带腰桁架的集装箱叠箱结构设计与研究

2020-12-16周璇

结构工程师 2020年5期

周璇

（深圳市同济人建筑设计有限公司，深圳518001）

0 引言

带腰桁架的集装箱（图1，华为2018年发明专利，专利名称：箱体及集装箱数据中心，专利号：CN107905577A）作为美国“商业周刊”所列出的20项重要发明之一，有可能在未来10年改变人们的生活方式［1～2］。

腰桁架的尺寸初步选为上下弦杆H175×175×7×10、腹杆B100×50×6、跨度为13.3 m，高度为0.5 m；2、本文研究的集装箱腰桁架所在侧不设波纹板，每层楼面与腰桁架上弦杆标高平齐，室内根据使用功能要求设置相应的建筑隔墙；单体集装箱长13.3 m，宽2.4 m，高4.15 m（图1）。

图1 带腰桁架的集装箱结构单体计算模型Fig.1 Calculation model of single container structure with waist truss

传统的集装箱［3-4］（图2）因为左右两侧设置有波纹板，且对波纹板的开孔率有限制（一般不超过60%），即使形成叠箱结构体系，也无法获得开敞的大空间。因此传统的集装箱只能满足最基本的日常居住需求［5］。

图2 传统的集装箱房屋Fig.2 Traditional container house

因为腰桁架所在侧不设波纹板，前后两侧也可以不设波纹板（钢柱承重），带腰桁架的集装箱叠箱结构可以获得任意想要的大空间，如做成酒吧、餐厅、电影院、会议室、开敞办公室等（图3）。不仅如此，该类型的集装箱还可以通过各单体间的特定组合形成不同的户型，满足人们的使用要求。

图3 集装箱的各种户型Fig.3 Various types of containers

1 工程概况

该工程位于中东某地区，系华为在该地区的实验生产基地。为一大型集装箱叠箱结构，其单体结构计算模型见图1，整体结构计算模型见图4。结构屋顶设钢坡屋盖，因支座处理问题，钢坡屋盖单独建模计算，整体计算模型见图5。二层建筑平面图见图6。0.2 s 谱加速度Ss为0.67，1 s谱加速度S1为 0.21，场地类别为 D 类［6］。风速为100 m/h，暴露类别为C类［7］。使用功能有办公室、IT 室、电池室、会议室等，本文选取IT 室作为研究对象，其恒荷载为0.42 kN/m2，活荷载为12 kN/m2。另整体计算模型最外围临空侧的波纹板和钢坡屋盖考虑±30 ℃的温度荷载，本文设计使用的是美国规范IBC2009、ASCE 7-10，遵循美国结构设计标准。

2 集装箱叠箱结构腰桁架尺寸的选定与优化设计

2.1 腰桁架跨度的选定

图4 整体集装箱叠箱结构计算模型Fig.4 Computational model of overall container stacked container structure

图5 整体屋盖结构计算模型Fig.5 Calculation model of integral roof structure

图6 二层建筑平面图Fig.6 Floor plan of two-storey building

工程设计强调成本意识，要最大限度的使用材料。为确定集装箱最合适的跨度，特建立了跨度分别为12.4 m、12.7 m、13.0 m、13.3 m以及13.6 m的集装箱叠箱结构模型，每个叠箱模型除跨度不一样外，其他的参数均同图1。集装箱上下之间通过短柱垫件连接，模型中用0.2 m长的同截面方通钢柱模拟；左右之间通过转锁和桥型连接器连接，模型中用 0.1 m 长、截面 150×16 的方形实心虚梁模拟；腹杆与弦杆采用焊缝连接，考虑到实际工程中腹杆的两端可能存在少量的弯矩，因此在进行模拟计算时，将其与弦杆的连接设定为刚接，偏于安全。图4 中为研究方便，特从选取一单榀两层集装箱叠箱结构进行计算。本小节将通过考察腰桁架下弦杆应力比R随跨度L的变化来确定集装箱最终的跨度（华为能给的最大跨度为13.6 m），应力比R-跨度L变化关系曲线见图7。

图7 应力比R-跨度L变化曲线Fig.7 Stress ratio R-span L change curve

从图7 中可以看出，下弦杆的应力比随着跨度的增大逐渐增大，但增大的幅度并不一样。跨度在 12.7～13.0 m 之间增大的幅度最大，13.0～13.3 m 之间增大的幅度最小。综合考虑集装箱使用空间大小、构件充分利用以及经济性（定量+定性），腰桁架跨度范围选定在13.2～13.4 m 之间较为合适，本工程选13.3 m。若要获得大跨度、长悬挑等空间艺术效果，该腰桁架的结构尺寸需另行计算。

2.2 腰桁架高度的选定

通过对桁架结构的研究，发现当腰桁架高度变化时，下弦杆受力也会发生变化。本小节将通过计算腰桁架高度分别为0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m 以及0.9 m 的集装箱叠箱模型，来探讨腰桁架高度变化对下弦杆受力的影响。所选集装箱除腰桁架高度不一样外，其他的参数均同图1。应力比R-腰桁架高度H变化关系曲线见图8。

从图8 中可以看出，下弦杆的应力比随着腰桁架高度增大逐渐减小，减小的幅度越来越小。高度在0.5～0.6 m 之间减小的幅度最大且腹杆增加的用量最少（腰桁架增高，腹杆随之增长，同时压低层高），0.8～0.9 m 之间减小的幅度最小且腹杆增加的用量最多。因此当其他条件一定时，腰桁架高度范围选取在0.55～0.65 m 之间较为合适，本工程选0.6 m。当高度为0.6 m 时，集装箱应力比结果如图9所示。

图8 应力比R-腰桁架高度H变化曲线Fig.8 Stress ratio R-waist truss height H variation curve

图9 应力比结果图Fig.9 Stress Ratio Result Diagram

2.3 腰桁架腹杆搭设方式的优化设计

通过进一步的研究发现，当腰桁架中间的腹杆搭设方式不同时，其受力结果将有所不同，合理的搭设方式会带来更大的经济价值。本节将重点讲述腰桁架腹杆不同的搭设方式对下弦杆受力的影响，以期得到一个最优方案。

对比方案：600 mm×1 260 mm 矩形尺寸范围内不设腹杆，具体见详图10。

方案一：专利图纸上所显示的腹杆撘设形式。600 mm×1 260 mm 矩形尺寸范围内由两根竖直的腹杆和两根人字型斜腹杆组成，具体见详图10。

方案二：相比于方案一，在腰桁架两端各增加一根斜腹杆，组成交叉腹杆模式（方案三、四、五都有此设定，后面不再叙述），为方案一的改进版，具体见详图10。

方案三：600 mm×1 260 mm 矩形尺寸范围内由两根竖直的腹杆和一根贯穿矩形上下两头的斜向腹杆组成，具体见详图10。

方案四：600 mm×1 260m m 矩形尺寸范围内由两根分别贯穿矩形上下两头的斜向腹杆组成，成交叉型布置，具体见详图10。

方案五：相比于方案二，在600 mm×1 260 mm矩形尺寸范围内无600 mm长的竖直腹杆，具体见详图10。

图10 腰桁架腹杆不同撘设方式对比图Fig.10 Contrast diagram of different rolling ways of web rod of lumbar truss

各种方案对应的集装箱叠箱模型计算结果数据对比如表1所示。

从表1 可以看出，方案二只是比方案一多了两根斜向腹杆，下弦杆的应力比却从0.934下降到了0.829，而且其他几种方案都有类似的变化规律，因此集装箱腰桁架的两端设置斜向交叉腹杆有利于提高腰桁架的承载力；对比各种方案可以发现，方案五的Nr最大，Nd为负值且绝对值最小，因此方案五是所有方案中最优的，其次是方案三。方案五应力比结果如图11所示。