風雪荷載對冷藏集裝箱使用安全性的分析

蔡鶴 孫立贏

摘 要：分析計算ISO冷藏箱在承受極端風需荷載下的箱體強度，列出了對應工況的計算結果。對箱體在極端條件下的安全性使用提供了參考。

關鍵詞： 風雪荷載;ISO冷藏箱;安全性

冷藏集裝箱是為了運輸對溫度有一定要求的易腐貨物的集裝箱。箱體主要采用耐候鋼、鋁合金、不銹鋼薄板、保溫隔熱材料等組成。通過焊接、鉚接等工藝組成一個整體。

為了滿足海上、公路、鐵路等不同的運輸工況，箱體需滿足相關ISO標準及船級社試驗要求。冷藏集裝箱除了用作重要的貨物運輸載體外，其在碼頭、場站堆放時或用做儲存貨物的倉庫和辦公居住的集裝箱房時，還會受到自然界中風荷載和雪荷載的影響。對于標準結構的ISO冷藏集裝箱，盡管其擁有較大的剛度及較高的強度，但在設計時并未有針對風雪荷載的計算和校核。因此，了解箱體是否滿足風雪荷載強度要求，對保障箱體正常使用和人員安全是十分必要的。

1.風荷載計算

與氣流方向垂直的物體表面受到的風壓稱為風的壓強。對結構上用于計算的風壓稱為風荷載。以40ft標準海運冷藏集裝箱放置在地面上為例，計算側(cè)板為迎風面時箱體受力情況。箱體空載和滿載時質(zhì)量關系如下：P=R-T;

其中，P為貨載質(zhì)量，為冷藏箱最大允許裝載量;R表示冷藏箱額定值;T表示箱體自身質(zhì)量。40ft標準海運冷藏箱自重Tg約為44.1KN，滿載時Rg約為264.6KN。 冷藏箱外尺寸L×W×H為12.192m×2.438m×2.896m。

1.1冷藏集裝箱空載

當冷藏箱空載時，若風荷載產(chǎn)生的傾覆力矩大于箱體自重的力矩時，會使箱體發(fā)生側(cè)翻傾覆。參考《建筑結構荷載規(guī)范》中對風荷載的描述：ωk=βz μs μz ω0

式中：ωk——風荷載標準值（kN/m2）;βz—— Z高度處的風振系數(shù);μs——風荷載體型系數(shù);μz——風壓高度變化系數(shù);ω0——基本風壓（kN/m2）。

按βz風振系數(shù)取值1.0。風壓高度系數(shù)μz的取值與地面粗糙度有關，按A類近海海岸地區(qū)取值1.09。風荷載體型系數(shù)μs取值1.3?；撅L壓ω0以50年重現(xiàn)期為準，選取最大風壓值，查表得0.85KN/m2，代入公式：ωk=1.0×1.3×1.09×0.85=1.204KN/m2，風荷載作用在冷藏箱上的傾覆力矩：M1=1.204×12.192×2.896×0.5×（2.896+0.5）=72.183KN·M;箱體自重的抗傾覆力矩：M2=44.1×0.5×2.438=53.758KN·M，可知M2﹤M1，冷藏箱將會發(fā)生傾覆。

1.2 冷藏集裝箱滿載

此時總重量約為264.6KN，箱體自身的抗傾覆力矩：M3=264.6×0.5×2.438=322.547 KN·M;可知M3﹥M1，箱體是安全的，不會發(fā)生傾覆。

1.3冷藏集裝箱風荷載計算

冷藏箱未發(fā)生傾覆時，箱體結構承受最大的風荷載，需計算局部及整體結構強度是否滿足。選取箱體左側(cè)板為迎風面，對應的風荷載體型系數(shù)為+0.8，另一側(cè)板為背風面，體型系數(shù)為-0.5，門端面和冷機端面的體形系數(shù)為-0.7。其中正號表示受壓力，負號表示受拉力。因箱體迎風面與背風面受到風荷載方向相同，此時冷藏箱整體的風荷載體型系數(shù)為1.3。箱體各面的壓強計算如下：

迎風面ωk=1.0×0.8×1.09×0.85=0.741KN/m2，

背風面ωk=1.0×0.5×1.09×0.85=0.463KN/m2，

箱體迎風面與背風面總風荷載ωk=0.741+0.463=1.204KN/m2，

冷藏箱側(cè)板滿足ISO標準及船級社試驗氣袋0.6Pg強度要求，對應的側(cè)板壓強為：P側(cè)=（264.6-44.1） ×0.6÷12.192 ÷2.896=3.747KN/ m2。

可知冷藏箱側(cè)板強度設計值P側(cè)大于迎風面受到的風荷載及箱體整體受到的總風荷載，冷藏箱的結構強度是滿足的。

2.雪荷載計算

雪荷載的大小主要取決于當?shù)氐慕笛┝?，本例中計?0ft冷藏箱頂板受到的最大雪荷載?！督ㄖY構荷載規(guī)范》中對雪荷載的描述：屋面水平投影面上雪荷載的計算為：Sk=μr S0;

式中：Sk——雪荷載標準值（kN/m2）;μr——屋面積雪分布系數(shù);S0——基本雪壓（kN/m2）?；狙篠k以50年重現(xiàn)期中有記錄的歷史最大值進行計算，查表取1.65KN/m2，屋面積雪分布系數(shù)μr取1.0，得出雪荷載為：Sk=1.0×1.65=1.65KN/m2

冷藏箱頂板滿足ISO標準及船級社試驗頂板強度要求，為300mm×600mm的面積上均勻分布300Kg，不出現(xiàn)影響箱體正常使用的永久性變形。

使用有限元方法計算1.65KN/m2的雪荷均布于箱頂時產(chǎn)生的應力及變形。

冷藏集裝箱模型單元類型以殼單位為主。約束箱體4個底角件，頂板施加1.65×10-3MPa的均布壓強。應力及位移云圖如圖2所示。

從應力云圖及位移云圖中可見，箱體整體的應力及變形數(shù)值均較小，且在材料的彈性范圍內(nèi)。當雪荷載去除后，殘余變形為零，箱體強度滿足使用要求。

3.總結

（1）冷藏集裝箱空載，且受到基本風壓為0.85KN/m2的風荷載時，箱體會發(fā)生傾覆，造成結構不同程度的損傷。進一步的，按照空載不發(fā)生傾覆，反算臨界的基本風壓ω0=0.63KN/m2。對于基本風壓大于0.63KN/m2或冷藏箱為多層堆放的情況，為保證安全使用，需使用連接裝置對箱體與地面或箱體與箱體之間進行固定。

（2）冷藏箱滿載時，因自重很大，受到最大風荷載時不會發(fā)生傾覆，同時最大迎風面的風荷載ωk=0.741KN/m2，箱體迎風面與背風面總風荷載ωk=1.204KN/m2，均小于冷藏箱側(cè)板強度的設計值3.747KN/ m2，箱體結構是安全的。

（3）在雪荷載作用下，箱體頂板變形較為對稱，為箱內(nèi)方向的下沉變形，最大應力約為60Mpa，最大變形量約9mm，屬于彈性變形，冷藏箱的強度滿足要求，箱體可安全使用。

參考文獻：

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