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建筑结构一把抓第六弹:一个集装箱的结构分析

2016-06-15 08:20  来源:中国钢结构资讯网   编辑:admin  点击:次   [我要评论]

  哪个集装箱?别装了,你懂的。这是一篇久违的技术帖。学文科的朋友可以直接跳到最后面,在点赞的地方,轻轻点一下。当然,京华都看懂了,你还好意思不看看吗?
  
  总共有两个面对面的40尺(12米)集装箱,姑且称之为“北箱”和“南箱”。二者面对面的那一侧称为内侧,反面称为外侧。两个箱子的内侧均开了很大的洞口,大到几乎把一面墙打完了。同时,与北箱相比,南箱的外侧开洞更大,结构整体性更差。所以这里只分析南箱。
  
  集装箱作为一种规格化的工业产品,材料效率很高。它的结构由框架和波纹钢板共同构成。其中,框架如下图右侧所示,由角柱、底侧梁、底横梁和上侧梁等钢构件组成。这样一个纤细的钢框架横跨12米,实在难以想象。特别是上侧梁,只是一根60mm见方的薄钢管。即使不加别的荷载,12米长的一根细钢管自己都待不住。所以很明显,集装箱的结构不能只靠这些框架。
  
  集装箱实际上一种“蒙皮结构”。很形象吧,其实就是在框架上裹了一层薄薄的皮——2mm或1.6mm厚的波纹钢板。不要小看这层薄皮。集装箱的整体刚度和承载力几乎全靠它了。所谓波纹钢板,就是下图那个样子嘛,当然波纹未必非是这个形状不可。但在集装箱中,这个波纹还是比较统一的。一个波长是278mm,外侧波峰宽78mm,内侧波谷宽70mm,过渡的倾斜段长77mm,水平投影宽68mm,波峰到波谷的距离是36mm。
  
  对于我们这些整体跟框架结构或者剪力墙结构打交道的土人(不好意思少了个木字)来说,怎么分析这个波纹板呀?好纠结呀。这里似乎还要做一点研究呢。搜了搜文献,果然有人在做集装箱受力分析的研究论文里那些精细的有限元模型太不符合我向来粗线条的行事风格了。闭上眼睛忽略那些波纹,把它当作一块平板吗?好像也不符合我粗中有细的气质。折中一下吧,把波纹板视为一种正交各向异性材料(此处可以说“不明觉厉”)。材料的刚度可以表示为下图所示的一个3乘3的矩阵,其中E1、E2和G12需要通过一些等效来确定。
  
  E1是垂直波纹方向的等效弹性模量。既然是垂直波纹方向,把波纹拉直或者挤扁很容易,因为它主要是薄板的面外变形问题。假设它就是两块36mm宽的薄板面外弯曲的问题吧,那么E1大概只有钢材真实的弹性模量的5%。
  
  E2是平行波纹方向的等效弹性模型。这个简单,就是板的面内拉压的问题,只不过因为波纹的存在,实际板长比名义板长稍大一些。对于集装箱的波纹,约大了6.5%,所以E2=1.065Es。
  
  等效的剪切模量有点复杂。由于波纹的存在,板在垂直和平行波纹方向上受剪时的刚度不太一样。这时要及时祭出工程性的大棒,坚决不钻牛角尖:两个方向都算算,取比较小的那个就好了。在垂直波纹方向受剪时,简化地认为只有平行于剪力方向的两块板(即波峰和波谷上的平板)在受剪;而在平行波纹方向受剪时,全截面都在受剪,只不过计算剪切刚度时考虑的高度不是名义板长,而是实际板长(就是多了那6.5%的板长)。由于垂直波纹方向简化得比较粗线条,它起了控制作用,最终等效剪切模量约为钢材剪切模型的一半。
  
  还有一个面外受弯的问题,这也是采用波纹板而非平板的主要原因。有了波纹之后,绕1轴的惯性矩大约是相应平板的445倍!这在分析中可以通过调整壳单元截面的惯性矩来考虑。
  
  分析模型的问题解决了。现在来看看荷载。前方槽点高能预警。
  
  首先,房子很矮,又是平屋顶,不考虑风荷载的影响。
  
  其次,不考虑地震的影响。为什么不考虑地震?你不是搞抗震的么?少来这套。就不考虑。这么轻而高效的结构体系,全村儿的房子都倒完了也轮不到它。不管你信不信,反正我信了(何况我们还有土隔震:))。
  
  然后,先说说恒载。这个好办。钢结构的自重在分析程序里自动计算了。剩下的,楼面(也就是地板那块儿)上有28mm厚的原装木地板(只计质量,不计入结构体系),还要新铺一层木地板,还要做防水呀保温呀防潮呀什么的,和地板钢结构的自重总共加一起大概0.5kN/m2。屋面(就是房顶)的恒载,算上波纹钢板也不过0.3kN/m2。另外还有0.4kN/m2的雪荷载。
  
  现在可以来说说活载了。什么是活载呢?故名思义就是活蹦乱跳不好好待着的荷载。比如人,比如家具,电器,花花草草,也包括一些好好待着但是在做结构设计的时候可能没有考虑的,比如后加的装修之类的。对于一般用途的房子,包括幼儿园,《规范》规定的活载是2.0kN/m2。这是什么概念?2.0kN大约是200公斤。这个活载相当于在每平方米的楼面上堆2个两百斤重的大胖子!就按果盒的活动面积是50平米计算,这些活载相当于果盒里来了100个两百斤重的大胖子!这个活载对于果盒来说有些高。一来果盒里日常活动的就那么20个小朋友和两三个老师;二来果盒里面的装修和家具相对简单,也没什么大件的电器。尽管如此,这里还是从了《规范》吧。高标准,严要求。
  
  说好的吐槽呢?来了。
  
  今天在群里看到说活荷载要从2.0提高到2.5了,活荷载的分项系数也要从1.4提高到1.5了。消息来得太突然,它的理由更是让人错谔:去产能!之前把活荷载从1.5提高到2.0的时候,还遮遮掩掩的拿些调查数据出来,再搞个什么保证率,再编个什么未来发展趋势的不确定性,才把荷载调高了。现在画风完全变了。部长大人说10天之内把荷载给我调上去,响应中央号召!
  
  记得上大学的时候老师讲到活荷载,说中国的活荷载比美国的小,为什么?因为中国人瘦啊!你看美国的大胖子,那么多,所以活荷载大。十几年过去了,中国人大胖子好像也多起来了,于是活荷载也一路涨了起来?太与时俱进了。
  
  为了去产能,与活载一起提高的还有地震反应放大系数beta。据说终于要从猥琐无厘头的2.25提高到端庄华丽的2.5了。对于这一变化,作为搞抗震的我,内心是完全欢迎的。但是,地震局的专家们研究了这么多年,抗争了这么多年,2.25依旧纹丝不动地自顾自地无厘头着。现在部长大人一句话,居然华丽转身了。这不是屁股决定脑袋是什么?
  
  唉呀不说这些了,还是说回美好纯真的吧。
  
  在上面介绍的那些荷载(全是竖向荷载,也就是重力荷载)作用下,南箱的变形如下图所示。矮马内侧的地面怎么陷进去一大块!
  
  这不是1:1的变形,而是放大了20倍的变形。实际上内侧的底侧梁的最大挠度只有17.3mm,约为跨度(5.7m)的1/330。虽然离《规范》中规定的1/400的要求还差一点,但我觉得已经够了,去它的《规范》吧。
  
  之前很头疼的是上侧梁那根60mm见方的小管儿如何能跨越5.7米的跨度。后来想到一个招儿,留下上侧梁下面100mm范围内的波纹板,然后加焊一个60mm的方钢管,让它们形成如下图左上角所示的组合截面,惯性矩提高为原来单根方钢管的25倍。此外,如此一来从原装顶板上垂下160mm的结构,正好可以作为内保温层和天花饰面的封加儿,一举两得。
  
  外侧虽然开了很大的窗洞和门洞,但通过60mm方钢管的加固,在正常使用极限状态下最大竖向变形也只有1.6mm。完全没有问题。
  
  所有洞口均采有 60mm方钢管进行加固。在承载力极限状态下,加固构件的应力水平都很低。反而是底侧梁的应力水平最高,最大压应力达到250MPa,最大拉应力为216MPa,均出现在中间的支座处。集装箱用耐候钢的屈服强度大致为300MPa。承载力过关。
  
  另外,之前反复提到的那个外悬挂系统的受力也不算大。只是外侧与地面锚固的拉杆的拉力达到了近1.8吨。有些担心螺旋地桩了。
  
  集装箱结构的一个重要工况是吊装。放在地上可以搞八个支座,吊装的时候却只能是两端起吊(四个吊点)。不但要保证承载力,还要严格控制变形。不然即使窗户不会碎一地,各种密封也可能被损坏。
  
  当改造后的南箱在两端起吊时,如果不对内侧(开大洞的那一侧)进行临时加固,那么跨中挠度可以达到72mm!底侧梁的应力也会达到410MPa,远远超过了钢材的屈服强度。
  
  一个简单有效的临时加固的办法是设置4个斜撑,把内侧的框架变成桁架。只需要4根60mm方钢管,就可以把内侧底侧梁的竖向变形减小到9.5mm,此时外侧的最大竖向变形也仅为6.6mm,仅约为其跨度(12m)的1/1800,窗户应该不会受损(我国规定正常使用极限状态主梁的挠度不超过跨度的1/400;日本建筑抗震设计中规定的非结构构件受损的变形界限是1/200)。
  
  突然想到,随后结构改造完了,可以把箱子吊起来,实测一下跨中的挠度,看看分析得靠不靠谱。简直就是一篇论文的节奏啊!

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