多層裝配式集成打包箱結構設計分析

熊偉，帥逸群，程威

（廣州市設計院集團有限公司，廣州 510620）

1 引言

近年來，由于高傳染性病毒的影響，各地方對臨時性應急隔離建筑的需求大量增加。對于大型城市或人口密集區，往往很難在較短時間內提供大量空曠的場地來搭建隔離區，而目前多層臨時應急隔離建筑的建造方式較少。由于建造工期短，通過對比建造工期，采用目前市場上現存的集裝箱式板房、集成衛生間、設備等形成箱式集成建筑，按照建筑功能疊加排布要求，形成滿足應急隔離需求的多層裝配式集成打包箱結構，這種新的建造方式能很好地滿足快而省的工程要求。

為了驗證多層裝配式集成打包箱結構的合理性及安全性，本文對單層打包箱和多層打包箱結構，按照設計使用年限不超過5 年，地震作用影響較小，重點考慮風荷載，基本風壓取10 年一遇風，箱體間連接構造按50 年一遇風荷載驗算，建立了合理的計算模型，采用MIDAS 進行設計校核，同時利用通用有限元程序進行了雙非線性極限承載能力的補充分析，并提出了一些改進構造措施并應用于工程實際。

2 外單層打包箱結構設計分析

市場上常用的打包箱一般按照GB/T 37260.1—2018 《箱型輕鋼結構房屋 第1 部分：可拆裝式》（以下簡稱“GB/T 37260.1”）制造，主要構件的壁厚滿足該標準最小厚度要求，箱體尺寸為長6.055 m×寬3.020 m×高2.896 m，常見的標準打包箱框架如圖1 所示。

圖1 標準打包箱框架

2.1 設計校核及抗傾覆分析

常見打包箱為了安裝方便，墻板與骨架沒有緊密連接在一起，對打包箱框架剛度貢獻較小，設計計算時其貢獻作為安全儲備不予考慮。按照GB/T 37260.1 及GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》（以下簡稱《荷載規范》）要求對單層打包箱施加荷載，水平荷載按最不利方向。計算結果表明，取10 年一遇風荷載按《荷載規范》計算所得的梁柱應力均大于按GB/T 37260.1 計算的結果，特別是下框梁安全富裕度較低，但應力比都小于1。單個標準箱柱底未出現拔力，即單箱在使用時箱體柱底只需要簡單的抗滑抗壓措施既可。

2.2 單箱雙非線性極限承載力分析

本文雙非線性極限承載力是通過雙非線性屈曲穩定分析得到的，即在考慮了結構初始幾何缺陷影響情況下進行幾何大變形及材料非線性模擬分析[1]。在考慮幾何非線性的大變形分析中考慮應力剛化效應，在每個荷載步分析完成后，按照新的節點位置生成輔助的應力剛度矩陣，對結構原剛度矩陣重新調整，也即進行荷載-位移全過程模擬分析并不斷修正結構剛度的非線性過程。對于非線性過程的解答一般采用迭代法。如經典的牛頓-拉斐遜法，以及國內外學者提出的人工彈簧法、位移增量法、弧長法、能量平衡技術、功增量法與最小殘余位移法等。其中以弧長法較為有效，應用也最為廣泛，本文在進行非線性分析時采用軟件提供的弧長法。材料非線性選用彈剛度模型[2]。

單個箱體按GB/T 37260.1 規定，豎向荷載為45 kN，水平荷載為4 kN，計算結果如表1 所示；按《荷載規范》及10 年一遇風荷載，豎向荷載為18.567 kN，水平荷載為1.755 kN，計算結果如表2 所示，豎向荷載和水平荷載同時增加的箱體頂點位移-荷載倍數（施加到箱體上的雙向荷載與按規范計算得到的荷載標準值的比值）曲線如圖2 所示，通常荷載倍數也叫安全系數。

表1 按GB/T 37260.1 要求計算結果

表2 按《荷載規范》及10 年一遇風荷載要求計算結果

圖2 單箱雙向加載荷載曲線

計算結果表明，單個箱體具有較好的承載力，特別是豎向荷載承載能力，在一定的水平荷載作用下，可以進行多箱疊放。在應急情況下，可以選擇體育館、會展中心等室內環境搭建多層建筑。箱體極限承載力的主要影響因素為水平荷載，在風荷載較大區域搭建多層箱體時應特別注意水平荷載作用的影響。

3 3 層裝配式集成打包箱結構計算模型

集裝箱多層疊加在一起應用主要出現在貨運集裝箱及工地板房，應用時會增加一些拉索等措施抵抗風荷載，但經常會出現傾覆等事故。本文采用打包箱、集成衛生間、設備等形成箱式集成建筑，其抗風能力及箱體間的連接方式為重點研究對象。

3.1 常見多層打包箱箱體間的連接方式

常見的多層打包箱結構單元多為單個2 層或3 層，通過橫豎組合放在一起，箱體之間的連接分為兩種：上下箱體間采用卡扣連接如圖3 所示，水平箱體間采用螺桿連接如圖4所示。

圖3 上下箱體間連接方式

圖4 水平箱體間連接方式

由于卡扣連接存在偏心受力，螺桿連接存在縫隙，該兩種連接方式都不屬于可靠連接方式，存在相對滑動或轉動的情況，計算模型較難模擬。

3.2 改進的箱體間的連接方式

為了適應建造速度的要求，節點改進方案只能采用簡便的現場加固方案。按照通過可靠連接方式將打包箱單體組合在一起形成多層打包箱建筑的思路，打包箱節點加固方案如圖5 所示，兩個箱體之間采用連接板水平或豎向加強連接在一起。

圖5 打包箱節點回字板加固方案

上述節點通過增加綴板的加固方案，保證了箱體之間的力的傳遞，防止了箱體之間的相對平移。

3.3 3 層打包箱簡化計算模型

3 層打包箱參考T/CECS 641—2019 《箱式鋼結構集成模塊建筑技術規程》箱體的豎向連接為鉸接節點，如圖6 所示。常用打包箱疊在一起時，箱體之間的分界點在相鄰上下框梁中間位置，單箱3 層計算模型如圖7 所示。箱體間水平方向連接節點根據節點實際受力特點，采用水平鏈桿模擬。箱體長向上下框梁需要共同受力，采用雙層梁受力模型。

圖6 規范計算簡圖

圖7 單箱3 層計算模型

4 3 層裝配式集成打包箱結構設計分析

4.1 設計計算分析

由于單箱下框梁安全富裕度較低，當多箱疊加時，下框梁應力不滿足規范要求。根據多層打包箱結構構造特點，每個箱體都有上框梁和下框梁，一般上框梁荷載較小，富裕度較大，可以考慮利用兩個箱體鄰近的下框梁和上框梁共同作用來承擔荷載。具體改進方式有3 種:（1）在鄰近上下框梁間增加斜撐構件形成桁架受力；（2）在鄰近上下框梁間增加剛度較大豎向剛接構件，形成空腹桁架受力；（3）在鄰近上下框梁間增加簡易綴板，使上下框梁變形協調，形成雙層梁共同受力。上述3種方式最簡單的為第三種，提高的承載力效果也最弱。本文計算模型采用的為雙層梁模型。

對單箱3 層打包箱，取10 年一遇風荷載按《荷載規范》要求對打包箱施加荷載，水平荷載按最不利方向。計算結果表明，主要構件應力及變形均不滿足T/CECS 641—2019《箱式鋼結構集成模塊建筑技術規程》要求。

對雙箱3 層模型進行計算，主要構件應力及變形均滿足T/CECS 641—2019 《箱式鋼結構集成模塊建筑技術規程》要求。箱體間水平鏈桿軸力為4.62 kN，豎向吊頭之間最大拉力值為12 kN，最大剪力值為6kN（角柱），回形板豎向板應力為40 MPa，水平板應力35.4 MPa，焊縫應力為15.9 MPa，較小的回形板即可滿足要求，即使在50 年一遇風荷載作用下，箱體間連接依然具有足夠的安全系數。

4.2 柱底反力及極限承載力分析

柱底反力及極限承載力計算結果如表3 所示，結果表明單箱3 層安全系數較低，在設計荷載作用下已接近極限狀態，而雙箱3 層通過互相拉結，空間作用明顯，極限承載力提高較多，但仍達不到通常認可的雙非線性結構安全系數2。

表3 柱底反力及極限承載力

4.3 多層裝配式集成打包箱結構工程應用

廣州市作為對外窗口城市，每天需要接待大量入境人員，2020—2022 年期間，由于病毒影響，入境人員需要進行一段時間隔離。作為第一期抗疫應急工程，廣州國際驛站需要在短時間內建成可入住旅客人數5 000 人，醫護后勤床位2 000 床，建筑面積20 多萬m2。廣州國際健康驛站功能包括：旅客驛站、健康服務中心、綜合服務樓、醫護及后勤保障房、消防站、物資儲備中心、廚房及餐飲配送中心、洗衣房、出入登記中心等。廣州國際驛站如圖8 所示。

圖8 廣州國際驛站

由于建造工期要求非常短，通過對比建造工期，本項目利用目前市場上現存的集裝箱式板房，采用集成衛生間、設備等形成箱式集成建筑，按照建筑功能疊加排布要求，形成滿足防疫應急隔離需求的多層裝配式集成打包箱結構。本項目共采用了1 萬多個市面上常用的打包箱來集成組裝形成多層裝配式集成打包箱結構，在實施時重點應用了如下成果。

1）多層打包箱結構按照《荷載規范》等，采用本文提出的簡化計算模型進行結構設計復核。

2）單箱3 層結構體系柱底會出現拔力，應在柱底設置可靠預埋件。

3）上下相鄰框架梁增加構造措施形成雙層梁共同受力。

4）箱體間應設置可靠連接。通過增加回字板，板條等連接措施將單箱3 層結構相互拉結在一起，至少應做到兩兩拉結共同受力，不允許單箱3 層結構獨立受力。

增加上述構造措施后，箱體間的連接為可靠連接，典型標準單元計算簡圖如圖9 所示。

圖9 標準單元計算模型

計算分析結果表明，在10 年重現期風荷載基本風壓為0.3 kN/m2（對應風級約為8.3 級）作用下，主要構件處于彈性狀態，雙向加載條件下的雙非線性荷載安全系數約為3，比單箱3 層及雙箱3 層的承載力有顯著提高。

5 結語

常見的利用打包箱所建的工地板房等，單層時具有較高的安全性。當利用打包箱構建多層裝配式集成打包箱結構時，應特別注意結構計算及構造連接，適當增加構件截面面積，加強墻板與骨架連接來提高結構安全性。本文提出的結構計算模型簡化方法及箱體間連接構造方式可以對類似結構的設計提供一定的指導作用。