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带孔集装箱建筑力学性能有限元与实验研究
①东莞理工大学土木工程系，东莞，523808，来自中国。②哈尔滨工业大学2土木与环境工程学院（深圳），深圳，518055，来自中国。
摘要：在有限元模拟和实验验证的基础上，研究了带孔集装箱建筑的刚度。 首先，通过ABAQUS有限元软件，20英尺和40英尺建立了集装箱模型，并考虑了相应的孔和加劲构件。 通过仿真，得到了容器模型的刚度和Mises应力轮廓。 经过对带孔容器的全尺寸实验进行了研究，并通过有限元模拟对载荷-位移曲线和载荷-应力曲线进行了比较，得到了有限元模拟结果 ，对元素模型进行了验证。 最后，在验证有限元模型的基础上，给出了孔与加劲构件的影响规律，并给出了孔的相关设计建议 ，给出了位置、孔面积、孔尺寸比和加劲构件形式。 研究结果对集装箱建筑的设计和施工具有一定的可行性，并提供了参考 相应的规格准备。
关键词：有孔的容器建筑，容器刚度，加劲构件，孔尺寸比，波纹板
1.介绍
集装器越来越多地用于建筑结构，如图1所示。 集装箱建筑有许多优点和应用。 首先，集装箱钢是可回收的，从而减少了能源消耗和环境-精神污染。 其次，集装箱在工厂制造，整体运输，并在施工现场快速组装，从而实现了标准化的设计和结构。第三，根据建筑设计要求，容器可以组合成多种形式。 此外，集装箱不仅可用于一般住宅，也适用于公共建筑，如学校、医院等，救灾情况，野外建设，军事用途等。
在建筑方面，Minguet（2012年）、Galindo（2011年）、Gorgolewski（2001年），Lawson（1999），Smith（2011年）、Rogan和Lawson（2000年）、Garrido（2011年）、Sawyers（2011年）、Sawyers（2008年）、Smith（2005年）和Bai（2004年）在世界各地引进了许多顶级集装箱建筑，以及发展背景和进化。 他们给出了集装箱建筑的各种组合、标准以及
成本。 在集装箱规格方面，ISO/TC104货运集装箱（1984、1995、1996、1999、2013）制定了一系列容器规范，包括容器词汇、测试、分类等。
在集成容器方面，Boslash;rvik（2008）首次采用铝板设计围护结构，采用有限元法模拟防护材料的力学性能爆炸冲击下的结构。 最后，研究了一种具有保护结构的全尺寸容器，验证了以往的有限元分析。 铃木（2011年、2012年、2013年）有限元方法分析了叠装容器的振动力学性能，最后利用叠装容器的全尺寸振动试验验证了有限元模拟的正确性。 得到了多层集装箱建筑的许多有用结论。 查（2014、2015、2016）提出了一个容器最优模型，并以最轻的总重量作为目标函数和目标函数。 以强度和刚度为约束条件。 得到梁，柱的最佳截面尺寸，然后，提出了容器刚度公式为单个基于位移协调和膜片理论的层和多跨、多层和单跨、多层和多跨。 提出了一种新的隔离系统容器间摩擦能的SED；而且得到了滑动隔离结构等效阻尼比与摩擦系数的关系。 最后，利用FDS和ABAQUS软件对机械支柱进行了研究对高温下多层集装箱结构的性能进行了研究，并提出了基于性能的消防设计的消防建议。 左（2016）进行了深入的比较。主要从力学理论分析、非线性数值模拟和全尺度实验验证等方面进行分析。 的整体，非加劲的开口，和高跷提高开口容器结构，并取得相应的成绩。
图1. 集装箱建筑结构
图2. 有洞的集装箱建筑结构
在实际工程中，为了满足建筑设计的要求，集装箱通常采用开口工艺，然后为了保证集装箱的刚度和其他要求 ，在建筑设计中，加劲构件通常设置在孔洞周围，如图所示2.
然而，Davies（1982）、Eccs N95（1995）和Luttell（2004）指出， 当孔面积大于3%、小于15%且满足以下条件时，也可采用完整的结构刚度公式，结构刚度应
考虑孔洞面积的影响如下（1）洞口周围设置了加固构件。（2）垂直于波纹方向的孔间距至少需要等于孔的长度。（3）平行波纹方向的方向不需要超过片材长度的25%。 因此，容器结构的孔面积对容器刚度有很大的影响。
在带孔集装箱方面，Giriunas（2012年）介绍了相关的集装箱标准和集装箱建筑的基础、连接、加固，并详细介绍了建造人员。 集装箱模型的T工艺，并采用有限元法分析了各种集装箱结构刚度在不同加载条件下的变化。 左（2015）利用隔膜理论给出了一种机械装置。 采用带孔容器
的力学分析和刚度计算方法，用ABAQUS给出了参数对带孔容器刚度的影响规律。 最后，用五个实验验证了对带孔容器的TAL研究。 查（2016）在“理论与实验螺柱”论文的基础上，推导了窗、门、组合窗波纹板的刚度。 综合容器结构平面内刚度的IES“，然后导出了具有上述孔的波纹板的刚度。 因此，通过框架之间的刚度分布 推导了带孔容器的E和波纹板的刚度。
本文的目的如下所示。 （1）以有限元法和实验为研究方法，推导了带孔容器的刚度。 （2）基于有限元模型研究孔和加劲的影响规律 成员，然后给出相关的设计建议。 （3）通过以上研究为相应的规范编写提供一定的参考。
表1. 集装箱主要组成部分
Color
Red Orange Yellow Blue Green White Black Grey
Container member
Corner fitting Bottom side rail Top side rail Front corner post Rear corner post Side wall
Roof Front wall
- 有限元模拟
2.1 集装箱模式设置
采用非线性有限元软件ABAQUS(DassaultSystemes，2014)作为有限元分析的主要手段.. 如表1和表2所示，容器的成员和大小，跟广泛的信息可参考相关
资料(ISO/TC 104 1999; ISO/TC 2013).
表二，主要容器尺寸（mm）
|
Length |
Width |
Height |
|
|
20ft container |
6058 |
2438 |
2591 |
|
40ft container |
12192 |
2438 |
2591 |
容器孔和加劲构件的尺寸和样式见表3和表4。
表3 容器孔的尺寸和样式
20ONR-1D
and 20OR-1D
20ONR-1D2W
and 20OR-1D2W
40ONR-1W
and 40OR-1W
40ONR-3W
and 40OR-3W
40ONR-5W
and 40OR-5W
表四，加强型的规模和尺寸
图3. 容器模型的本构关系..
对于以“Hex”为元素形状的容器角拟合，以“结构化”为网格控制技术，以“C3D8R”为元素类型。 对于集装箱屋顶使用“Tri”作为元素形状，“自由”作为技术。 网格控件的e，以及作为元素类型的“S3”。 对于容器的其他成员，使用“Quad”作为元素形状，“结构化”作为网格控制技术，“S4R”作为元素类型。 通过网格参数 分析表明，顶边梁、底边梁、前角柱、后角柱、顶端梁和底端梁的网格尺寸为15毫米，角部、侧壁、顶壁和端壁的网格尺寸为10mm。
由于绝大多数容器构件是由钢板制成的，容器模型使用三维外壳单元，而对于角部拟合，则使用三维实体单元。 结合和耦合约束 容器的各种部件。 由于集装箱门与整个结构之间没有刚性连接，而且集装箱门不起纵向刚度的作用，而且用复杂的结构建建模 因此，门的有限元模型没有考虑。通过上述分析，集装箱模型如图4所示。
约束条件完全约束，适用于四个底角配件。 加载条件是对称的纵向集中加载，适用于两个Fron顶部角配件。主要研究的是容器弹性阶段的力学性能，每个实验项目被加载，直到容器上的一个组件开始屈服。 边界条件如图4所示。
通过以上描述，模拟出如下形式的带孔容器如表5所示。
表5. 带孔容器有限元模型
Group Finite element item Description of finite element 20ONR-1D 20ft container with 1 door
20ONR-1D2W 20ft container with 1 door and 2 windows
Open and non-reinforce
Open and reinforce
40ONR-1W 40ft container with 1 window
40ONR-3W 40ft container with 3 windows
40ONR-5W 40ft container with 5 windows
20OR-1D 20ft container with 1 door andreinforced
20OR-1D2W 20ft container with 1 door and 2 windows and reinforced
40OR-1W 40ft container with 1 window and reinforced
40OR-3W 40ft container with 3 windows and reinforced
40OR-5W 40ft container with 5 windows and reinforced
表6 有限模型带孔容器的刚度（kN/mm）
|
20ONR-1D |
20ONR-1D2W |
40ONR-1W |
40ONR-3W |
40ONR-5W |
|
21.18 |
12.86 |
43.48 |
27 |
22.4 |
|
20OR-1D |
20OR-1D2W |
40OR-1W |
40OR-3W |
40OR-5W |
|
28.46 |
21.46 |
57.4 |
43.86 |
34.26 |
2.2集装箱模型结果
通过有限元模拟，在弹性阶段，具有两组孔（开口和非增强组和开口和加固组）的容器的刚度如表6所示。
通过有限元模拟，在弹性阶段，开放和非增强组的相应Mises应力轮廓如图5所示。
通过有限元模拟，在弹性阶段，相应的开口加固组的Mises应力轮廓如图6所示。
表7 拉伸实验的实验数据
|
Specimen |
E (MPa) |
mu; sigma;s sigma;b (MPa) (MPa) |
|
|
Corner column 2.03times;105 0.3 |
320.83 461.87 |
||
|
U-steel |
2.04times;105 |
0.28 |
325.89 476.21 |
|
Top side beam |
1.99times;105 |
0.31 |
314.33 449.12 |
|
Bottom side beam |
2.01times;105 |
0.3 |
318.44 458.07 |
|
Side wall-1.6mm |
1.97times;105 |
0.3 |
318.67 448.2 |
|
Side wall-2mm |
1.98times;105 |
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