可拆式模块化箱式房整体刚度和位移

彭志丰 马小阳 贾治勇 高上宇

可拆式模块化箱式房（以下简称“箱式房”）具有生产周期短、运输和安装方便等优点，近年来被广泛应用于便利店、宿舍、学校、医院、阅兵村和度假酒店等场所[1]，尤其是在2020年上半年抗击新冠肺炎疫情的过程中，以箱式房为建筑形式的方舱医院发挥了重要作用[2]。虽然箱式房在我国发展迅速，但设计生产企业普遍未考虑箱式房金属面夹芯板的蒙皮效应，并且将角件与立柱的连接简化为刚性连接，从而可能导致成本增加并造成安全隐患。T/CCMSA 20108―2019《集成打包箱式房屋》作为箱式房领域的团体标准，对箱式房发展起到了一定的规范作用;但该标准未明确说明箱式房金属面夹芯板的蒙皮效应和角件与立柱的半刚性连接对箱式房整体变形和受力的影响。本文提出箱式房金属面夹芯板蒙皮效应的计算假设以及角件与立柱半刚性节点初始转动刚度的简化计算方法，并利用盈建科建筑结构设计软件分析箱式房整体刚度和位移，以期为箱式房结构设计提供参考。

1 箱式房金属面夹芯板的蒙皮效应

箱式房四周墙板采用金属面夹芯板，芯材为玻璃丝棉、岩棉和聚氨酯等，金属面板厚度通常在0.5～ 0.7 mm之间。金属面夹芯板通过自攻钉与L形立柱连接，并通过卡件等与顶梁和底梁连接。孙超等[3]对3层箱式房进行有限元计算，结果显示：在不考虑墙板蒙皮效应的条件下，箱式房的整体刚度为3.72？103 kN/m;在考虑墙板蒙皮效应的条件下，箱式房的整体刚度为2.60？05 kN/m。由此可见：金属面夹芯板能够有效提高箱式房的整体刚度，从而减少箱式房变形;因此，在箱式房设计制造过程中，不应忽略金属面夹芯板的蒙皮效应，否则有可能导致材料浪费和成本上升。

金属面夹芯板的力学特性与芯材排布方式和芯材密度密切相关。研究和试验表明：玻璃丝棉和岩棉顺纤维方向的弹性模量远远大于垂直纤维方向的弹性模量，拉伸弹性模量大于压缩弹性模量，并且其弹性模量与密度成正比。[4-6]为了便于处理，可偏安全地认为芯材的拉伸弹性模量等于其压缩弹性模量。芯材的剪切模量可通过查询JGJ/T 453―2019《金属面夹芯板应用技术标准》获取。金属面夹芯板芯材和面板的弹性模量和剪切模量见表1。

箱式房墙板厚度通常为50 mm、75 mm或。考虑到金属面板的弹性模量与芯材的弹性模量存在巨大差异，可近似认为箱式房金属面夹芯板的蒙皮效应全部由金属面板贡献。

2 箱式房角件与立柱的半刚性连接

在箱式房设计制造过程中，角件与立柱的连接通常被简化为刚性连接。这种简化与实际受力情况不符，可能存在安全隐患。任建省[7]对箱式房角件与立柱的连接进行有限元分析，认为角件与立柱节点的半刚性影响不容忽略。为了便于计算，结合张俊峰等[8]对箱式房节点的试验分析，作出以下假设：（1）螺栓绕L形立柱受压侧最外端螺栓中心旋转;（2）由于角件的连接板较厚，忽略连接板变形对节点初始转动刚度的影响;（3）忽略L形立柱的异形截面对节点初始转动刚度的影响;（4）只考虑节点受拉螺栓变形对初始转动刚度的影响;（5）角件与立柱的连接处在弹性阶段。节点几何参数定义见图1，节点绕立柱短边处的力学模型见图2。

L型立柱与角件连接处的转角

式中：w为单位力在节点处引起图2螺栓③的拉伸变形量;d为螺栓孔间距。

螺栓刚度

式中：E为螺栓弹性模量;Ab为螺栓有效截面面积;Lb为螺栓有效长度，取连接处端板、垫圈和半个螺栓头的厚度之和。

节点初始弯矩

M=wkbd+wkbd+3wkbd= wkbd（3）

节点初始转动刚度

K=（4）

由式（1）～（4）可得節点连接处绕L形立柱短边旋转的初始转动刚度K11=14kbd2=，节点连接处绕L形立柱长边螺栓旋转的初始转动刚度K12=32kbd 2= ，节点连接处绕L形立柱长边旋转的初始转动刚度K21=5kbd 2= ，节点连接处绕L形立柱短边螺栓旋转的初始转动刚度K22=9kbd 2=。

立柱与角件通过无螺母的高强螺栓连接，仅靠螺纹咬合发挥紧固作用，从而导致立柱与角件的连接刚度被削弱;因此，需要对初始转动刚度进行修正，修正系数为0.15。[8]31

3 单层箱式房的整体刚度和位移

箱式房角件与立柱连接处采用模块化构件和8.8级M12高强螺栓。螺栓有效截面面积Ab=2，螺栓有效长度Lb=45 mm，螺栓弹性模量E=2.06？106 N/mm2，螺栓孔间距d=50 mm。将以上参数代入计算公式，得到经修正的初始转动刚度=2 764kNm/rad，=6 317 kN m/rad，= m/rad，=1 776 kN m/rad。箱式房楼面恒载和活载分别为0.5 kN/m2和/m2，屋面恒载和活载分别为0.15 kN/m2和0.50 kN/m2，基本风压分为0.50 kN/m2、0.55 kN/m2、0.60 kN/m2和0.65 kN/m2等4种工况，地面粗糙度类别为B类，风压高度变化系数和风振系数均为1.0。由GB 50223―2008《建筑工程抗震设防分类标准》可知，用于临时建筑的箱式房通常可不进行抗震设防，故本文未考虑地震工况。利用盈建科建筑结构设计软件建立单层箱式房整体模型，并分析单层箱式房的整体刚度和风工况下的位移（见表2）。

从整体刚度来看：（1）在不考虑墙板蒙皮效应和半刚性节点影响的条件下，单层箱式房沿长度方向的整体刚度为102.04 kN/m，沿宽度方向的整体刚度为89.29 kN/m;（2）在不考虑墙板蒙皮效应但考虑半刚性节点影响的条件下，单层箱式房沿长度方向的整体刚度降至94.34 kN/m，沿宽度方向的整体刚度降至86.96 kN/m，这是因为角件与立柱的半刚性连接节点导致单层箱式房整体刚度降低;（3）在考虑墙板蒙皮效应的条件下，无论是否考虑半刚性节点影响，单层箱式房沿长度方向的整体刚度均为/m，沿宽度方向的整体刚度均为/m，这是因为墙板蒙皮效应显著，其对单层箱式房整体刚度的影响远远大于半刚性节点的影响，从而大大提高单层箱式房的整体刚度。4213DE33-64E6-4937-9705-6865B1871AA4

从风工况下的位移来看：（1）在考虑墙板蒙皮效应的条件下，无论是否考虑半刚性节点影响，单层箱式房沿长度和宽度方向的位移均不超过限值;（2）在不考虑墙板蒙皮效应的条件下，无论是否考虑半刚性节点影响，单层箱式房沿长度和宽度方向的位移均超过限值。

4 结束语

（1）单层箱式房金属面夹芯板的蒙皮效应显著，能够有效提高箱式房的整体刚度，减少其在风作用下的位移;因此，箱式房设计应当考虑墙板的蒙皮效应，否则可能导致成本增加。

（2）角件与立柱的半刚性节点对单层箱式房整体刚度的影响远远小于墙板蒙皮效应的影响，可以忽略不计。

（3）本文提出的箱式房角件与立柱半刚性节点初始转动刚度的计算公式忽略端板变形和L形立柱异形截面的影响，具有较强的可操作性，便于工程人员使用。

参考文献：

[1] 彭志丰，张伟. 装配式模块化可拆集装箱房屋应用与发展[J]. 集装箱化，2019，30（3）：20-23.

[2] 袁理明，侯国求，罗海兵，等. 武汉雷神山医院结构设计[J]. 建筑结构，2020，50（8）：1-8.

[3] 孙超，王立伟，王月栋. 低层模块化房屋结构性能分析[J]. 钢结构（中英文），2019，34（7）：65-69.

[4] 吴洁，秦培成，查晓雄. 玻璃丝棉及其夹芯板力学性能的试验研究[J]. 四川建筑科学研究，2011，37（1）：79-82.

[5] 秦培成. 金属面夹芯板抗弯性能的理论及试验研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[6] 杨增雨. 金属面结构岩棉板力学性能的试验和理论研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[7] 任建省. 集装箱房屋梁柱节点的半刚性性能研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2018.

[8] 張俊峰，杨大雍，胡文悌，等. 拆装式箱型房屋整体抗弯刚度研究[J]. 钢结构，2016，31（12）：28-32.

（编辑：张敏 收稿日期：2021-09-14）

作者简介：彭志丰（1986―），男，工程师，从事钢结构抗震与装配式钢结构房屋设计工作;

马小阳（1993―），男，学士，从事超高层抗震与装配式房屋设计工作;

贾治勇（1969―），男，副研究员，从事伪装隐身与电磁防护技术研究工作4213DE33-64E6-4937-9705-6865B1871AA4