風(fēng)雪荷載對(duì)冷藏集裝箱使用安全性的分析

蔡鶴 孫立贏

摘 要：分析計(jì)算ISO冷藏箱在承受極端風(fēng)需荷載下的箱體強(qiáng)度，列出了對(duì)應(yīng)工況的計(jì)算結(jié)果。對(duì)箱體在極端條件下的安全性使用提供了參考。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)雪荷載;ISO冷藏箱;安全性

冷藏集裝箱是為了運(yùn)輸對(duì)溫度有一定要求的易腐貨物的集裝箱。箱體主要采用耐候鋼、鋁合金、不銹鋼薄板、保溫隔熱材料等組成。通過焊接、鉚接等工藝組成一個(gè)整體。

為了滿足海上、公路、鐵路等不同的運(yùn)輸工況，箱體需滿足相關(guān)ISO標(biāo)準(zhǔn)及船級(jí)社試驗(yàn)要求。冷藏集裝箱除了用作重要的貨物運(yùn)輸載體外，其在碼頭、場(chǎng)站堆放時(shí)或用做儲(chǔ)存貨物的倉庫和辦公居住的集裝箱房時(shí)，還會(huì)受到自然界中風(fēng)荷載和雪荷載的影響。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的ISO冷藏集裝箱，盡管其擁有較大的剛度及較高的強(qiáng)度，但在設(shè)計(jì)時(shí)并未有針對(duì)風(fēng)雪荷載的計(jì)算和校核。因此，了解箱體是否滿足風(fēng)雪荷載強(qiáng)度要求，對(duì)保障箱體正常使用和人員安全是十分必要的。

1.風(fēng)荷載計(jì)算

與氣流方向垂直的物體表面受到的風(fēng)壓稱為風(fēng)的壓強(qiáng)。對(duì)結(jié)構(gòu)上用于計(jì)算的風(fēng)壓稱為風(fēng)荷載。以40ft標(biāo)準(zhǔn)海運(yùn)冷藏集裝箱放置在地面上為例，計(jì)算側(cè)板為迎風(fēng)面時(shí)箱體受力情況。箱體空載和滿載時(shí)質(zhì)量關(guān)系如下：P=R-T;

其中，P為貨載質(zhì)量，為冷藏箱最大允許裝載量;R表示冷藏箱額定值;T表示箱體自身質(zhì)量。40ft標(biāo)準(zhǔn)海運(yùn)冷藏箱自重Tg約為44.1KN，滿載時(shí)Rg約為264.6KN。 冷藏箱外尺寸L×W×H為12.192m×2.438m×2.896m。

1.1冷藏集裝箱空載

當(dāng)冷藏箱空載時(shí)，若風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩大于箱體自重的力矩時(shí)，會(huì)使箱體發(fā)生側(cè)翻傾覆。參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中對(duì)風(fēng)荷載的描述：ωk=βz μs μz ω0

式中：ωk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）;βz—— Z高度處的風(fēng)振系數(shù);μs——風(fēng)荷載體型系數(shù);μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù);ω0——基本風(fēng)壓（kN/m2）。

按βz風(fēng)振系數(shù)取值1.0。風(fēng)壓高度系數(shù)μz的取值與地面粗糙度有關(guān)，按A類近海海岸地區(qū)取值1.09。風(fēng)荷載體型系數(shù)μs取值1.3。基本風(fēng)壓ω0以50年重現(xiàn)期為準(zhǔn)，選取最大風(fēng)壓值，查表得0.85KN/m2，代入公式：ωk=1.0×1.3×1.09×0.85=1.204KN/m2，風(fēng)荷載作用在冷藏箱上的傾覆力矩：M1=1.204×12.192×2.896×0.5×（2.896+0.5）=72.183KN·M;箱體自重的抗傾覆力矩：M2=44.1×0.5×2.438=53.758KN·M，可知M2﹤M1，冷藏箱將會(huì)發(fā)生傾覆。

1.2 冷藏集裝箱滿載

此時(shí)總重量約為264.6KN，箱體自身的抗傾覆力矩：M3=264.6×0.5×2.438=322.547 KN·M;可知M3﹥M1，箱體是安全的，不會(huì)發(fā)生傾覆。

1.3冷藏集裝箱風(fēng)荷載計(jì)算

冷藏箱未發(fā)生傾覆時(shí)，箱體結(jié)構(gòu)承受最大的風(fēng)荷載，需計(jì)算局部及整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足。選取箱體左側(cè)板為迎風(fēng)面，對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載體型系數(shù)為+0.8，另一側(cè)板為背風(fēng)面，體型系數(shù)為-0.5，門端面和冷機(jī)端面的體形系數(shù)為-0.7。其中正號(hào)表示受壓力，負(fù)號(hào)表示受拉力。因箱體迎風(fēng)面與背風(fēng)面受到風(fēng)荷載方向相同，此時(shí)冷藏箱整體的風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.3。箱體各面的壓強(qiáng)計(jì)算如下：

迎風(fēng)面ωk=1.0×0.8×1.09×0.85=0.741KN/m2，

背風(fēng)面ωk=1.0×0.5×1.09×0.85=0.463KN/m2，

箱體迎風(fēng)面與背風(fēng)面總風(fēng)荷載ωk=0.741+0.463=1.204KN/m2，

冷藏箱側(cè)板滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)及船級(jí)社試驗(yàn)氣袋0.6Pg強(qiáng)度要求，對(duì)應(yīng)的側(cè)板壓強(qiáng)為：P側(cè)=（264.6-44.1） ×0.6÷12.192 ÷2.896=3.747KN/ m2。

可知冷藏箱側(cè)板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值P側(cè)大于迎風(fēng)面受到的風(fēng)荷載及箱體整體受到的總風(fēng)荷載，冷藏箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是滿足的。

2.雪荷載計(jì)算

雪荷載的大小主要取決于當(dāng)?shù)氐慕笛┝浚纠杏?jì)算40ft冷藏箱頂板受到的最大雪荷載。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中對(duì)雪荷載的描述：屋面水平投影面上雪荷載的計(jì)算為：Sk=μr S0;

式中：Sk——雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）;μr——屋面積雪分布系數(shù);S0——基本雪壓（kN/m2）。基本雪壓Sk以50年重現(xiàn)期中有記錄的歷史最大值進(jìn)行計(jì)算，查表取1.65KN/m2，屋面積雪分布系數(shù)μr取1.0，得出雪荷載為：Sk=1.0×1.65=1.65KN/m2

冷藏箱頂板滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)及船級(jí)社試驗(yàn)頂板強(qiáng)度要求，為300mm×600mm的面積上均勻分布300Kg，不出現(xiàn)影響箱體正常使用的永久性變形。

使用有限元方法計(jì)算1.65KN/m2的雪荷均布于箱頂時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力及變形。

冷藏集裝箱模型單元類型以殼單位為主。約束箱體4個(gè)底角件，頂板施加1.65×10-3MPa的均布?jí)簭?qiáng)。應(yīng)力及位移云圖如圖2所示。

從應(yīng)力云圖及位移云圖中可見，箱體整體的應(yīng)力及變形數(shù)值均較小，且在材料的彈性范圍內(nèi)。當(dāng)雪荷載去除后，殘余變形為零，箱體強(qiáng)度滿足使用要求。

3.總結(jié)

（1）冷藏集裝箱空載，且受到基本風(fēng)壓為0.85KN/m2的風(fēng)荷載時(shí)，箱體會(huì)發(fā)生傾覆，造成結(jié)構(gòu)不同程度的損傷。進(jìn)一步的，按照空載不發(fā)生傾覆，反算臨界的基本風(fēng)壓ω0=0.63KN/m2。對(duì)于基本風(fēng)壓大于0.63KN/m2或冷藏箱為多層堆放的情況，為保證安全使用，需使用連接裝置對(duì)箱體與地面或箱體與箱體之間進(jìn)行固定。

（2）冷藏箱滿載時(shí)，因自重很大，受到最大風(fēng)荷載時(shí)不會(huì)發(fā)生傾覆，同時(shí)最大迎風(fēng)面的風(fēng)荷載ωk=0.741KN/m2，箱體迎風(fēng)面與背風(fēng)面總風(fēng)荷載ωk=1.204KN/m2，均小于冷藏箱側(cè)板強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值3.747KN/ m2，箱體結(jié)構(gòu)是安全的。

（3）在雪荷載作用下，箱體頂板變形較為對(duì)稱，為箱內(nèi)方向的下沉變形，最大應(yīng)力約為60Mpa，最大變形量約9mm，屬于彈性變形，冷藏箱的強(qiáng)度滿足要求，箱體可安全使用。

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