风雪荷载对冷藏集装箱使用安全性的分析

蔡鹤 孙立赢

摘 要：分析计算ISO冷藏箱在承受极端风需荷载下的箱体强度，列出了对应工况的计算结果。对箱体在极端条件下的安全性使用提供了参考。

关键词： 风雪荷载;ISO冷藏箱;安全性

冷藏集装箱是为了运输对温度有一定要求的易腐货物的集装箱。箱体主要采用耐候钢、铝合金、不锈钢薄板、保温隔热材料等组成。通过焊接、铆接等工艺组成一个整体。

为了满足海上、公路、铁路等不同的运输工况，箱体需满足相关ISO标准及船级社试验要求。冷藏集装箱除了用作重要的货物运输载体外，其在码头、场站堆放时或用做储存货物的仓库和办公居住的集装箱房时，还会受到自然界中风荷载和雪荷载的影响。对于标准结构的ISO冷藏集装箱，尽管其拥有较大的刚度及较高的强度，但在设计时并未有针对风雪荷载的计算和校核。因此，了解箱体是否满足风雪荷载强度要求，对保障箱体正常使用和人员安全是十分必要的。

1.风荷载计算

与气流方向垂直的物体表面受到的风压称为风的压强。对结构上用于计算的风压称为风荷载。以40ft标准海运冷藏集装箱放置在地面上为例，计算侧板为迎风面时箱体受力情况。箱体空载和满载时质量关系如下：P=R-T;

其中，P为货载质量，为冷藏箱最大允许装载量;R表示冷藏箱额定值;T表示箱体自身质量。40ft标准海运冷藏箱自重Tg约为44.1KN，满载时Rg约为264.6KN。 冷藏箱外尺寸L×W×H为12.192m×2.438m×2.896m。

1.1冷藏集装箱空载

当冷藏箱空载时，若风荷载产生的倾覆力矩大于箱体自重的力矩时，会使箱体发生侧翻倾覆。参考《建筑结构荷载规范》中对风荷载的描述：ωk=βz μs μz ω0

式中：ωk——风荷载标准值（kN/m2）;βz—— Z高度处的风振系数;μs——风荷载体型系数;μz——风压高度变化系数;ω0——基本风压（kN/m2）。

按βz风振系数取值1.0。风压高度系数μz的取值与地面粗糙度有关，按A类近海海岸地区取值1.09。风荷载体型系数μs取值1.3。基本风压ω0以50年重现期为准，选取最大风压值，查表得0.85KN/m2，代入公式：ωk=1.0×1.3×1.09×0.85=1.204KN/m2，风荷载作用在冷藏箱上的倾覆力矩：M1=1.204×12.192×2.896×0.5×（2.896+0.5）=72.183KN·M;箱体自重的抗倾覆力矩：M2=44.1×0.5×2.438=53.758KN·M，可知M2﹤M1，冷藏箱将会发生倾覆。

1.2 冷藏集装箱满载

此时总重量约为264.6KN，箱体自身的抗倾覆力矩：M3=264.6×0.5×2.438=322.547 KN·M;可知M3﹥M1，箱体是安全的，不会发生倾覆。

1.3冷藏集装箱风荷载计算

冷藏箱未发生倾覆时，箱体结构承受最大的风荷载，需计算局部及整体结构强度是否满足。选取箱体左侧板为迎风面，对应的风荷载体型系数为+0.8，另一侧板为背风面，体型系数为-0.5，门端面和冷机端面的体形系数为-0.7。其中正号表示受压力，负号表示受拉力。因箱体迎风面与背风面受到风荷载方向相同，此时冷藏箱整体的风荷载体型系数为1.3。箱体各面的压强计算如下：

迎风面ωk=1.0×0.8×1.09×0.85=0.741KN/m2，

背风面ωk=1.0×0.5×1.09×0.85=0.463KN/m2，

箱体迎风面与背风面总风荷载ωk=0.741+0.463=1.204KN/m2，

冷藏箱侧板满足ISO标准及船级社试验气袋0.6Pg强度要求，对应的侧板压强为：P侧=（264.6-44.1） ×0.6÷12.192 ÷2.896=3.747KN/ m2。

可知冷藏箱侧板强度设计值P侧大于迎风面受到的风荷载及箱体整体受到的总风荷载，冷藏箱的结构强度是满足的。

2.雪荷载计算

雪荷载的大小主要取决于当地的降雪量，本例中计算40ft冷藏箱顶板受到的最大雪荷载。《建筑结构荷载规范》中对雪荷载的描述：屋面水平投影面上雪荷载的计算为：Sk=μr S0;

式中：Sk——雪荷载标准值（kN/m2）;μr——屋面积雪分布系数;S0——基本雪压（kN/m2）。基本雪压Sk以50年重现期中有记录的历史最大值进行计算，查表取1.65KN/m2，屋面积雪分布系数μr取1.0，得出雪荷载为：Sk=1.0×1.65=1.65KN/m2

冷藏箱顶板满足ISO标准及船级社试验顶板强度要求，为300mm×600mm的面积上均匀分布300Kg，不出现影响箱体正常使用的永久性变形。

使用有限元方法计算1.65KN/m2的雪荷均布于箱顶时產生的应力及变形。

冷藏集装箱模型单元类型以壳单位为主。约束箱体4个底角件，顶板施加1.65×10-3MPa的均布压强。应力及位移云图如图2所示。

从应力云图及位移云图中可见，箱体整体的应力及变形数值均较小，且在材料的弹性范围内。当雪荷载去除后，残余变形为零，箱体强度满足使用要求。

3.总结

（1）冷藏集装箱空载，且受到基本风压为0.85KN/m2的风荷载时，箱体会发生倾覆，造成结构不同程度的损伤。进一步的，按照空载不发生倾覆，反算临界的基本风压ω0=0.63KN/m2。对于基本风压大于0.63KN/m2或冷藏箱为多层堆放的情况，为保证安全使用，需使用连接装置对箱体与地面或箱体与箱体之间进行固定。

（2）冷藏箱满载时，因自重很大，受到最大风荷载时不会发生倾覆，同时最大迎风面的风荷载ωk=0.741KN/m2，箱体迎风面与背风面总风荷载ωk=1.204KN/m2，均小于冷藏箱侧板强度的设计值3.747KN/ m2，箱体结构是安全的。

（3）在雪荷载作用下，箱体顶板变形较为对称，为箱内方向的下沉变形，最大应力约为60Mpa，最大变形量约9mm，属于弹性变形，冷藏箱的强度满足要求，箱体可安全使用。

参考文献：

[1] 集装箱标准化手册[M].全国集装箱标准化技术委员会.

[2] 中华人民共和国国家标准.GB 50009-2001 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[3] 中华人民共和国国家标准.GB 51022-2015 门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[4] 王世良.机械制冷冷藏集装箱与运输.[M].北京：人民交通出版社，2005.