风荷载作用下集装箱建筑极限高度的研究

董新元，刘仲洋，2＊，王安安，毛会，张明普，陈杰

（1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断，改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000）

0 前言

集装箱建筑是一种新型的钢结构建筑形式，国外对集装箱建筑的研究开始较早，Giriunas[1]利用有限元分析了多种集装箱整体和在开洞形式下多种荷载作用时的刚度，对集装箱建筑有限元模型的建模过程进行了详细介绍。Sinha[2]根据ISO规范规定的实验要求模拟了标准集装箱空间框架结构三维模型。国内对于集装箱建筑的研究相较于国外来说起步较晚，柏延卫等[3]共同撰写的《香港集装箱建筑》，对集装箱建筑的空间组合形式、建筑造型以及箱体结构加固等方面进行了系统的分析，但其在构造、连接加固等方面都属于薄弱环节。王璐璐[4]运用ABAQUS对集装箱建筑在横向和竖向荷载下结构的布置、侧移等进行了研究，论证了运用ABAQUS建模的有效性，但是分析中没有考虑波纹板的影响。本文主要研究在风荷载作用下集装箱建筑的极限高度，采用ABAQUS软件对集装箱进行建模，考虑侧壁波纹板对结构的影响，分析风荷载对集装箱建筑极限高度的影响。

1 结构风荷载计算

集装箱房屋受到的水平荷载主要为水平风荷载和地震作用，集装箱建筑对水平风荷载较为敏感，在水平风荷载作用下集装箱外框架、波纹板成为主要的抗侧力构件，本文分别模拟了纵向风荷载和横向风荷载对集装箱建筑的不利影响。在进行模拟时，将梯形分布风荷载简化为矩形分布，根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）[5]，垂直于建筑物表面的风荷载标准值应符合式1-1规定，风荷载标准值的计算见表1。

纵向风荷载标准值。对于40ft集装箱，1～4层时，水平风荷载F=wk·A=18.72kN，顶层风荷载为F=9.36kN；5～6层时，水平风荷载F=wk·A=21.024kN；7～8层，水平风荷载F=wk·A=23.04kN；9-10层，水平风荷载F=wk·A=25.92kN。由于对风荷载分布进行了简化，风荷载沿建筑物高度是均匀分布的，因此取10层以下风荷载标准值为m2，F=wk·A=22.176kN，则顶层风荷载荷载为F=11.088kN。

2 集装箱极限高度有限元模拟

2.1 相关参数

模拟选取40英尺标准集装箱，根据ISO标准，长宽高分别为12.192m、2.438m、2.591m，为简化模拟，集装箱各构件尺寸见表2，结构各部件钢材均采用Q345钢。

2.2 有限元模型建立

建模时只建立主要的承重构件，包括顶梁、底梁、角柱、顶底角件以及波纹板，忽略其他细部构造。集装箱模型各构件之间采用Tie绑定来模拟焊接，波纹板采用壳单元创建，其他部件均采用3D实体单元。根据《集装箱模块化组合房屋技术规程》[6]集装箱上下层之间采用角件的焊接连接，模型的边界条件为固定四个底部角件以及两下侧梁，风荷载沿波纹板面分布，由于波纹板面凹凸不平，因此考虑将风荷载进行等效成集中荷载，沿上侧梁轴线、端梁轴线方向施加在集装箱上部角件。根据表2集装箱各部件尺寸在Part选项下建立各部件的三维模型，建模单位为mm。集装箱模型梁柱角件以及波纹板均采用Q345钢材，钢材材性见表3。

风荷载标准值 表1

集装箱尺寸 表2

材料参数 表3

2.3 纵向风荷载作用下结果分析

对纵向风荷载作用下的集装箱建筑的极限高度进行了模拟，并对ABAQUS中的数据进行提取，得到了纵向风荷载作用下层高与侧移变化关系曲线，如图1所示。《钢结构设计标准》（GB50017-2017）[7]规定在风荷载作用下多层框架结构柱顶侧移限值为H/500，其中H为建筑总高度。对于施加纵向风荷载的集装箱结构其侧移限值虽满足规范规定，但当模拟高度达到10层时，第一二层集装箱在荷载作用面和侧壁波纹板面出现明显变形，集装箱的上侧梁出现明显的弯曲变形，上下两层侧梁与端梁之间出现明显的分离现象。根据《钢结构设计手册第三版(下册)》[8]，对于多高层钢框架结构，由于风荷载作用时间长、频率高，在风荷载作用下，要求结构处于弹性阶段，不允许出现较大变形。因此对于纵向风荷载作用下集装箱建筑高度达到10层时，从建筑的安全使用和舒适度角度判定达到了这种单体叠加式集装箱建筑的极限高度。

通过图1看出，在纵向风荷载作用下随着集装箱建筑高度的增加，集装箱建筑侧移不断增加，侧向刚度不断减小，集装箱结构整体稳定性降低，当结构产生较大位移时会导致结构的失稳或倒塌。同时随建筑高度的增加，相同高度处侧移增量不断增加，曲线越来越抖。在实际工程应用中应根据实际的工程情况合理确定集装箱建筑高度，并应考虑对单体叠加的集装箱建筑进行加固处理，可在端面以及侧面设置斜撑、或增设立柱以增强整体稳定性。

图1 高度-侧移变化曲线（纵向）

图2 高度-侧移变化曲线（横向）

2.4 横向风荷载（沿宽度）作用下结果分析

采用ABAQUS模拟了在两顶部角件处施加横向风荷载的情况，当集装箱建筑高度达到10层时，加载点侧移达到了51mm，已超过《钢结构设计标准》（GB50017-2017）[7]规定的多层框架结构柱顶侧移限值为H/500，9层集装箱侧移为34mm，认为此时达到了不开洞下集装箱建筑的极限高度，加载点位移随层高变化曲线如图2所示。

从图2可以看出，随着层高增加，加载点的侧移不断增加，当层数超过7层时，曲线斜率增大，加载点位移开始急剧增加。对比图1、图2发现，对于集装箱建筑而言，横向风荷载对结构的影响比较大，同样达到10层时，横向风荷载作用下集装箱结构侧移明显超过了规范限值，应取9层为极限高度。而在纵向风荷载作用下当集装箱高度达到10层时加载点的侧移还不是很大，出于安全、舒适考虑取10层为极限高度。根据最不利控制原则，当集装箱建筑达到9层时达到该类结构的极限高度。

3 结论

对于集装箱建筑的研究，有助于我们对于模块化建筑技术的深入探讨，为集装箱高层建筑做出有利探索，对于深入研究未来建筑工业化、装配化具有积极意义。本文对集装箱建筑在纵向风荷载、横向风荷载作用下的极限高度进行了简单模拟，期望能够为集装箱多层建筑设计提供有益参考。研究发现，在纵向风荷载作用下集装箱加载点侧移与横向风荷载作用相比相对较小，横向风荷载对集装箱的影响比较大，当集装箱高度达到9层时达到不开洞集装箱建筑的极限高度。