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集裝箱式鋼結構房屋的性能設計方法，波紋板參與抗側力計算

摘要

集裝箱式鋼結構建筑以集裝箱為單體進行組裝,具有裝配式與模塊化建筑的優(yōu)點,有很好的發(fā)展前景。但目前國內(nèi)外學者對集裝箱式鋼結構建筑的研究大多數(shù)是基于建筑學角度或單箱體的結構力學性能角度,關于波紋板墻體的簡化模擬及集裝箱式鋼結構房屋結構設計方法的研究有所欠缺。通過對波紋板的結構分析方法進行歸納和總結,提出了豎向承重與水平抗側相結合的波紋板墻體簡化模擬方法。首先利用有限元軟件建立波紋板墻體模型,在墻體模型頂部端點加載,通過有限元分析得到波紋板墻體頂點荷載-位移關系,由此計算墻體的初始水平抗側剛度;然后在設計軟件中建立上下橫梁和角柱的結構模型,并將波紋板等效為交叉支撐,由剛度等效原則計算交叉支撐的截面面積,從而實現(xiàn)在設計軟件中波紋板墻體水平抗側剛度的模擬。同時,根據(jù)面積等效的原理將每個波紋簡化成一個兩端鉸接的立柱,并與集裝箱式鋼結構房屋本身的上下橫梁連接,從而實現(xiàn)波紋板墻體豎向承載力的模擬。

對于多層集裝箱式鋼結構建筑,建議采用 GB 50017—2017《鋼結構設計標準》中高承載力-低延性的抗震設計思路,按小震與中震的地震力進行桿件設計,同時放寬構件的寬厚比限值。

采用上述方法對某雙層雙車位集裝箱消防站進行分析,采用 ANSYS 軟件分析波紋板墻體的抗側剛度,考慮波紋板開洞對剛度的折減作用;然后用等效交叉支撐及兩端鉸接的小立柱模擬波紋板墻體,并在 PKPM 中建立結構分析模型。結合結構高度及設防烈度,將性能等級設置為性能 3,延性等級設置為 V 級,截面板件寬厚比最低等級設置為 S5。按照新鋼標要求進行梁、柱及支撐構件的小震與中震下承載力驗算,結果表明各構件均滿足地震下承載力要求;同時結構的最大層間位移角為 1/527,集裝箱上橫梁與角柱的最大應力比分別為 0.92 和 0.35,均滿足性能化設計要求。

1 概述

箱式鋼結構建筑以集建筑、結構、機電、內(nèi)外裝修于一體的模塊建筑單元組合而成,具有施工速度快、環(huán)境干擾少、可重復利用等顯著優(yōu)勢,有助于推動我國建筑的產(chǎn)業(yè)化、裝配化、低碳化。其中集裝箱式鋼結構建筑是箱式鋼結構建筑中最早發(fā)展也是最具代表性的一類結構形式。

集裝箱式鋼結構建筑以集裝箱為單體進行組裝,是一種快捷高效的模塊化建筑產(chǎn)品。相對于普通房屋,集裝箱式鋼結構建筑具有綠色環(huán)保、易于拆卸等優(yōu)勢,在實際生產(chǎn)活動中得到了越來越廣泛的應用。

目前國內(nèi)外學者在集裝箱式鋼結構建筑建筑學角度的研究有很多。Amalina 等探討了多層集裝箱酒店的消防安全問題,并從被動系統(tǒng)和主動系統(tǒng)兩個方面論證了集裝箱式鋼結構建筑的可行性。Lim 等結合集裝箱的優(yōu)缺點,對集裝箱的種類、結構等進行了分析,提出了今后集裝箱式鋼結構建筑發(fā)展方式的展望。黃科分析了集裝箱式鋼結構建筑的特點和應用領域,并結合集裝箱式鋼結構建筑在歐美、非洲、亞洲等地區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀,對集裝箱式鋼結構建筑的發(fā)展提出了建議。郭雪婷通過對國內(nèi)外大量集裝箱建筑理論與實際案例的解讀,從建筑設計的角度,歸納總結了集裝箱建筑的空間組合、外圍護結構改造等策略。此外,集裝箱式鋼結構建筑也被廣泛應用于消防安全領域。許多城市會在社區(qū)布點建設集裝箱消防站,以緊急應對大小火災事故。

結構性能層面,Giriunas 等按國際標準組織規(guī)定的加載方式對集裝箱箱體進行了有限元分析,通過移除集裝箱墻體、屋頂?shù)葮嫾?研究各構件對集裝箱水平和豎向承載力的影響。Vinicius 等進行了集裝箱的振動臺試驗和數(shù)值分析,研究了集裝箱在堆疊形式下的振動力學性能。查曉雄等對集裝箱模塊進行了合理簡化,提出了多層集裝箱角柱的軸力計算公式和集裝箱的側移公式。范坤杰等基于能量理論,結合有限元分析,對集裝箱的水平抗側剛度進行了推導,并提出了開洞集裝箱剛度折減公式,該研究成果被《集裝箱式房屋技術規(guī)程》采用。李英磊等采用有限元軟件,研究了集裝箱在不同開洞率和開洞位置下的剛度折減效應,并提出頂梁剛度和波紋板長度的增大能提高集裝箱的水平抗側剛度,但集裝箱存在荷載傳遞的臨界長度,超過此長度后增加集裝箱長度對提高集裝箱水平抗側剛度沒有效果。

現(xiàn)有的研究成果對集裝箱建筑的發(fā)展起到了促進作用。但是大多數(shù)是基于建筑學角度或單體結構力學性能的角度。

關于集裝箱式鋼結構建筑結構設計方面:王璐璐將集裝箱波紋板的波紋截面形狀簡化為正弦曲線,以一個周期的波形為單位將波紋板分割為若干條板條,將各板條等效為立柱,通過計算立柱的等效剛度,最終得到波紋板墻體的水平抗側剛度。將波紋板板帶等效為立柱的簡化計算方法較為方便,但有限元分析結果表明該方法計算得到的波紋板水平抗側剛度偏小。

陸燁等提出了用等效交叉支撐模擬集裝箱波紋板墻體的抗側剛度的計算方法,具體為:通過有限元軟件計算箱體波紋板墻體的水平抗側剛度和屈服承載力等參數(shù),根據(jù)剛度等效和承載力等效原則,將波紋板墻體簡化為等效交叉支撐,并在結構設計軟件中建立集裝箱式鋼結構建筑的整體分析模型。該方法為集裝箱式鋼結構建筑設計提供了很大的參考價值,但其未考慮波紋板豎向承載力和波紋板墻體開洞的影響。

因此,本文結合波紋板墻體的水平抗側剛度及豎向承載力,提出用等效立柱模擬波紋板墻體的豎向承載力,同時用等效交叉支撐模擬波紋板墻體的水平抗側剛度;并在結構設計軟件中建立集裝箱式鋼結構建筑的整體分析模型,結合《鋼結構設計標準》中“高承載力-低延性”的設計思路對某集裝箱消防站實例進行抗震性能化設計。

2 集裝箱波紋板墻體的等效模擬

2.1 集裝箱波紋板墻體的水平抗側剛度等效方法2.1.1 水平抗側剛度的有限元分析法

集裝箱波紋板墻體具有較大的水平抗側剛度,通用的結構設計軟件無法直接建立波紋板墻體的模型,可以利用有限元軟件對其進行受力分析。相關文獻通過比較未開洞整體模型和未開洞單片墻體模型,證實單片墻體有限元分析模型的精度能夠滿足要求。

常規(guī)的有限元分析方法如下:邊柱采用梁單元模擬,上下橫梁和波紋板側壁采用殼單元模擬。波紋板與集裝箱鋼骨架設置為剛接關系。同時對邊柱上部約束側向位移,對上橫梁約束其平面外平動自由度,對下橫梁約束其所有平動自由度;對單片墻體模型的頂部端點施加荷載,通過有限元分析,得到集裝箱波紋板墻體頂點荷載-位移關系曲線,并由此得到墻體的初始水平抗側剛度。

2.1.2 水平抗側剛度的折減計算

DBJ/T 15-112-2016《集裝箱式房屋技術規(guī)程》給出了開洞集裝箱的剛度折減公式。窗形洞口應滿足的要求:洞口應按行列對齊分布;洞口總高度不超過側板總高度的 1/3;洞口間距及到邊緣的距離至少等于洞口的寬度。門形洞口應滿足的要求:洞口總高度超過側板總高度 2/3;洞口的寬度不超過側板總長度的 25%;洞口到兩側邊緣的距離差不超過 20%。滿足以上條件的開洞集裝箱水平抗側剛度計算公式為:

式中:Kz為開洞集裝箱水平抗側剛度,K0 為集裝箱初始水平抗側剛度, κ 為剛度折減系數(shù)。

窗形洞口剛度折減系數(shù):

門形洞口剛度折減系數(shù):

式中: λj、λn 為變形增大系數(shù), φj、φn 是僅和波紋形狀有關的參數(shù),t 是波紋板厚度,H 是扣除上下橫梁后的波紋板高度,L 是扣除左右柱后的波紋板寬度,ah 為洞口寬度之和。

對于無法滿足上述條件的開洞集裝箱,根據(jù)李英磊等提出的集裝箱抗側剛度折減系數(shù)公式進行計算:

式中: η 為剛度折減系數(shù)。

6 m 集裝箱剛度折減系數(shù):

12 m 集裝箱剛度折減系數(shù):

式中: α 為洞口寬度與集裝箱長度之比, β 為洞口中線到集裝箱中線距離與集裝箱長度之比。

2.1.3 水平抗側剛度在結構設計軟件中的模擬

得到開洞波紋板墻體的水平抗側剛度后,按照文獻提出的等效支撐模擬的方法將波紋板墻體等效為交叉支撐,并由剛度等效原則計算等效交叉支撐的截面面積。具體做法為:在柱頂一側施加水平荷載 F,模型在荷載作用下發(fā)生水平側向變形,等效交叉支撐模型如圖 1 所示。

圖 1 等效交叉支撐模型設計簡圖

水平側向變形計算公式:

根據(jù)波紋板墻體剛度和等效交叉支撐剛度相等的原則可得:

得出等效交叉支撐面積的計算公式:

式中: Δw 為等效交叉支撐模型頂部發(fā)生水平側向變形, Δb 為支撐在側向荷載 F 作用下的變形, β 為等效交叉支撐與水平面的夾角,lb 為等效交叉支撐的長度;K 為開洞波紋板抗側剛度,E 為等效交叉支撐材料的彈性模量。

得到等效交叉支撐面積后,在設計軟件中以等效支撐模擬波紋板墻體的水平抗側剛度,并進行整體結構模型的建立。

2.2 集裝箱單片墻體的豎向承載力模擬

集裝箱的波紋板與集裝箱鋼骨架焊接在一起,通常為厚度 1.6 mm 的波紋鋼板,具有豎向承載力。在設計軟件中可以以等效立柱模擬波紋板的豎向承載力。具體為:以波紋板一個波形為單位,將單位波紋板按面積等效為一個立柱。鑒于每個波紋等效為立柱,其間距很小,鉸接與剛接對梁的影響不大;但是若設置為剛接,等效立柱對上下橫梁的轉動產(chǎn)生約束,立柱會有水平抗側剛度,這時波紋板墻體的抗側剛度會被放大。因此偏安全地將等效立柱上下端與波紋板墻體上下橫梁的連接關系設置為鉸接。

3 集裝箱式鋼結構建筑的結構設計方法

彈性變形與塑性變形均可消耗能量,在能量輸入相同的條件下,結構延性越好,彈性承載力要求越低;反之,結構延性差,則彈性承載力要求高。

GB 50017—2017《鋼結構設計標準》明確提出了“高延性-低承載力”和“低延性-高承載力”兩種抗震設計思路,可以根據(jù)實際工程情況選擇適合結構的性能化目標,根據(jù)這個目標進行承載力驗算,并進行適應性能水準的結構延性驗算。

輕鋼結構承載力較強,但構件寬厚比等指標較大,一般不容易滿足抗震規(guī)范的構造要求。結合輕鋼結構的特點,可按照“低延性-高承載力”抗震設計思路進行設計。即在滿足小震下承載力和變形的情況下,按照某性能目標進行設計,如果滿足了中震下承載力要求,可按照對應的寬厚比等級及延性等級放松寬厚比、高厚比及長細比的限制。

4 案例分析

4.1 項目概況

本文以位于北京市的某雙車位集裝箱消防站為研究對象,該建筑由首層、中間夾層及二層構成,總建筑面積 549.282 m2。首層設有雙車位車庫,二層為備勤室、活動室、廚房、盥洗間等。其中二層的箱體布置圖如圖 2 所示。

圖 2 二層箱體布置 mm

4.2 水平抗側剛度計算

4.2.1 波紋板墻體的有限元分析

集裝箱波紋板墻體高度為 2896 mm,厚度為1.6 mm,均為 Q235B 鋼材。以長 6058 mm 的波紋板墻體為例,利用有限元軟件 ANSYS 進行分析。

按圖 3 波紋板截面尺寸建立幾何模型,采用單片墻體模型進行分析。單元類型為 Shell 181 單元,有 4 個節(jié)點,每個節(jié)點有 6 個自由度。邊柱采用梁單元模擬,對邊柱上部約束側向位移;上下橫梁和波紋板側壁采用殼單元模擬,對上橫梁約束其平面外平動自由度,對下橫梁約束其所有平動自由度;在左柱上端沿 X 正向水平單調(diào)加載,采用位移控制。同時打開幾何和材料非線性開關。

圖 3 集裝箱波紋單元截面尺寸示意 mm

經(jīng)分析,模型水平承載力為 228 kN,屈服位移為 3.45 mm,初始剛度為 71.600 kN/mm。其中波紋板墻體的變形圖如圖 4 所示,水平荷載-位移曲線如圖 5 所示,剛度-水平荷載曲線如圖 6 所示。

圖 4 變形 mm

圖 5 水平荷載-位移曲線

圖 6 剛度-水平荷載曲線

采用相同的方法對其他尺寸的波紋板模型進行有限元分析。經(jīng)計算,波紋板的水平抗側剛度詳見表 1。由表可以看出,隨著波紋板長度的增加,其水平抗側剛度隨之增大;但波紋板長度增加到一定長度后,其水平抗側剛度不再增加。這與李英磊等的研究一致,原因是集裝箱頂梁剛度有限,不能夠?qū)㈨敳亢奢d有效傳遞到遠端,使得只有集裝箱側板靠近加載端的部分區(qū)域能夠有效地承擔荷載。

表 1 各尺寸波紋板初始水平抗側剛度

4.2.2 有限元方法驗證

丁陽等對集裝箱單片波紋板墻體進行擬靜力試驗,得到了波紋板墻體試件的水平抗側剛度。為驗證上述有限元分析方法的可靠性,選取與該參照文章構件尺寸較接近的波紋板墻體,采用相同的有限元分析方法進行了分析。驗證模型與參照模型的構件尺寸見表 2。

表 2 模型各構件尺寸 mm

經(jīng)有限元分析與計算,長度為 3024 mm 的波紋板墻體水平抗側剛度為 64.6 kN/mm。相關文獻的試驗結果為:長度為 3600 mm 波紋板墻體水平抗側剛度為 66.7 kN/mm。波紋板墻體有限元模型的抗側剛度比參照模型的抗側剛度小 3.1%。與試驗值很接近,證明所采用的有限元分析方法是可靠的。

4.2.3 開洞波紋板墻體的剛度折減及等效模擬

得到波紋板墻體的初始水平抗側剛度后,計算開洞波紋板墻體的折減系數(shù),并按式(1)或(3)計算開洞波紋板墻體的水平抗側剛度,再由式(6b)計算等效交叉支撐的截面面積,并選用對應的支撐。以圖 2 中集裝箱一的波紋板墻體為例進行計算,各計算參數(shù)詳見表 3。

表 3 水平抗側剛度等效計算

4.3 結構分析參數(shù)設置

結構設有中間夾層,適合利用 YJK 的空間結構功能建模,故結構的整體指標用 YJK 計算。同時,PKPM 能實現(xiàn)“低延性-高承載力”的性能化目標,故構件指標用 PKPM 軟件計算。

根據(jù)《集裝箱模塊化組合房屋技術規(guī)程》,集裝箱模塊化組合房屋結構設計使用年限可設定為 50年或 25 年,且根據(jù)中國消防協(xié)會發(fā)布的《模塊化消防救援方艙》報批稿規(guī)定,模塊化消防救援方艙的設計使用年限為 50 年。因此將集裝箱消防站的設計使用年限設定為 50 年。結構體系選用多層鋼結構廠房。北京市抗震設防烈度為 8 度(0.2g),抗震設防類別為丙類,設計地震分組為第二組,建筑場地類別為Ⅱ類,鋼框架抗震等級為三級,50 年重現(xiàn)期的基本風壓為 0.45 kN/m2。

在結構設計軟件中用等效立柱及等效交叉支撐模擬集裝箱波紋板墻體,選用焊接薄壁圓鋼管作為支撐構件。集裝箱立柱設置為上下端鉸接,將同層間相鄰集裝箱的柱體合并為一個柱子,相鄰集裝箱的梁體合并為一根梁;同時將上下層間的梁體也進行合并。三維結構模型如圖 7 所示。

圖 7 三維結構模型

4.4 分析結果

4.4.1 整體指標

經(jīng)過調(diào)試計算,結構的主要指標如表 4。由表 4可知,模型第 1 階振型和第 2 階振型為平動,第 3 階振型為扭動;第 1 扭轉周期(0.3478) / 第 1 平動周期(0.4552) = 0.76 < 0.90,符合規(guī)范要求。地震作用下,樓層最大層間位移角為 1/527,小于 1/250 限值;最大層間位移比為 1.37,小于 1.50 限值。X 地震方向有效質(zhì)量系數(shù) 91.5%,Y 地震方向有效質(zhì)量系數(shù) 92.4%,均符合規(guī)范要求。

表 4 結構計算主要指標

4.4.2 構件指標

按照“低延性-高承載力”思路進行抗震性能化設計。對于梁、柱及支撐構件均按照新鋼規(guī)要求進行中震下承載力驗算。計算顯示模型各構件均滿足中震下承載力要求。按照性能設計的目標放寬對于構件寬厚比、高厚比及長細比的控制要求。將性能等級設置為性能 3,結構構件最低延性等級設置為V 級,截面板件寬厚比最低等級設置為 S5。

在放松構造要求后,二層集裝箱角柱計算結果如圖 8,集裝箱頂梁計算結果如圖 9,二層集裝箱角柱的最大應力比為 0.35,二層集裝箱頂梁最大正應力比為 0.92。應力最大的梁位置特殊,為集裝箱頂梁,是薄壁構件,且該梁下房間相通,沒有波紋板墻體與梁體連接,因此該梁應力比比較大。為加強保護,在該梁上設吊桿與上層輕鋼屋架連接。