多层装配式集成打包箱结构设计分析

熊伟，帅逸群，程威

（广州市设计院集团有限公司，广州 510620）

1 引言

近年来，由于高传染性病毒的影响，各地方对临时性应急隔离建筑的需求大量增加。对于大型城市或人口密集区，往往很难在较短时间内提供大量空旷的场地来搭建隔离区，而目前多层临时应急隔离建筑的建造方式较少。由于建造工期短，通过对比建造工期，采用目前市场上现存的集装箱式板房、集成卫生间、设备等形成箱式集成建筑，按照建筑功能叠加排布要求，形成满足应急隔离需求的多层装配式集成打包箱结构，这种新的建造方式能很好地满足快而省的工程要求。

为了验证多层装配式集成打包箱结构的合理性及安全性，本文对单层打包箱和多层打包箱结构，按照设计使用年限不超过5 年，地震作用影响较小，重点考虑风荷载，基本风压取10 年一遇风，箱体间连接构造按50 年一遇风荷载验算，建立了合理的计算模型，采用MIDAS 进行设计校核，同时利用通用有限元程序进行了双非线性极限承载能力的补充分析，并提出了一些改进构造措施并应用于工程实际。

2 外单层打包箱结构设计分析

市场上常用的打包箱一般按照GB/T 37260.1—2018 《箱型轻钢结构房屋 第1 部分：可拆装式》（以下简称“GB/T 37260.1”）制造，主要构件的壁厚满足该标准最小厚度要求，箱体尺寸为长6.055 m×宽3.020 m×高2.896 m，常见的标准打包箱框架如图1 所示。

图1 标准打包箱框架

2.1 设计校核及抗倾覆分析

常见打包箱为了安装方便，墙板与骨架没有紧密连接在一起，对打包箱框架刚度贡献较小，设计计算时其贡献作为安全储备不予考虑。按照GB/T 37260.1 及GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》（以下简称《荷载规范》）要求对单层打包箱施加荷载，水平荷载按最不利方向。计算结果表明，取10 年一遇风荷载按《荷载规范》计算所得的梁柱应力均大于按GB/T 37260.1 计算的结果，特别是下框梁安全富裕度较低，但应力比都小于1。单个标准箱柱底未出现拔力，即单箱在使用时箱体柱底只需要简单的抗滑抗压措施既可。

2.2 单箱双非线性极限承载力分析

本文双非线性极限承载力是通过双非线性屈曲稳定分析得到的，即在考虑了结构初始几何缺陷影响情况下进行几何大变形及材料非线性模拟分析[1]。在考虑几何非线性的大变形分析中考虑应力刚化效应，在每个荷载步分析完成后，按照新的节点位置生成辅助的应力刚度矩阵，对结构原刚度矩阵重新调整，也即进行荷载-位移全过程模拟分析并不断修正结构刚度的非线性过程。对于非线性过程的解答一般采用迭代法。如经典的牛顿-拉斐逊法，以及国内外学者提出的人工弹簧法、位移增量法、弧长法、能量平衡技术、功增量法与最小残余位移法等。其中以弧长法较为有效，应用也最为广泛，本文在进行非线性分析时采用软件提供的弧长法。材料非线性选用弹刚度模型[2]。

单个箱体按GB/T 37260.1 规定，竖向荷载为45 kN，水平荷载为4 kN，计算结果如表1 所示；按《荷载规范》及10 年一遇风荷载，竖向荷载为18.567 kN，水平荷载为1.755 kN，计算结果如表2 所示，竖向荷载和水平荷载同时增加的箱体顶点位移-荷载倍数（施加到箱体上的双向荷载与按规范计算得到的荷载标准值的比值）曲线如图2 所示，通常荷载倍数也叫安全系数。

表1 按GB/T 37260.1 要求计算结果

表2 按《荷载规范》及10 年一遇风荷载要求计算结果

图2 单箱双向加载荷载曲线

计算结果表明，单个箱体具有较好的承载力，特别是竖向荷载承载能力，在一定的水平荷载作用下，可以进行多箱叠放。在应急情况下，可以选择体育馆、会展中心等室内环境搭建多层建筑。箱体极限承载力的主要影响因素为水平荷载，在风荷载较大区域搭建多层箱体时应特别注意水平荷载作用的影响。

3 3 层装配式集成打包箱结构计算模型

集装箱多层叠加在一起应用主要出现在货运集装箱及工地板房，应用时会增加一些拉索等措施抵抗风荷载，但经常会出现倾覆等事故。本文采用打包箱、集成卫生间、设备等形成箱式集成建筑，其抗风能力及箱体间的连接方式为重点研究对象。

3.1 常见多层打包箱箱体间的连接方式

常见的多层打包箱结构单元多为单个2 层或3 层，通过横竖组合放在一起，箱体之间的连接分为两种：上下箱体间采用卡扣连接如图3 所示，水平箱体间采用螺杆连接如图4所示。

图3 上下箱体间连接方式

图4 水平箱体间连接方式

由于卡扣连接存在偏心受力，螺杆连接存在缝隙，该两种连接方式都不属于可靠连接方式，存在相对滑动或转动的情况，计算模型较难模拟。

3.2 改进的箱体间的连接方式

为了适应建造速度的要求，节点改进方案只能采用简便的现场加固方案。按照通过可靠连接方式将打包箱单体组合在一起形成多层打包箱建筑的思路，打包箱节点加固方案如图5 所示，两个箱体之间采用连接板水平或竖向加强连接在一起。

图5 打包箱节点回字板加固方案

上述节点通过增加缀板的加固方案，保证了箱体之间的力的传递，防止了箱体之间的相对平移。

3.3 3 层打包箱简化计算模型

3 层打包箱参考T/CECS 641—2019 《箱式钢结构集成模块建筑技术规程》箱体的竖向连接为铰接节点，如图6 所示。常用打包箱叠在一起时，箱体之间的分界点在相邻上下框梁中间位置，单箱3 层计算模型如图7 所示。箱体间水平方向连接节点根据节点实际受力特点，采用水平链杆模拟。箱体长向上下框梁需要共同受力，采用双层梁受力模型。

图6 规范计算简图

图7 单箱3 层计算模型

4 3 层装配式集成打包箱结构设计分析

4.1 设计计算分析

由于单箱下框梁安全富裕度较低，当多箱叠加时，下框梁应力不满足规范要求。根据多层打包箱结构构造特点，每个箱体都有上框梁和下框梁，一般上框梁荷载较小，富裕度较大，可以考虑利用两个箱体邻近的下框梁和上框梁共同作用来承担荷载。具体改进方式有3 种:（1）在邻近上下框梁间增加斜撑构件形成桁架受力；（2）在邻近上下框梁间增加刚度较大竖向刚接构件，形成空腹桁架受力；（3）在邻近上下框梁间增加简易缀板，使上下框梁变形协调，形成双层梁共同受力。上述3种方式最简单的为第三种，提高的承载力效果也最弱。本文计算模型采用的为双层梁模型。

对单箱3 层打包箱，取10 年一遇风荷载按《荷载规范》要求对打包箱施加荷载，水平荷载按最不利方向。计算结果表明，主要构件应力及变形均不满足T/CECS 641—2019《箱式钢结构集成模块建筑技术规程》要求。

对双箱3 层模型进行计算，主要构件应力及变形均满足T/CECS 641—2019 《箱式钢结构集成模块建筑技术规程》要求。箱体间水平链杆轴力为4.62 kN，竖向吊头之间最大拉力值为12 kN，最大剪力值为6kN（角柱），回形板竖向板应力为40 MPa，水平板应力35.4 MPa，焊缝应力为15.9 MPa，较小的回形板即可满足要求，即使在50 年一遇风荷载作用下，箱体间连接依然具有足够的安全系数。

4.2 柱底反力及极限承载力分析

柱底反力及极限承载力计算结果如表3 所示，结果表明单箱3 层安全系数较低，在设计荷载作用下已接近极限状态，而双箱3 层通过互相拉结，空间作用明显，极限承载力提高较多，但仍达不到通常认可的双非线性结构安全系数2。

表3 柱底反力及极限承载力

4.3 多层装配式集成打包箱结构工程应用

广州市作为对外窗口城市，每天需要接待大量入境人员，2020—2022 年期间，由于病毒影响，入境人员需要进行一段时间隔离。作为第一期抗疫应急工程，广州国际驿站需要在短时间内建成可入住旅客人数5 000 人，医护后勤床位2 000 床，建筑面积20 多万m2。广州国际健康驿站功能包括：旅客驿站、健康服务中心、综合服务楼、医护及后勤保障房、消防站、物资储备中心、厨房及餐饮配送中心、洗衣房、出入登记中心等。广州国际驿站如图8 所示。

图8 广州国际驿站

由于建造工期要求非常短，通过对比建造工期，本项目利用目前市场上现存的集装箱式板房，采用集成卫生间、设备等形成箱式集成建筑，按照建筑功能叠加排布要求，形成满足防疫应急隔离需求的多层装配式集成打包箱结构。本项目共采用了1 万多个市面上常用的打包箱来集成组装形成多层装配式集成打包箱结构，在实施时重点应用了如下成果。

1）多层打包箱结构按照《荷载规范》等，采用本文提出的简化计算模型进行结构设计复核。

2）单箱3 层结构体系柱底会出现拔力，应在柱底设置可靠预埋件。

3）上下相邻框架梁增加构造措施形成双层梁共同受力。

4）箱体间应设置可靠连接。通过增加回字板，板条等连接措施将单箱3 层结构相互拉结在一起，至少应做到两两拉结共同受力，不允许单箱3 层结构独立受力。

增加上述构造措施后，箱体间的连接为可靠连接，典型标准单元计算简图如图9 所示。

图9 标准单元计算模型

计算分析结果表明，在10 年重现期风荷载基本风压为0.3 kN/m2（对应风级约为8.3 级）作用下，主要构件处于弹性状态，双向加载条件下的双非线性荷载安全系数约为3，比单箱3 层及双箱3 层的承载力有显著提高。

5 结语

常见的利用打包箱所建的工地板房等，单层时具有较高的安全性。当利用打包箱构建多层装配式集成打包箱结构时，应特别注意结构计算及构造连接，适当增加构件截面面积，加强墙板与骨架连接来提高结构安全性。本文提出的结构计算模型简化方法及箱体间连接构造方式可以对类似结构的设计提供一定的指导作用。