一种构建多层集装箱房的方法及多层集装箱房.pdf

本发明涉及一种构建多层集装箱房的方法，包括如下步骤：采集集装箱的参数：采集集装箱的材料参数、外形尺寸及集装箱各组成构件的截面形式；设计集装箱房的结构：设计集装箱的多层叠放形式，根据集装箱的材料和结构参数以及外部荷载情况计算所述形状集装箱房的受力情况，所述受力情况包括集装箱的角柱受力和长梁受力；设计集装箱房的支撑件：根据所述受力情况设计所述形状集装箱房的支撑件；构建多层集装箱房：根据设计的集装箱房的结构及设计的支撑件搭建多层集装箱房。本发明方法构建的多层集装箱房，在不占用更多地方的情况下，既扩大集装箱房的使用空间，又更加美观和实用。

1.  一种构建多层集装箱房的方法，包括如下步骤：
采集集装箱的参数：采集集装箱的材料参数、外形尺寸及集装箱的截面形式；
设计集装箱房的结构：设计集装箱的多层叠放形式，根据集装箱的材料和结构参数计算所述形状集装箱房的受力情况，所述受力情况包括集装箱的角柱受力和长梁受力；
设计集装箱房的支撑件：根据所述受力情况设计所述形状集装箱房的支撑件；
构建多层集装箱房：根据设计的集装箱房的结构及设计的支撑件搭建多层集装箱房。

2.  根据权利要求1所述构建多层集装箱房的方法，其特征在于，在采集集装箱的参数参数步骤中，确定集装箱所用钢材的型号，得到钢材的本构模型，获得废旧集装箱的参数。

3.  根据权利要求2所述构建多层集装箱房的方法，其特征在于，根据选用集装箱的折旧程度，对集装箱所用钢材的强度进行折减。

4.  根据权利要求1所述构建多层集装箱房的方法，其特征在于，在设计集装箱房的结构步骤中，计算集装箱的角柱受力时，将集装箱的自身重力及集装箱中物体的重力及上层集装箱角柱传导的力转换为垂直施加在四个角柱上的四个集中力。

5.  根据权利要求1所述构建多层集装箱房的方法，其特征在于，在设计集装箱房的结构步骤中，所述长梁受力包括上长梁受力和下长梁受力，计算集装箱的上长梁受力时，将集装箱顶板上的荷载转化为上长梁上的均布荷载，再转化为上长梁上的集中力；在计算下长梁的受力时，将集装箱底板上的荷载和侧板的自重转化为底面短横梁上的均布荷载，再转化为下长梁上的集中力。

6.  一种多层集装箱房，包括多个型号相同的集装箱，其特征在于，将所述集装箱作为组建房屋的标准模块进行改造，对改造后的集装箱进行集装箱的角柱受力和长梁受力分析，根据受力分析情况将改造后的所述集装箱进行多层错位叠放。

7.  根据权利要求6所述的多层集装箱房，其特征在于，还包括支撑件，所述支撑件主要用来支撑受力不合理的长梁以及二层以上集装箱单元悬挑部分。

8.  根据权利要求6或7所述的多层集装箱房，其特征在于，所述集装箱房为集装箱的多层平行错位叠放。

9.  根据权利要求6或7所述的多层集装箱房，其特征在于，所述集装箱房为集装箱的多层正交错位叠放。

10.  根据权利要求9所述的多层集装箱房，其特征在于，在设计集装箱房的结构步骤中，所述集装箱房为集装箱的多层正交错位叠放。

一种构建多层集装箱房的方法及多层集装箱房
技术领域
本发明涉及一种构建集装箱房的方法及集装箱房，尤其涉及一种构建多层集装箱房的方法及多层集装箱房。
背景技术
集装箱在现代社会的海运行业中广泛使用，根据国际海运规定，集装箱的使用期限为10年，10年之后便要强制退役。据统计，每年从海运中退役的集装箱可达100万TEU(一个20ft的集装箱代表1TEU)。其实退役的集装箱并不是说不能使用，大多数还是可以继续使用5-10年的。随着城市的发展提速，城市的住房也更加紧张，紧张的房源也导致更高的房价，加重城市居民的经济负担。将淘汰的集装箱改造成为供人居住的房屋便成为解决现代社会城市住房紧张的一种重要课题。
欧美等发达国家，将集装箱改造成为房屋已走在了前列。但是，在将集装箱改造成为房屋的现有技术中，面临着如下一些技术问题：一、造型单一：大多数实际应用的集装箱房屋的搭建模式均统一于集装箱传统的堆放方式。但是这样的房屋建多了对城市美化不利，如集装箱堆场的景观不可取，另外，就是不能满足用户的个性化需求。二、结构不合理，通常仅仅将集装箱看成可以组装的柜子任意组装，没有考虑集装箱模块的尺寸问题，例如有些造型从结构稳定角度讲适合20ft(FeeT，英尺，集装箱的大小单位，简称“ft”。)而不适合40ft的标箱，而且也没有考虑需要过多的附属结构实现建筑造型意味着建造成本的增加等等。
发明内容
本发明解决的技术问题是：现有的集装箱房造型单一，同时结构不合理的技术问题。
本发明的技术方案是：提供一种构建多层集装箱房的方法，包括如下步骤：
采集集装箱的参数：采集集装箱的材料参数、外形尺寸及集装箱的截面形式；
设计集装箱房的结构：设计集装箱的多层叠放形式，根据集装箱的材料和结构参数计算所述形状集装箱房的受力情况，所述受力情况包括集装箱的角柱受力和长梁受力；
设计集装箱房的支撑件：根据所述受力情况设计所述形状集装箱房的支撑件；
构建多层集装箱房：根据设计的集装箱房的结构及设计的支撑件搭建多层集装箱房。
本发明的进一步技术方案是：在采集集装箱的参数参数步骤中，确定集装箱所用钢材的型号，得到钢材的本构模型，获得废旧集装箱的参数。
本发明的进一步技术方案是：在采集集装箱的参数参数步骤中，根据选用集装箱的折旧程度，对集装箱所用钢材的强度进行折减。
本发明的进一步技术方案是：在设计集装箱房的结构步骤中，计算集装箱的角柱受力时，将集装箱的自身重力及集装箱中物体的重力及上层集装箱角柱传导的力转换为垂直施加在四个角柱上的四个集中力。
本发明的进一步技术方案是：在设计集装箱房的结构步骤中，所述长梁受力包括上长梁受力和下长梁受力，计算集装箱的上长梁受力时，将集装箱顶板上的荷载转化为上长梁上的均布荷载，再转化为上长梁上的集中力；在计算下长梁的受力时，将集装箱底板上的荷载和侧板的自重转化为底面短横梁上的均布荷载，再转化为下长梁上的集中力。
本发明的技术方案是：一种多层集装箱房，包括多个型号相同的集装箱，将所述集装箱作为组建房屋的标准模块进行改造，对改造后的集装箱进行集装箱的角柱受力和长梁受力分析，根据受力分析情况将改造后的所述集装箱进行多层错位叠放。
本发明的进一步技术方案是：还包括支撑件，所述支撑件主要用来支撑受力不合理的长梁以及二层以上集装箱单元悬挑部分。
本发明的进一步技术方案是：所述集装箱房为集装箱的多层平行错位叠放。
本发明的进一步技术方案是：在设计集装箱房的结构步骤中，所述集装箱房为集装箱的多层正交错位叠放。
本发明的技术效果是：提供一种构建多层集装箱房的方法，改变现有技术中将集装箱简单堆放或仅设置一层的形式。本发明将集装箱多层错位叠放，在构建过程中从结构造型及结构受力等方面进行设计改造，既从美观、个性化需求上对集装箱房进行考虑，又从结构安全方面进行考虑。同时，本发明方法构建的多层集装箱房，在不占用更多地方的情况下，既扩大集装箱房的使用空间，又更加美观和实用。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为钢材的应力-应变曲线。
图3为集装箱的结构图。
图4为集装箱平行错位受力简化图。
图5将上层集装箱模块外悬部分的下长梁简化为悬臂梁的计算简图
图6为集装箱平行错位时上长梁的受力简化图。
图7为集装箱正交错位时下层集装箱的受力简化图。
图8为集装箱正交错位时上层集装箱下长梁的受力简化图。
图9为集装箱正交错位时下层集装箱上长梁的受力简化图。
图10为集装箱叠放构建集装箱房的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。
如图1所示，本发明的具体实施方式是：提供一种构建多层集装箱房的方法，包括如下步骤：
步骤100：采集集装箱的参数，即：采集集装箱的材料参数、外形尺寸及集装箱的截面形式。首先，采集集装箱的材料参数，集装箱通常采用钢骨架和铁皮制作而成，集装箱的钢骨架作为集装箱承载力的主要受力部件，对于集装箱房的受力分析，主要是对集装箱的钢骨架进行受力分析，其中，集装箱钢骨架材料的强度参数是受力分析的必要参数。对于废旧集装箱钢骨架材料的强度，需要考虑其折减系数，即：f₀＝αf，其中，f₀为废旧集装箱钢骨架材料的强度，α为折减系数，f为新集装箱钢骨架材料的强度。在考虑集装箱的材料强度时，由于在构建多层集装箱房时，将集装箱堆叠多层，在集装箱堆叠时，层与层之间仅靠横梁和/或角柱支撑，鉴于此，本发明仅考虑横梁和角柱的受力情况。如图2所示，由钢材的应力-应变曲线可知，在弹性阶段，应力和应变成比例增长，强度f＝Eε，其中f是强度，E是弹性模量，另一个你能否打出来？我打不出来。这是需要的。钢材达到屈服极限时的应变量一般是一定的，所以强度的折减就体现在弹性模量E的折减上。对于废旧集装箱，由于其结构上一般有一些变形，同时，在集装箱作为房屋构件进行改造时，集装箱上的一些结构改造也会导致结构变形，这种结构上的变形导致集装箱弹性模量的改变，需要考虑其折减系数，即：E₀＝αE，其中，E₀为废旧集装箱的弹性模量，α为折减系数，E为新集装箱的弹性模量。
其次，本发明还包括采集集装箱的外形尺寸及集装箱的截面形式。由于现行集装箱中20ft和40ft两种应用最为广泛，在集装箱改造过程中也使用最多，本发明中，仅考虑这两种类型中同种型号的集装箱构建多层集装箱房。根据选用的标准模块的尺寸，选择合理的组合形式进行多层房屋的搭建。
步骤200：设计集装箱房的结构形式，即：首先，设计集装箱的多层叠放形式。集装箱的多层叠放有平行和交叉两种形式，在这两种形式中，再根据使用和个性需要，将平行和交叉两种叠放形式进行错位。
其次，如图3所示，其中：1为上长梁、2为下长梁，3为角柱。集装箱改造成为集装箱房，其受力主要考虑集装箱角柱的受力和集装箱长梁的受力。集装箱角柱是主要的传力构件，根据集装箱房改造过程中选用的材料和外界环境条件确定集装箱角柱所受到的建筑荷载(即：恒荷载和活荷载)，通过集装箱角柱所受到的建筑荷载分析其受力情况。
本发明中，集装箱的角柱受力分析：无论是什么样的集装箱造型，集装箱结构自重和竖向荷载还是通过底层集装箱的柱子传到地下的，本发明的具体实施例中，将集装箱单元的自重简化为垂直施加在4个角柱上的4个集中力，这样逐层施加，得到钢框架的最大堆码层数。这也是确定多层集装箱房屋的层数安全参考值，具体计算如下：
设集装箱的自重加上内部居住设施和人流的总重为R，一个角柱的强度要满足如下的轴压构件承载力公式：
σ=NA≤f---(1)]]>
上述公式中，σ表示所用钢材的设计强度。
假设一层集装箱单元上堆码了n层，上面的公式仅从强度方面去考虑柱子的轴向承载力，没有考虑柱子的稳定问题，下面就是考虑稳定时用柱子的极限承载力来确定能搭建几层集装箱模块，则：

轴心受压构件的稳定系数(根据构件的长细比和钢材的屈服强度查表得到)；
A：截面面积；
f：是所用钢材的设计强度；
R：是集装箱模块在所有竖向荷载作用下产生的力。
这个公式说明角柱受到的轴向力产生的应力一定要小于材料本身的设计强度才能保证柱子不产生强度破坏。根据集装箱的破损程度对其使用的钢材的设计强度进行折减，折减的程度越大，构件本身抵抗外力的能力就越低，这样柱子的轴向抗压能力就降低很多，所以这时集装箱在进行堆码的就要根据柱子实际的轴向承载力来判断能够堆起几层，假设是n层。对于在工厂预制好的集装箱单元，材料，构件的截面，内部设施都是定值，由上面的公式(2)就可以确定集装箱的最大堆码层数。
本发明中，集装箱的长梁受力：本发明具体实施例中，将上层集装箱模块的总重转化成作用在上长梁上的集中力。根据设计的集装箱多层结构形式的不同，其长梁受力分析方法也不一样。具体来说，平行错位叠放集装箱的长梁受力分析，根据结构形式和力的对称性，只研究二维平面受力情况就可以。
平行错位叠放集装箱长梁的具体受力分析如下：简化为平面图如图4所示。将集装箱内居住用设施及人流产生的力均匀分布在底板上，由底板传给短横梁，再由短横梁传到侧长粱上，这样就在侧长粱上体现为多个集中力。
P₁：由底面短横梁穿到侧长粱上的集中力，设有(n-1)个短横梁均匀分布在底面，沿底侧长粱将其分为n(令n为偶数)等份，侧长梁长为L，令则上侧集装箱单元以c为单位向右移动；
P₂：由端横梁传给侧长粱的集中力；
P(P′)：沿角柱传下来的集中力，如果从二层开始都是对其摆放，则P＝P′。
悬挑部分转化为如图5所示：
令P₁＝P₂
设上侧集装箱单元相对于下侧集装箱单元错开n₁c，n＝n₁+n₂
简化为悬臂梁，由结构力学公式得出长梁的最大挠度值为：
fc=3n1+4n1+124n1EIP1n13c3+P′n13c33EI---(3)]]>
fc≤fmax=L400=n1c200---(4)]]>
其中：E是使用的钢材的弹性模量，I是构件(梁)的截面惯性矩，L是梁的有效长度，f_max是长梁容许挠度限值，f_c是横梁在外荷载作用下实际产生的挠度。
对于具体的集装箱单元和堆放形式，n₁，P₁，c，E，I都是已知的，将公式(3)带入公式(4)就可以得到P′的限值，也就是通过长梁的挠度限值限定了角柱上传递的荷载值，一方面开这个荷载值是否超过角柱的承载力，另一方面通过这个荷载值就可以判断在错开n₁c距离后，能够摆放几层集装箱。
由于角柱刚度远大于上长梁的刚度，角柱对上长梁端部的约束可简化为固端约束，这样把一根上长梁隔离出来分析，这样的简化如图5所示，若两个集装箱重叠部分长度为n₂c，则由结构力学的公式得到：
P3=P+P2+(n2-1)2P1=P+(n2+1)2P1---(5)]]>
P4=P′+n1P1+(n2-1)2P1=P+(2n1+n2-1)2P1=P+(n+n1-1)2P1---(6)]]>
fE=P3n13n23c63EIL3=P33EI(n1n2c2n)3---(7)]]>
fE≤fmax=L400=nc400---(8)]]>
其中：E是使用的钢材的弹性模量，I是构件(梁)的截面惯性矩，L是梁的有效长度，f_max是横梁容许挠度限值，f_E是横梁在外荷载作用下实际产生的挠度。
对于具体的集装箱单元和堆放形式，n₁、n₂、c、P₁、EI都是已知的，根据公式(5)，(7)，(8)可得到P的限值。
当P＝P′时，则根据P和P′的限值中取较小值作为梁的极限承载力。
当P≠P′时，则要根据具体的情况来调整二层以上集装箱单元的布置，使两个限值的要求能够同时满足。
此外，P和P′不能超过角柱的承载力限值，由于集装箱本身强柱弱梁，这点可不用考虑。集装箱底面是有n个底面短横梁的，这些底面短横梁相当于次梁，会以集中力的形式把底面上的均布荷载传到长梁上，假设长梁上受到的集中力就是以短横梁的间距c为单位移动的。图5中表示当两个集装箱平行错开时距离为n₁c时，上层集装箱的角柱和连接件分别传下来的力和力矩为P₃，P₄，M_E，M_F。。图6为集装箱平行错开摆放时的情况，上层集装箱的角柱传下来的集中力P3，施加在下层集装箱的上长梁上，就是说上层集装箱相当于施加于下层集装箱上的集中力。
交叉叠放形式集装箱横梁的具体受力分析，本发明中的具体实施例中，以正交叠放形式进行横梁受力分析，具体分析如下：
当两个20ft的集装箱单元正交叠放时，将一层集装箱单元的上长粱简化为支座，如图7所示。设L＝nc＝5n₁c，L₁＝n₂c，L₂＝n₃c，L₁+L₂＝3n₁c，所以n₂+n₃＝3n₁。由此，简化为如图8所示。图8中，P1是底面端横梁将集装箱底板上受到的力传递给下长梁，就相当于n个集中力P1，由结构力学的公式得到：
令P₁＝P₂，则RA=P+(n2-1)P1+2n1-12P1RB=P′+(n3-1)P1+2n1-12P---(9)]]>
二层集装箱单元正交叠加时，二层集装箱单元的上侧长粱简化如图9所示，此时，上层集装箱压在下层集装箱的上长梁上，简化为两个集中力。
当大小相同的集中力相对于跨中对称分布时，跨中挠度最大。则由结构力学的公式得到：
P_A＝-R_A，P_B＝-R_B    (10)
fa=PA(1.5n1c)2L24EI(3-41.5n1cL)=9PAn13c3128EI---(11)]]>
fb=PB(1.5n1c)2L24EI(3-41.5n1cL)=9PBn13c3128EI---(12)]]>
f≤fmax=L400=nc400=n1c80(f=fa,fb)---(13)]]>
其中：E是使用的钢材的弹性模量，I是构件(梁)的截面惯性矩，L是梁的有效长度，f_max是横梁容许挠度限值，f_a、f_b是上长梁在外荷载作用下实际产生的挠度。这两个都是实际的挠度，分为f_a、f_b两种是因为两个上长梁受到的一对集中力不一定是相等的，如果一个挠度超限就视为上长梁的挠度超限。
将以上公式联立就可以确定P(P′)的限值，我们要根据集装箱单元的具体情况(n₁，c，EI，P₁)来调整二层以上集装箱的布置。
由上述分析可以确定集装箱的角柱和长梁在构建集装箱房时的受力，从而确定其构建形式及搭建层数。
步骤300：设计集装箱房的支撑件，根据所述受力情况设计所述形状集装箱房的支撑件。由上述受力分析可知：根据具体情况下角柱的受力，确定集装箱叠放的形式和层数，同时，根据上长梁的受力分析，由于作用在长梁上的集中力远小于角柱的承载力时，当梁的挠度已经超限时，就要在梁上有集中力的位置下方加支柱。
步骤400：构建多层集装箱房，根据设计的集装箱房的结构及设计的支撑件搭建多层集装箱房。根据集装箱房的结构设计以及支撑件的设计，将集装箱按设计叠放，同时，在相应位置安装上支撑件。
本发明的具体实施方式是：构建一种多层集装箱房，将所述集装箱作为房屋构件进行改造，对改造后的集装箱进行集装箱的角柱受力和横梁受力分析，根据受力分析情况将改造后的所述集装箱进行多层错位叠放。如图10所示，将集装箱1叠放在集装箱2上构建集装箱房。
本发明的具体实施过程：首先将集装箱作为房屋构件进行改造，如，开窗、开门、增加设备、放置设施等。然后将这些结构设计以及集装箱本身的叠放方式进行角柱受力和横梁受力分析，具体分析见本发明专利申请中上述的角柱受力和横梁受力分析方法。最后，根据受力分析情况将改造后的所述集装箱进行多层错位叠放。在叠放集装箱的具体过程中，还包括支撑件，所述支撑件对底层以上的集装箱进行支撑。根据集装箱房的结构设计以及支撑件的设计，将集装箱按设计叠放，同时，在相应位置安装上支撑件。
本发明的优选方式中，所述集装箱房为集装箱的多层平行错位叠放和多层交叉错位叠放。所述交叉错位叠放中，还包括多层正交错位叠放形式。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。