华南理工大学土木工程与交通学院
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概括
集装箱式钢结构建筑是由集装箱组装而成的一个整体。它们具有装配式、模块化建筑的优点，具有良好的发展前景。然而，目前国内外学者对集装箱式钢结构建筑的研究大多是从建筑角度或单个箱体的结构力学性能出发。对波纹板墙的简化模拟和集装箱式钢结构房屋的结构设计方法进行了研究。还缺少什么。通过对瓦楞板结构分析方法的总结和总结，提出了一种结合竖向承重和水平侧向抗力的瓦楞板墙简化模拟方法。首先，利用有限元软件建立波纹板墙体模型，对墙体模型的顶端施加载荷，通过有限元分析得到波纹板墙体顶点处的载荷-位移关系，从而计算出初始水平横向刚度墙的；然后在设计软件中建立了上下梁和角柱的结构模型，波纹板相当于一个横撑。基于刚度等效原理计算横支撑的截面积，从而实现设计软件中对波纹板墙水平侧向刚度的模拟。同时，基于面积等效原理，将每个波纹简化为端部铰接的柱，并与集装箱钢结构房屋本身的上下梁连接，从而实现竖向承载力的模拟的瓦楞纸板墙。
对于多层集装箱钢结构建筑，建议采用GB 50017-2017《钢结构设计标准》中的高承载力-低延性抗震设计思想，按中小地震的地震力设计杆件，并放宽了对零部件的要求。宽厚比限制。
上述方法用于分析双层双车位集装箱消防站。采用ANSYS软件对瓦楞板墙体的侧向刚度进行分析，考虑瓦楞板孔洞对刚度的降低作用；然后采用等效交叉支撑和两端铰接小柱模拟波纹板墙，并在PKPM中建立结构分析模型。结合结构高度和设防强度，性能等级设定为性能3级，延性等级设定为V级，截面面板最小宽厚比设定为S5。根据新钢材标准的要求，计算了中小地震下梁、柱及支撑构件的承载力。结果表明，各构件均满足地震承载力要求；同时，结构最大层间位移角为1/527，集装箱梁和角柱最大应力比分别为0.92和0.35，均满足性能化设计要求。
1 概述
箱式钢结构建筑是由集建筑、结构、机电、内外装饰于一体的模块化建筑单元组成。具有施工速度快、环境干扰少、可重复利用等显着优势，有助于推动我国建筑工业化。 、组装和低碳化。其中集装箱式钢结构建筑是箱式钢结构建筑中出现最早、最具代表性的结构形式。
集装箱式钢结构建筑由集装箱组装而成，是一种快速、高效的模块化建筑产品。与普通房屋相比，集装箱式钢结构建筑具有绿色环保、易于拆卸等优点，在实际生产活动中得到了日益广泛的应用。
目前，国内外学者对集装箱式钢结构建筑的建筑视角有很多研究。阿玛琳娜等人。讨论了多层集装箱酒店的消防安全问题，从被动系统和主动系统两个方面论证了集装箱钢结构建筑的可行性。林等人。结合集装箱的优缺点，分析了集装箱的类型和结构，并对集装箱式钢结构建筑的未来发展提出了展望。黄科分析了集装箱式钢结构建筑的特点和应用领域，并结合欧美、非洲、亚洲等地区集装箱式钢结构建筑的发展现状，对集装箱式钢结构建筑的发展提出了建议。型钢结构建筑。通过对国内外大量集装箱建筑理论和实际案例的解读，郭雪婷从建筑设计的角度总结了集装箱建筑的空间组合、外围护结构改造等策略。此外，集装箱式钢结构建筑在消防安全领域也得到广泛应用。许多城市都会在社区建设集装箱消防站，以应对各种规模的火灾事故。
在结构性能方面，Giriunas 等人。按照国际标准组织规定的加载方法对集装箱箱体进行有限元分析。他们通过拆除集装箱壁、顶等构件，研究了各构件对集装箱水平和垂直承载力的影响。维尼修斯等人。对集装箱进行振动台试验和数值分析，研究集装箱堆叠形式的振动性能。查晓雄等.合理简化了集装箱模块，提出了多层集装箱角柱轴向力计算公式和集装箱横向位移公式。范坤杰等基于能量理论和有限元分析。推导了集装箱的水平横向刚度，并提出了开口集装箱的刚度折减公式。研究成果被《集装箱房屋技术规程》采纳。李英蕾等.利用有限元软件研究了集装箱在不同开启率和开启位置下的刚度降低效果，提出增加顶梁刚度和波纹板长度可以提高集装箱水平侧向刚度，但集装箱具有载荷传递的临界长度。超过这个长度后，增加集装箱的长度对于提高集装箱的水平横向刚度没有效果。
现有的研究成果推动了集装箱建造的发展。但大多数都是基于建筑角度或单个结构的力学性能。
关于集装箱式钢结构的结构设计：王露露将集装箱波纹板的波纹截面形状简化为正弦曲线，根据一个周期的波形将波纹板分成若干板条，并将每个板条等价视为作为一个列。通过计算柱的等效刚度，最终得到波纹板墙的水平横向刚度。等效波纹板条与柱的简化计算方法较为方便，但有限元分析结果表明，该方法计算的波纹板水平横向刚度偏小。
陆野等人。提出了一种使用等效交叉支撑模拟集装箱瓦楞板壁侧向刚度的计算方法。具体来说，通过有限元软件计算箱形波纹板墙体的水平横向刚度和屈服承载力。根据刚度等效和承载力等效的原则，将波纹板墙体简化为等效交叉支撑，并在结构设计软件中建立集装箱钢结构建筑的整体分析模型。该方法对集装箱式钢结构建筑设计具有较大的参考价值，但未考虑波纹板竖向承载力及波纹板墙体开孔的影响。
因此钢结构设计原理丁阳，本文将波纹板墙的水平侧向刚度和竖向承载力相结合，提出采用等效柱来模拟波纹板墙的竖向承载力，同时采用等效交叉支撑来模拟水平侧向承载力。瓦楞纸板墙的阻力。刚性;在结构设计软件中建立集装箱式钢结构建筑的整体分析模型，并根据《钢结构设计标准》中“高承载力-低延性”的设计思想，对某集装箱消防站实例进行抗震性能设计。
2 集装箱瓦楞板壁的等效模拟
2.1 集装箱瓦楞板壁水平横向刚度等效法 2.1.1 水平横向刚度有限元分析法
集装箱瓦楞板壁具有较大的水平侧向刚度。通用的结构设计软件无法直接建立瓦楞板墙的模型。有限元软件可用于进行应力分析。相关文献通过对比无开孔的整体模型和无开孔的单片墙模型，证实单片墙有限元分析模型的精度能够满足要求。
常规的有限元分析方法是：边柱采用梁单元模拟，上下梁及波纹板侧壁采用壳单元模拟。集装箱波纹板与钢架设置刚性连接关系。同时约束边柱上部的横向位移，约束上梁面外平移自由度，约束下梁全部平动自由度；对单件壁模型的顶端点施加载荷，通过有限元分析，得到集装箱瓦楞板壁顶点处的载荷-位移关系曲线，并得到壁的初始水平横向刚度由此得到。
2.1.2 水平侧向刚度折减计算
DBJ/T 15-112-2016《集装箱房屋技术规程》给出了带孔集装箱的刚度折减公式。窗形开口应满足要求：开口应排列整齐，成排分布；开口的总高度不应超过侧板总高度的1/3；开口之间的间距以及到边缘的距离应至少等于开口的宽度。门形洞口应符合下列要求：洞口总高度超过侧板总高度的2/3；开口的宽度不超过侧板总长度的25%；开口与两侧边缘的距离不超过20%。满足上述条件的开口集装箱水平侧向刚度计算公式为：
式中：Kz为敞口集装箱的水平侧向刚度，K0为集装箱初始水平侧向刚度，κ为刚度折减系数。
窗户开口刚度折减系数：
门形开口刚度折减系数：
式中：λj、λn为变形增加系数，φj、φn为仅与波形形状有关的参数，t为波形板厚度，H为波形板扣除上下梁后的高度， L为扣除左右柱后的波纹板。宽度ah是开口宽度的总和。
对于不能满足上述条件的开孔集装箱，按李英雷等人提出的集装箱侧向刚度折减系数公式进行计算：
式中：η为刚度折减系数。
6 m集装箱刚度折减系数：
12 m集装箱刚度折减系数：
式中：α为开口宽度与容器长度的比值，β为开口中心线到容器中心线的距离与容器长度的比值。
2.1.3 结构设计软件中水平侧向刚度模拟
得到带孔波纹板墙的水平横向刚度后，根据文献提出的等效支撑模拟方法将波纹板墙等效为横撑，等效横撑的截面积为根据刚度等效原理计算。具体方法为：在柱顶一侧施加水平荷载F，模型在荷载作用下发生水平侧向变形。等效交叉支撑模型如图1所示。
图1 等效交叉支撑模型设计图
水平侧向变形计算公式：
根据波纹板墙体刚度与等效交叉支撑刚度相等的原则，可得：
得出等效交叉支撑面积计算公式：
式中：Δw为等效横支撑模型顶部水平侧向变形，Δb为支座在侧向荷载F作用下的变形量，β为等效横支撑与水平面的夹角, lb 为等效交叉支撑的长度； K为带孔波纹板的侧向刚度，E为等效交叉支撑材料的弹性模量。
获得等效交叉支撑面积后，在设计软件中利用等效支撑模拟瓦楞板墙的水平横向刚度，建立整体结构模型。
2.2 集装箱整体壁竖向承载力模拟
集装箱波纹板与集装箱钢架焊接在一起。通常为厚度为1.6毫米的波纹钢板，具有竖向承载能力。在设计软件中，可以用等效柱来模拟波纹板的竖向承载力。具体地：以一块波纹板为单位，单位波纹板按面积相当于一根柱子。由于每个波纹相当于一根柱子，其间距很小，铰接和刚性连接对梁的影响很小；但如果设置为刚性连接，则等效柱将约束上下梁的旋转，柱将具有水平侧向刚度。 ，此时瓦楞板壁的侧向刚度会被放大。因此，设置等效柱上下端与待铰接的瓦楞板墙上下梁的连接关系较为安全。
3 集装箱钢结构建筑结构设计方法
弹性变形和塑性变形都会消耗能量。在相同能量输入条件下，结构的延性越好钢结构设计原理丁阳，弹性承载力要求越低；反之，结构的延性较差，需要较高的弹性承载能力。
GB 50017-2017《钢结构设计标准》明确提出了“高延性-低承载力”和“低延性-高承载力”两种抗震设计思想。可根据实际工程情况选择适合结构的性能目标。根据此目标进行承载力验证和结构延性验证以适应性能水平。
轻钢结构承载能力强，但构件宽厚比等指标较大，一般不易满足抗震规范的结构要求。结合轻钢结构的特点，可按照“低延性-高承载力”抗震设计思想进行设计。即在满足小地震作用下的承载力和变形的条件下，按一定的性能目标进行设计。若满足中震承载力要求，可按相应的宽厚比等级和延性等级放宽宽厚比、高厚比和长度。精细比例限制。
4 案例分析
4.1 项目概况
本文以位于北京的一个双车位集装箱消防站为研究对象。该建筑由一层、中夹层和二层组成，总建筑面积549.282平方米。一楼设有双车位车库，二楼设有准备室、活动室、厨房、卫生间等。二层包厢布局如图2所示。
图2 二层箱体布局mm
4.2 水平侧向刚度计算
4.2.1 波纹板墙有限元分析
集装箱瓦楞板壁高2896毫米，厚度1.6毫米，均为Q235B钢材。以长度为6058 mm的瓦楞板墙为例，采用有限元软件ANSYS进行分析。
根据图3波纹板截面尺寸建立几何模型，并采用单件墙体模型进行分析。单元类型为Shell 181单元，有4个节点，每个节点有6个自由度。边柱采用梁单元模拟，约束边柱上部的横向位移；上下梁及波纹板侧壁采用壳单元模拟，上梁约束其面外平动自由度，下梁约束其全部平动自由度。 ;左立柱上端沿X正方向水平单调加载，采用位移控制。同时打开几何和材料非线性开关。
图3 集装箱瓦楞单元截面尺寸示意图mm
经分析，模型水平承载力为228 kN，屈服位移为3.45 mm，初始刚度为71.600 kN/mm。波纹板壁变形图如图4所示，水平荷载-位移曲线如图5所示，刚度-水平荷载曲线如图6所示。
图4 变形量mm
图5 水平荷载-位移曲线
图6 刚度-水平载荷曲线
用同样的方法对其他尺寸的波纹板模型进行有限元分析。经计算，波纹板的水平横向刚度如表1所示。从表中可以看出，随着波纹板长度的增加，其水平横向刚度增大；但当波纹板的长度增加到一定长度后，其水平侧向刚度不再增加。这与李英蕾等人的研究一致。原因是集装箱顶梁刚度有限，不能有效地将顶部载荷传递到远端，因此只有集装箱侧板靠近装载端的部分才能有效承受载荷。
表1 不同尺寸波纹板的初始水平横向刚度
4.2.2 有限元法验证
丁阳等.对集装箱单个瓦楞板壁进行准静态试验，得到瓦楞板壁试件的水平横向刚度。为了验证上述有限元分析方法的可靠性，选取与参考件构件尺寸接近的波纹板墙，采用相同的有限元分析方法进行分析。验证模型和参考模型的元件尺寸如表2所示。
表2 模型各部件尺寸（mm）
经有限元分析计算，长度为3024 mm的瓦楞板墙体水平横向刚度为64.6 kN/mm。相关文献的测试结果为：长度为3600mm的瓦楞板墙体的水平侧向刚度为66.7kN/mm。波纹板墙有限元模型的横向刚度比参考模型小3.1%。与实验值非常接近，证明所采用的有限元分析方法是可靠的。
4.2.3 带孔波纹板墙刚度折减及等效模拟
得到瓦楞板墙体的初始水平横向刚度后，计算带孔瓦楞板墙体的折减系数，并按式（1）或（3）计算带孔瓦楞板墙体的水平横向刚度，然后利用式(6b)计算等效横撑的横截面积并选择相应的横撑。以图2中集装箱1的瓦楞板壁为例进行计算，各计算参数详见表3。
表3 水平侧向刚度等效计算
4.3 结构分析参数设置
该结构设有中间夹层，适合对YJK的空间结构功能进行建模，因此采用YJK计算结构的整体指标。同时，PKPM可以实现“低延性-高承载力”的性能目标，因此采用PKPM软件计算构件指标。
根据《集装箱组合式活动房屋技术规定》，集装箱组合式活动房屋的结构设计使用寿命可设定为50年或25年，而根据国家发改委颁发的《组合式消防救援方舱》批复稿中国消防协会规定，模块式化学火灾救援方舱设计使用寿命为50年。因此，集装箱消防站的设计使用寿命定为50年。结构体系采用多层钢结构厂房。北京市抗震设防烈度为8度（0.2g），抗震设防类别为丙级，设计地震分组为2级，建筑场地类别为II类，钢框架抗震等级为3级，50级年重现期基本为 风压0.45 kN/m2。
结构设计软件中采用等效柱和等效十字支撑模拟集装箱波纹板壁，并选用焊接薄壁圆钢管作为支撑构件。集装箱立柱上下端设置铰接，使同一层相邻集装箱的立柱合并为一根立柱，相邻集装箱的梁合并为一根梁；同时，上下层之间的梁也被合并。三维结构模型如图7所示。
图7 三维结构模型
4.4 分析结果
4.4.1 总体指标
经过调试计算，结构主要指标如表4所示。从表4可以看出，模型一、二阶振型为平移，三阶振型为扭转；第一扭转周期（0.3478）/第一平移周期（0.4552）= 0.76 < 0.90 ，符合规范要求。在地震作用下，楼层最大层间位移角为1/527，小于1/250极限；最大层间位移比为1.37，小于1.50的限值。 X地震方向有效质量系数为91.5%，Y地震方向有效质量系数为92.4%，均满足规范要求。
表4 结构计算主要指标
4.4.2 成分指标
按照“低延性-高承载力”的思想进行抗震性能设计。梁、柱及支撑构件均按照新钢规范要求进行中震承载力试验。计算表明，模型各构件均满足中震条件下的承载力要求。根据性能设计目标，放宽了构件宽厚比、高厚比、长细比的控制要求。性能等级设置为性能3级，结构构件最低延性等级设置为V级，截面板宽厚比最低等级设置为S5级。
放宽结构要求后，二层集装箱角柱计算结果如图8所示，集装箱顶梁计算结果如图9所示。二层集装箱角柱最大应力比为0.35，第二层集装箱顶梁最大正应力比为0.92。应力最大的梁处于特殊位置。它是集装箱的顶梁，是一个薄壁构件。这根梁下的房间与房间相连。梁体没有连接波纹板墙，因此该梁的应力比较大。为了加强防护，梁上安装了吊杆与上部轻钢屋架连接。
图8 二层集装箱角柱应力比简化图
图9 二层集装箱顶梁应力比简化图
5 结论
采用等效柱模拟集装箱瓦楞板壁的竖向承载力，采用等效交叉支撑模拟集装箱瓦楞板壁的水平横向刚度。经软件计算和实际工程验证，该结构设计方法是合理的。可行的。
另外，轻钢结构承载能力强，但构件宽厚比等指标较大。因此，抗震性能设计可按照GB 50017-2017《钢结构设计标准》中“低延性-高承载力”的设计思想进行。也就是说，在满足高承载力的情况下，可根据相应的宽厚比等级和延性等级，放宽对宽厚比、高厚比、长细比等结构要求的限制。
资料来源：马宏伟、蔡玉柱、李翔、罗成刚、罗杰。集装箱钢结构房屋性能设计方法[J].钢结构（中英文），2022, 37(6): 46-51.
DOI：10. 13206/j。 gjgS21102103
