可拆式模塊化箱式房整體剛度和位移

彭志豐 馬小陽 賈治勇 高上宇

可拆式模塊化箱式房（以下簡稱“箱式房”）具有生產周期短、運輸和安裝方便等優點，近年來被廣泛應用于便利店、宿舍、學校、醫院、閱兵村和度假酒店等場所[1]，尤其是在2020年上半年抗擊新冠肺炎疫情的過程中，以箱式房為建筑形式的方艙醫院發揮了重要作用[2]。雖然箱式房在我國發展迅速，但設計生產企業普遍未考慮箱式房金屬面夾芯板的蒙皮效應，并且將角件與立柱的連接簡化為剛性連接，從而可能導致成本增加并造成安全隱患。T/CCMSA 20108―2019《集成打包箱式房屋》作為箱式房領域的團體標準，對箱式房發展起到了一定的規范作用;但該標準未明確說明箱式房金屬面夾芯板的蒙皮效應和角件與立柱的半剛性連接對箱式房整體變形和受力的影響。本文提出箱式房金屬面夾芯板蒙皮效應的計算假設以及角件與立柱半剛性節點初始轉動剛度的簡化計算方法，并利用盈建科建筑結構設計軟件分析箱式房整體剛度和位移，以期為箱式房結構設計提供參考。

1 箱式房金屬面夾芯板的蒙皮效應

箱式房四周墻板采用金屬面夾芯板，芯材為玻璃絲棉、巖棉和聚氨酯等，金屬面板厚度通常在0.5～ 0.7 mm之間。金屬面夾芯板通過自攻釘與L形立柱連接，并通過卡件等與頂梁和底梁連接。孫超等[3]對3層箱式房進行有限元計算，結果顯示：在不考慮墻板蒙皮效應的條件下，箱式房的整體剛度為3.72？103 kN/m;在考慮墻板蒙皮效應的條件下，箱式房的整體剛度為2.60？05 kN/m。由此可見：金屬面夾芯板能夠有效提高箱式房的整體剛度，從而減少箱式房變形;因此，在箱式房設計制造過程中，不應忽略金屬面夾芯板的蒙皮效應，否則有可能導致材料浪費和成本上升。

金屬面夾芯板的力學特性與芯材排布方式和芯材密度密切相關。研究和試驗表明：玻璃絲棉和巖棉順纖維方向的彈性模量遠遠大于垂直纖維方向的彈性模量，拉伸彈性模量大于壓縮彈性模量，并且其彈性模量與密度成正比。[4-6]為了便于處理，可偏安全地認為芯材的拉伸彈性模量等于其壓縮彈性模量。芯材的剪切模量可通過查詢JGJ/T 453―2019《金屬面夾芯板應用技術標準》獲取。金屬面夾芯板芯材和面板的彈性模量和剪切模量見表1。

箱式房墻板厚度通常為50 mm、75 mm或。考慮到金屬面板的彈性模量與芯材的彈性模量存在巨大差異，可近似認為箱式房金屬面夾芯板的蒙皮效應全部由金屬面板貢獻。

2 箱式房角件與立柱的半剛性連接

在箱式房設計制造過程中，角件與立柱的連接通常被簡化為剛性連接。這種簡化與實際受力情況不符，可能存在安全隱患。任建省[7]對箱式房角件與立柱的連接進行有限元分析，認為角件與立柱節點的半剛性影響不容忽略。為了便于計算，結合張俊峰等[8]對箱式房節點的試驗分析，作出以下假設：（1）螺栓繞L形立柱受壓側最外端螺栓中心旋轉;（2）由于角件的連接板較厚，忽略連接板變形對節點初始轉動剛度的影響;（3）忽略L形立柱的異形截面對節點初始轉動剛度的影響;（4）只考慮節點受拉螺栓變形對初始轉動剛度的影響;（5）角件與立柱的連接處在彈性階段。節點幾何參數定義見圖1，節點繞立柱短邊處的力學模型見圖2。

L型立柱與角件連接處的轉角

式中：w為單位力在節點處引起圖2螺栓③的拉伸變形量;d為螺栓孔間距。

螺栓剛度

式中：E為螺栓彈性模量;Ab為螺栓有效截面面積;Lb為螺栓有效長度，取連接處端板、墊圈和半個螺栓頭的厚度之和。

節點初始彎矩

M=wkbd+wkbd+3wkbd= wkbd（3）

節點初始轉動剛度

K=（4）

由式（1）～（4）可得節點連接處繞L形立柱短邊旋轉的初始轉動剛度K11=14kbd2=，節點連接處繞L形立柱長邊螺栓旋轉的初始轉動剛度K12=32kbd 2= ，節點連接處繞L形立柱長邊旋轉的初始轉動剛度K21=5kbd 2= ，節點連接處繞L形立柱短邊螺栓旋轉的初始轉動剛度K22=9kbd 2=。

立柱與角件通過無螺母的高強螺栓連接，僅靠螺紋咬合發揮緊固作用，從而導致立柱與角件的連接剛度被削弱;因此，需要對初始轉動剛度進行修正，修正系數為0.15。[8]31

3 單層箱式房的整體剛度和位移

箱式房角件與立柱連接處采用模塊化構件和8.8級M12高強螺栓。螺栓有效截面面積Ab=2，螺栓有效長度Lb=45 mm，螺栓彈性模量E=2.06？106 N/mm2，螺栓孔間距d=50 mm。將以上參數代入計算公式，得到經修正的初始轉動剛度=2 764kNm/rad，=6 317 kN m/rad，= m/rad，=1 776 kN m/rad。箱式房樓面恒載和活載分別為0.5 kN/m2和/m2，屋面恒載和活載分別為0.15 kN/m2和0.50 kN/m2，基本風壓分為0.50 kN/m2、0.55 kN/m2、0.60 kN/m2和0.65 kN/m2等4種工況，地面粗糙度類別為B類，風壓高度變化系數和風振系數均為1.0。由GB 50223―2008《建筑工程抗震設防分類標準》可知，用于臨時建筑的箱式房通常可不進行抗震設防，故本文未考慮地震工況。利用盈建科建筑結構設計軟件建立單層箱式房整體模型，并分析單層箱式房的整體剛度和風工況下的位移（見表2）。

從整體剛度來看：（1）在不考慮墻板蒙皮效應和半剛性節點影響的條件下，單層箱式房沿長度方向的整體剛度為102.04 kN/m，沿寬度方向的整體剛度為89.29 kN/m;（2）在不考慮墻板蒙皮效應但考慮半剛性節點影響的條件下，單層箱式房沿長度方向的整體剛度降至94.34 kN/m，沿寬度方向的整體剛度降至86.96 kN/m，這是因為角件與立柱的半剛性連接節點導致單層箱式房整體剛度降低;（3）在考慮墻板蒙皮效應的條件下，無論是否考慮半剛性節點影響，單層箱式房沿長度方向的整體剛度均為/m，沿寬度方向的整體剛度均為/m，這是因為墻板蒙皮效應顯著，其對單層箱式房整體剛度的影響遠遠大于半剛性節點的影響，從而大大提高單層箱式房的整體剛度。4213DE33-64E6-4937-9705-6865B1871AA4

從風工況下的位移來看：（1）在考慮墻板蒙皮效應的條件下，無論是否考慮半剛性節點影響，單層箱式房沿長度和寬度方向的位移均不超過限值;（2）在不考慮墻板蒙皮效應的條件下，無論是否考慮半剛性節點影響，單層箱式房沿長度和寬度方向的位移均超過限值。

4 結束語

（1）單層箱式房金屬面夾芯板的蒙皮效應顯著，能夠有效提高箱式房的整體剛度，減少其在風作用下的位移;因此，箱式房設計應當考慮墻板的蒙皮效應，否則可能導致成本增加。

（2）角件與立柱的半剛性節點對單層箱式房整體剛度的影響遠遠小于墻板蒙皮效應的影響，可以忽略不計。

（3）本文提出的箱式房角件與立柱半剛性節點初始轉動剛度的計算公式忽略端板變形和L形立柱異形截面的影響，具有較強的可操作性，便于工程人員使用。

參考文獻：

[1] 彭志豐，張偉. 裝配式模塊化可拆集裝箱房屋應用與發展[J]. 集裝箱化，2019，30（3）：20-23.

[2] 袁理明，侯國求，羅海兵，等. 武漢雷神山醫院結構設計[J]. 建筑結構，2020，50（8）：1-8.

[3] 孫超，王立偉，王月棟. 低層模塊化房屋結構性能分析[J]. 鋼結構（中英文），2019，34（7）：65-69.

[4] 吳潔，秦培成，查曉雄. 玻璃絲棉及其夾芯板力學性能的試驗研究[J]. 四川建筑科學研究，2011，37（1）：79-82.

[5] 秦培成. 金屬面夾芯板抗彎性能的理論及試驗研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

[6] 楊增雨. 金屬面結構巖棉板力學性能的試驗和理論研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

[7] 任建省. 集裝箱房屋梁柱節點的半剛性性能研究[D]. 西安：西安建筑科技大學，2018.

[8] 張俊峰，楊大雍，胡文悌，等. 拆裝式箱型房屋整體抗彎剛度研究[J]. 鋼結構，2016，31（12）：28-32.

（編輯：張敏 收稿日期：2021-09-14）

作者簡介：彭志豐（1986―），男，工程師，從事鋼結構抗震與裝配式鋼結構房屋設計工作;

馬小陽（1993―），男，學士，從事超高層抗震與裝配式房屋設計工作;

賈治勇（1969―），男，副研究員，從事偽裝隱身與電磁防護技術研究工作4213DE33-64E6-4937-9705-6865B1871AA4