0 m 之間增大的幅度最大，13.0～13.3 m 之間增大的幅度最小。綜合考慮集裝箱使用空間大小、構件充分利用以及經濟性（定量+定性），腰桁架跨度范圍選定在13.2～13.4 m 之間較為合適，本工程選13.3 m。若要獲得大跨度、長懸挑等空間藝術效果，該腰桁架的結構尺寸需另行計算。

2.2 腰桁架高度的選定

通過對桁架結構的研究，發現當腰桁架高度變化時，下弦桿受力也會發生變化。本小節將通過計算腰桁架高度分別為0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m 以及0.9 m 的集裝箱疊箱模型，來探討腰桁架高度變化對下弦桿受力的影響。所選集裝箱除腰桁架高度不一樣外，其他的參數均同圖1。應力比R-腰桁架高度H變化關系曲線見圖8。

從圖8 中可以看出，下弦桿的應力比隨著腰桁架高度增大逐漸減小，減小的幅度越來越小。高度在0.5～0.6 m 之間減小的幅度最大且腹桿增加的用量最少（腰桁架增高，腹桿隨之增長，同時壓低層高），0.8～0.9 m 之間減小的幅度最小且腹桿增加的用量最多。因此當其他條件一定時，腰桁架高度范圍選取在0.55～0.65 m 之間較為合適，本工程選0.6 m。當高度為0.6 m 時，集裝箱應力比結果如圖9所示。

圖8 應力比R-腰桁架高度H變化曲線Fig.8 Stress ratio R-waist truss height H variation curve

圖9 應力比結果圖Fig.9 Stress Ratio Result Diagram

2.3 腰桁架腹桿搭設方式的優化設計

通過進一步的研究發現，當腰桁架中間的腹桿搭設方式不同時，其受力結果將有所不同，合理的搭設方式會帶來更大的經濟價值。本節將重點講述腰桁架腹桿不同的搭設方式對下弦桿受力的影響，以期得到一個最優方案。

對比方案：600 mm×1 260 mm 矩形尺寸范圍內不設腹桿，具體見詳圖10。

方案一：專利圖紙上所顯示的腹桿撘設形式。600 mm×1 260 mm 矩形尺寸范圍內由兩根豎直的腹桿和兩根人字型斜腹桿組成，具體見詳圖10。

方案二：相比于方案一，在腰桁架兩端各增加一根斜腹桿，組成交叉腹桿模式（方案三、四、五都有此設定，后面不再敘述），為方案一的改進版，具體見詳圖10。

方案三：600 mm×1 260 mm 矩形尺寸范圍內由兩根豎直的腹桿和一根貫穿矩形上下兩頭的斜向腹桿組成，具體見詳圖10。

方案四：600 mm×1 260m m 矩形尺寸范圍內由兩根分別貫穿矩形上下兩頭的斜向腹桿組成，成交叉型布置，具體見詳圖10。

方案五：相比于方案二，在600 mm×1 260 mm矩形尺寸范圍內無600 mm長的豎直腹桿，具體見詳圖10。

圖10 腰桁架腹桿不同撘設方式對比圖Fig.10 Contrast diagram of different rolling ways of web rod of lumbar truss

各種方案對應的集裝箱疊箱模型計算結果數據對比如表1所示。

從表1 可以看出，方案二只是比方案一多了兩根斜向腹桿，下弦桿的應力比卻從0.934下降到了0.829，而且其他幾種方案都有類似的變化規律，因此集裝箱腰桁架的兩端設置斜向交叉腹桿有利于提高腰桁架的承載力；對比各種方案可以發現，方案五的Nr最大，Nd為負值且絕對值最小，因此方案五是所有方案中最優的，其次是方案三。方案五應力比結果如圖11所示。

表1 各方案計算數據對比Table 1 Comparisons of calculated data of various schemes

圖11 方案五應力比結果圖Fig.11 Scheme 5 stress ratio result diagram

3 原始方案與優化方案計算結果對比

3.1 原始方案與優化方案應力比結果圖

圖12 中腰桁架同圖10 中的方案一，圖13 中腰桁架同圖10 中的方案五，其他的同圖1。整體計算模型同時考慮地震荷載、風荷載、溫度荷載的受力影響，荷載組合采用SAP2000 軟件自帶的默認組合。

圖12 原始方案單榀應力比結果放大圖（中間二～四層）Fig.12 Enlarged results of single stress ratio of original scheme（Middle two to four floors）

圖13 優化方案單榀應力比結果放大圖（中間二～四層）Fig.13 Enlarged result of single stress ratio of optimization scheme（Middle two to four floors）

3.2 原始方案與優化方案計算結果對比

現就表2作以下三方面對比：

經濟性：優化方案比原始方案在用鋼量上節省了11 373 kg。因為華為將會在世界各地建造該類型的實驗生產基地，則該方案所帶來的經濟價值不可估量。

安全性：優化方案下弦桿平均應力比比原始方案約減小11 個百分點（上弦桿約減小2 個百分點），結構的可靠度大幅度提高，給抗震設防提供了有力保障。

表2 相關計算結果Table 2 Relevant calculation results

位移：從兩方案最大層間位移角對比可知，用優化方案替代原始方案，對整個結構的位移沒有影響，這也從一個側面論證了優化方案的可行性［8-9］。

4 結 論

（1）集裝箱腰桁架下弦桿的應力比隨著跨度的增大逐漸增大，但增大的幅度卻各不相同，跨度范圍選定在13.2～13.4 m之間較為合適；

（2）集裝箱腰桁架下弦桿的應力比隨著高度的增大逐漸減小，但減小的幅度卻各不相同，高度范圍選定在0.55～0.65 m之間較為合適；

（3）集裝箱腰桁架的兩端設置斜向交叉腹桿有利于提高腰桁架的承載力；

（4）相比于專利中原本的腰桁架設計方式，兩端做成斜向交叉以及中間做成人字形的，無論是經濟性還是安全性都更為合適。