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(chǎn)周期短、運輸和安裝方便等優(yōu)點，近年來被廣泛應(yīng)用于便利店、宿舍、學(xué)校、醫(yī)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(yī)院發(fā)揮了重要作用[2]。雖然箱式房在我國發(fā)展迅速，但設(shè)計生產(chǎn)企業(yè)普遍未考慮箱式房金屬面夾芯板的蒙皮效應(yīng)，并且將角件與立柱的連接簡化為剛性連接，從而可能導(dǎo)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(lǐng)域的團體標(biāo)準(zhǔn)，對箱式房發(fā)展起到了一定的規(guī)范作用;但該標(biāo)準(zhǔn)未明確說明箱式房金屬面夾芯板的蒙皮效應(yīng)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(yīng)的計算假設(shè)以及角件與立柱半剛性節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度的簡化計算方法，并利用盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件分析箱式房整體剛度和位移，以期為箱式房結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 箱式房金屬面夾芯板的蒙皮效應(yīng)

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(jié)果顯示：在不考慮墻板蒙皮效應(yīng)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(yīng)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(shè)計制造過程中，不應(yīng)忽略金屬面夾芯板的蒙皮效應(yīng)，否則有可能導(dǎo)致材料浪費和成本上升。

金屬面夾芯板的力學(xué)特性與芯材排布方式和芯材密度密切相關(guān)。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(yuǎn)遠(yuǎn)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(rèn)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(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》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(rèn)為箱式房金屬面夾芯板的蒙皮效應(yīng)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(shè)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(rèn)為角件與立柱節(jié)點的半剛性影響不容忽略。為了便于計算，結(jié)合張俊峰等[8]對箱式房節(jié)點的試驗分析，作出以下假設(shè)：（1）螺栓繞L形立柱受壓側(cè)最外端螺栓中心旋轉(zhuǎn);（2）由于角件的連接板較厚，忽略連接板變形對節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度的影響;（3）忽略L形立柱的異形截面對節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度的影響;（4）只考慮節(jié)點受拉螺栓變形對初始轉(zhuǎn)動剛度的影響;（5）角件與立柱的連接處在彈性階段。節(jié)點幾何參數(shù)定義見圖1，節(jié)點繞立柱短邊處的力學(xué)模型見圖2。

L型立柱與角件連接處的轉(zhuǎn)角

式中：w為單位力在節(jié)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(jié)點初始彎矩

M=wkbd+wkbd+3wkbd= wkbd（3）

節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度

K=（4）

由式（1）～（4）可得節(jié)點連接處繞L形立柱短邊旋轉(zhuǎn)的初始轉(zhuǎn)動剛度K11=14kbd2=，節(jié)點連接處繞L形立柱長邊螺栓旋轉(zhuǎn)的初始轉(zhuǎn)動剛度K12=32kbd 2= ，節(jié)點連接處繞L形立柱長邊旋轉(zhuǎn)的初始轉(zhuǎn)動剛度K21=5kbd 2= ，節(jié)點連接處繞L形立柱短邊螺栓旋轉(zhuǎn)的初始轉(zhuǎn)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(fā)揮緊固作用，從而導(dǎo)致立柱與角件的連接剛度被削弱;因此，需要對初始轉(zhuǎn)動剛度進行修正，修正系數(shù)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(gòu)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(shù)代入計算公式，得到經(jīng)修正的初始轉(zhuǎn)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(fēng)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(fēng)壓高度變化系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)均為1.0。由GB 50223―2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》可知，用于臨時建筑的箱式房通?？刹贿M行抗震設(shè)防，故本文未考慮地震工況。利用盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(fēng)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(yīng)和半剛性節(jié)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(yīng)但考慮半剛性節(jié)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(jié)點導(dǎo)致單層箱式房整體剛度降低;（3）在考慮墻板蒙皮效應(yīng)的條件下，無論是否考慮半剛性節(jié)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(yīng)顯著，其對單層箱式房整體剛度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于半剛性節(jié)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(fēng)工況下的位移來看：（1）在考慮墻板蒙皮效應(yīng)的條件下，無論是否考慮半剛性節(jié)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(yīng)的條件下，無論是否考慮半剛性節(jié)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(jié)束語

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

（2）角件與立柱的半剛性節(jié)點對單層箱式房整體剛度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于墻板蒙皮效應(yīng)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(jié)點初始轉(zhuǎn)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：

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（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(jié)構(gòu)抗震與裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計工作;

馬小陽（1993―），男，學(xué)士，從事超高層抗震與裝配式房屋設(shè)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(shù)研究工作4213DE33-64E6-4937-9705-6865B1871AA4