帶腰桁架的集裝箱疊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

周 璇

（深圳市同濟(jì)人建筑設(shè)計(jì)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(fā)明專利，專利名稱：箱體及集裝箱數(shù)據(jù)中心，專利號(hào)：CN107905577A）作為美國(guó)“商業(yè)周刊”所列出的20項(xiàng)重要發(fā)明之一，有可能在未來10年改變?nèi)藗兊纳罘绞剑?～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(cè)不設(shè)波紋板，每層樓面與腰桁架上弦桿標(biāo)高平齊，室內(nèi)根據(jù)使用功能要求設(shè)置相應(yīng)的建筑隔墻；單體集裝箱長(zhǎng)13.3 m，寬2.4 m，高4.15 m（圖1）。

圖1 帶腰桁架的集裝箱結(jié)構(gòu)單體計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of single container structure with waist truss

傳統(tǒng)的集裝箱［3-4］（圖2）因?yàn)樽笥覂蓚?cè)設(shè)置有波紋板，且對(duì)波紋板的開孔率有限制（一般不超過60%），即使形成疊箱結(jié)構(gòu)體系，也無法獲得開敞的大空間。因此傳統(tǒng)的集裝箱只能滿足最基本的日常居住需求［5］。

圖2 傳統(tǒng)的集裝箱房屋Fig.2 Traditional container house

因?yàn)檠旒芩趥?cè)不設(shè)波紋板，前后兩側(cè)也可以不設(shè)波紋板（鋼柱承重），帶腰桁架的集裝箱疊箱結(jié)構(gòu)可以獲得任意想要的大空間，如做成酒吧、餐廳、電影院、會(huì)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(qū)，系華為在該地區(qū)的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)基地。為一大型集裝箱疊箱結(jié)構(gòu)，其單體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖1，整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖4。結(jié)構(gòu)屋頂設(shè)鋼坡屋蓋，因支座處理問題，鋼坡屋蓋單獨(dú)建模計(jì)算，整體計(jì)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(chǎng)地類別為 D 類［6］。風(fēng)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(huì)議室等，本文選取IT 室作為研究對(duì)象，其恒荷載為0.42 kN/m2，活荷載為12 kN/m2。另整體計(jì)算模型最外圍臨空側(cè)的波紋板和鋼坡屋蓋考慮±30 ℃的溫度荷載，本文設(shè)計(jì)使用的是美國(guó)規(guī)范IBC2009、ASCE 7-10，遵循美國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 集裝箱疊箱結(jié)構(gòu)腰桁架尺寸的選定與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 腰桁架跨度的選定

圖4 整體集裝箱疊箱結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.4 Computational model of overall container stacked container structure

圖5 整體屋蓋結(jié)構(gòu)計(jì)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(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)成本意識(shí)，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(jié)構(gòu)模型，每個(gè)疊箱模型除跨度不一樣外，其他的參數(shù)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(zhǎng)的同截面方通鋼柱模擬；左右之間通過轉(zhuǎn)鎖和橋型連接器連接，模型中用 0.1 m 長(zhǎng)、截面 150×16 的方形實(shí)心虛梁模擬；腹桿與弦桿采用焊縫連接，考慮到實(shí)際工程中腹桿的兩端可能存在少量的彎矩，因此在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，將其與弦桿的連接設(shè)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(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。本小節(jié)將通過考察腰桁架下弦桿應(yīng)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(yīng)力比R-跨度L變化關(guān)系曲線見圖7。

圖7 應(yīng)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(yīng)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(gòu)件充分利用以及經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)懸挑等空間藝術(shù)效果，該腰桁架的結(jié)構(gòu)尺寸需另行計(jì)算。

2.2 腰桁架高度的選定

通過對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)腰桁架高度變化時(shí)，下弦桿受力也會(huì)發(fā)生變化。本小節(jié)將通過計(jì)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(duì)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(shù)均同圖1。應(yīng)力比R-腰桁架高度H變化關(guān)系曲線見圖8。

從圖8 中可以看出，下弦桿的應(yīng)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(zhǎng)，同時(shí)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(dāng)其他條件一定時(shí)，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(dāng)高度為0.6 m 時(shí)，集裝箱應(yīng)力比結(jié)果如圖9所示。

圖8 應(yīng)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(yīng)力比結(jié)果圖Fig.9 Stress Ratio Result Diagram

2.3 腰桁架腹桿搭設(shè)方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)腰桁架中間的腹桿搭設(shè)方式不同時(shí)，其受力結(jié)果將有所不同，合理的搭設(shè)方式會(huì)帶來更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本節(jié)將重點(diǎn)講述腰桁架腹桿不同的搭設(shè)方式對(duì)下弦桿受力的影響，以期得到一個(gè)最優(yōu)方案。

對(duì)比方案：600 mm×1 260 mm 矩形尺寸范圍內(nèi)不設(shè)腹桿，具體見詳圖10。

方案一：專利圖紙上所顯示的腹桿撘設(shè)形式。600 mm×1 260 mm 矩形尺寸范圍內(nèi)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(shè)定，后面不再敘述），為方案一的改進(jìn)版，具體見詳圖10。

方案三：600 mm×1 260 mm 矩形尺寸范圍內(nèi)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(nèi)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(nèi)無600 mm長(zhǎng)的豎直腹桿，具體見詳圖10。

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

各種方案對(duì)應(yīng)的集裝箱疊箱模型計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)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(yīng)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(guī)律，因此集裝箱腰桁架的兩端設(shè)置斜向交叉腹桿有利于提高腰桁架的承載力；對(duì)比各種方案可以發(fā)現(xiàn)，方案五的Nr最大，Nd為負(fù)值且絕對(duì)值最小，因此方案五是所有方案中最優(yōu)的，其次是方案三。方案五應(yīng)力比結(jié)果如圖11所示。

表1 各方案計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparisons of calculated data of various schemes

圖11 方案五應(yīng)力比結(jié)果圖Fig.11 Scheme 5 stress ratio result diagram

3 原始方案與優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.1 原始方案與優(yōu)化方案應(yīng)力比結(jié)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(jì)算模型同時(shí)考慮地震荷載、風(fēng)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(rèn)組合。

圖12 原始方案單榀應(yīng)力比結(jié)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(yōu)化方案單榀應(yīng)力比結(jié)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(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

現(xiàn)就表2作以下三方面對(duì)比：

經(jīng)濟(jì)性：優(yōu)化方案比原始方案在用鋼量上節(jié)省了11 373 kg。因?yàn)槿A為將會(huì)在世界各地建造該類型的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)基地，則該方案所帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不可估量。

安全性：優(yōu)化方案下弦桿平均應(yīng)力比比原始方案約減小11 個(gè)百分點(diǎn)（上弦桿約減小2 個(gè)百分點(diǎn)），結(jié)構(gòu)的可靠度大幅度提高，給抗震設(shè)防提供了有力保障。

表2 相關(guān)計(jì)算結(jié)果Table 2 Relevant calculation results

位移：從兩方案最大層間位移角對(duì)比可知，用優(yōu)化方案替代原始方案，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的位移沒有影響，這也從一個(gè)側(cè)面論證了優(yōu)化方案的可行性［8-9］。

4 結(jié) 論

（1）集裝箱腰桁架下弦桿的應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)計(jì)方式，兩端做成斜向交叉以及中間做成人字形的，無論是經(jīng)濟(jì)性還是安全性都更為合適。