專利名稱：一種構建多層集裝箱房的方法及多層集裝箱房的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種構建集裝箱房的方法及集裝箱房，尤其涉及一種構建多層集裝箱 房的方法及多層集裝箱房。
背景技術：
集裝箱在現代社會的海運行業中廣泛使用，根據國際海運規定，集裝箱的使用期限為10年，10年之后便要強制退役。據統計，每年從海運中退役的集裝箱可達100萬 TEU (—個20ft的集裝箱代表1TEU)。其實退役的集裝箱并不是說不能使用，大多數還是可 以繼續使用5-10年的。隨著城市的發展提速，城市的住房也更加緊張，緊張的房源也導致 更高的房價，加重城市居民的經濟負擔。將淘汰的集裝箱改造成為供人居住的房屋便成為 解決現代社會城市住房緊張的一種重要課題。歐美等發達國家，將集裝箱改造成為房屋已走在了前列。但是，在將集裝箱改造成 為房屋的現有技術中，面臨著如下一些技術問題一、造型單一大多數實際應用的集裝箱 房屋的搭建模式均統一于集裝箱傳統的堆放方式。但是這樣的房屋建多了對城市美化不 禾U，如集裝箱堆場的景觀不可取，另外，就是不能滿足用戶的個性化需求。二、結構不合理， 通常僅僅將集裝箱看成可以組裝的柜子任意組裝，沒有考慮集裝箱模塊的尺寸問題，例如 有些造型從結構穩定角度講適合20ft (FeeT，英尺，集裝箱的大小單位，簡稱“ft”。)而不適 合40ft的標箱，而且也沒有考慮需要過多的附屬結構實現建筑造型意味著建造成本的增 加等等。
發明內容
本發明解決的技術問題是現有的集裝箱房造型單一，同時結構不合理的技術問題。本發明的技術方案是提供一種構建多層集裝箱房的方法，包括如下步驟采集集裝箱的參數采集集裝箱的材料參數、外形尺寸及集裝箱的截面形式；設計集裝箱房的結構設計集裝箱的多層疊放形式，根據集裝箱的材料和結構參 數計算所述形狀集裝箱房的受力情況，所述受力情況包括集裝箱的角柱受力和長梁受力；設計集裝箱房的支撐件根據所述受力情況設計所述形狀集裝箱房的支撐件；構建多層集裝箱房根據設計的集裝箱房的結構及設計的支撐件搭建多層集裝箱 房。本發明的進一步技術方案是在采集集裝箱的參數參數步驟中，確定集裝箱所用 鋼材的型號，得到鋼材的本構模型，獲得廢舊集裝箱的參數。本發明的進一步技術方案是在采集集裝箱的參數參數步驟中，根據選用集裝箱 的折舊程度，對集裝箱所用鋼材的強度進行折減。本發明的進一步技術方案是在設計集裝箱房的結構步驟中，計算集裝箱的角柱 受力時，將集裝箱的自身重力及集裝箱中物體的重力及上層集裝箱角柱傳導的力轉換為垂直施加在四個角柱上的四個集中力。本發明的進一步技術方案是在設計集裝箱房的結構步驟中，所述長梁受力包括 上長梁受力和下長梁受力，計算集裝箱的上長梁受力時，將集裝箱頂板上的荷載轉化為上 長梁上的均布荷載，再轉化為上長梁上的集中力；在計算下長梁的受力時，將集裝箱底板上 的荷載和側板的自重轉化為底面短橫梁上的均布荷載，再轉化為下長梁上的集中力。本發明的技術方案是一種多層集裝箱房，包括多個型號相同的集裝箱，將所述集 裝箱作為組建房屋的標準模塊進行改造，對改造后的集裝箱進行集裝箱的角柱受力和長梁 受力分析，根據受力分析情況將改造后的所述集裝箱進行多層錯位疊放。
本發明的進一步技術方案是還包括支撐件，所述支撐件主要用來支撐受力不合 理的長梁以及二層以上集裝箱單元懸挑部分。本發明的進一步技術方案是所述集裝箱房為集裝箱的多層平行錯位疊放。本發明的進一步技術方案是在設計集裝箱房的結構步驟中，所述集裝箱房為集 裝箱的多層正交錯位疊放。本發明的技術效果是提供一種構建多層集裝箱房的方法，改變現有技術中將集 裝箱簡單堆放或僅設置一層的形式。本發明將集裝箱多層錯位疊放，在構建過程中從結構 造型及結構受力等方面進行設計改造，既從美觀、個性化需求上對集裝箱房進行考慮，又從 結構安全方面進行考慮。同時，本發明方法構建的多層集裝箱房，在不占用更多地方的情況 下，既擴大集裝箱房的使用空間，又更加美觀和實用。
圖1為本發明的流程圖。圖2為鋼材的應力_應變曲線。圖3為集裝箱的結構圖。圖4為集裝箱平行錯位受力簡化圖。圖5將上層集裝箱模塊外懸部分的下長梁簡化為懸臂梁的計算簡6為集裝箱平行錯位時上長梁的受力簡化圖。圖7為集裝箱正交錯位時下層集裝箱的受力簡化圖。圖8為集裝箱正交錯位時上層集裝箱下長梁的受力簡化圖。圖9為集裝箱正交錯位時下層集裝箱上長梁的受力簡化圖。圖10為集裝箱疊放構建集裝箱房的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，對本發明技術方案進一步說明。如圖1所示，本發明的具體實施方式
是提供一種構建多層集裝箱房的方法，包括 如下步驟步驟100 采集集裝箱的參數，即采集集裝箱的材料參數、外形尺寸及集裝箱的 截面形式。首先，采集集裝箱的材料參數，集裝箱通常采用鋼骨架和鐵皮制作而成，集裝箱 的鋼骨架作為集裝箱承載力的主要受力部件，對于集裝箱房的受力分析，主要是對集裝箱 的鋼骨架進行受力分析，其中，集裝箱鋼骨架材料的強度參數是受力分析的必要參數。對于廢舊集裝箱鋼骨架材料的強度，需要考慮其折減系數，即af，其中，&為廢舊集裝箱 鋼骨架材料的強度，α為折減系數，f為新集裝箱鋼骨架材料的強度。在考虎集裝箱的材料 iMM^i于在構建多層集裝箱房時，將集裝箱堆疊多層，在集裝箱堆疊時，層與層之間僅 靠橫梁和/或角柱支撐，鑒于此，本發明僅考慮橫梁和角柱的受力情況。如圖2所示，由鋼 材的應力-應變曲線可知，在彈性階段，應力和應變成比例增長，強度f = E ε，其中f是強 度，E是彈性模量，另一個你能否打出來？我打不出來。這是需要的。鋼材達到屈服極限時 的應變量一般是一定的，所以強度的折減就體現在彈性模量E的折減上。對于廢舊集裝箱， 由于其結構上一般有一些變形，同時，在集裝箱作為房屋構件進行改造時，集裝箱上的一些 結構改造也會導致結構變形，這種結構上的變形導致集裝箱彈性模量的改變，需要考慮其 折減系數，即=Etl= a E，其中，Etl為廢舊集裝箱的彈性模量，α為折減系數，E為新集裝箱 的彈性模量。其次，本發明還包括采集集裝箱的外形尺寸及集裝箱的截面形式。由于現行集裝箱中20ft和40ft兩種應用最為廣泛，在集裝箱改造過程中也使用最多，本發明中，僅考慮 這兩種類型中同種型號的集裝箱構建多層集裝箱房。根據選用的標準模塊的尺寸，選擇合 理的組合形式進行多層房屋的搭建。步驟200 設計集裝箱房的結構形式，即首先，設計集裝箱的多層疊放形式。集裝 箱的多層疊放有平行和交叉兩種形式，在這兩種形式中，再根據使用和個性需要，將平行和 交叉兩種疊放形式進行錯位。其次，如圖3所示，其中1為上長梁、2為下長梁，3為角柱。集裝箱改造成為集裝 箱房，其受力主要考慮集裝箱角柱的受力和集裝箱長梁的受力。集裝箱角柱是主要的傳力 構件，根據集裝箱房改造過程中選用的材料和外界環境條件確定集裝箱角柱所受到的建筑 荷載(即恒荷載和活荷載)，通過集裝箱角柱所受到的建筑荷載分析其受力情況。本發明中，集裝箱的角柱受力分析無論是什么樣的集裝箱造型，集裝箱結構自重 和豎向荷載還是通過底層集裝箱的柱子傳到地下的，本發明的具體實施例中，將集裝箱單 元的自重簡化為垂直施加在4個角柱上的4個集中力，這樣逐層施加，得到鋼框架的最大堆 碼層數。這也是確定多層集裝箱房屋的層數安全參考值，具體計算如下設集裝箱的自重加上內部居住設施和人流的總重為R，一個角柱的強度要滿足如
下的軸壓構件承載力公式
N,.σ 二一 <f(1)
A上述公式中，ο表示所用鋼材的設計強度。假設一層集裝箱單元上堆碼了 η層，上面的公式僅從強度方面去考慮柱子的軸向 承載力，沒有考慮柱子的穩定問題，下面就是考慮穩定時用柱子的極限承載力來確定能搭 建幾層集裝箱模塊，則<formula>formula see original document page 5</formula>φ 軸心受壓構件的穩定系數(根據構件的長細比和鋼材的屈服強度查表得到)；A 截面面積；f 是所用鋼材的設計強度；
R 是集裝箱模塊在所有豎向荷載作用下產生的力。這個公式說明角柱受到的軸向力產生的應力一定要小于材料本身的設計強度才 能保證柱子不產生強度破壞。根據集裝箱的破損程度對其使用的鋼材的設計強度進行折 減，折減的程度越大，構件本身抵抗外力的能力就越低，這樣柱子的軸向抗壓能力就降低很 多，所以這時集裝箱在進行堆碼的就要根據柱子實際的軸向承載力來判斷能夠堆起幾層， 假設是η層。對于在工廠預制好的集裝箱單元，材料，構件的截面，內部設施都是定值，由上 面的公式(2)就可以確定集裝箱的最大堆碼層數。本發明中，集裝箱的長梁受力本發明具體實施例中，將上層集裝箱模塊的總重轉 化成作用在上長梁上的集中力。根據設計的集裝箱多層結構形式的不同，其長梁受力分析 方法也不一樣。具體來說，平行錯位疊放集裝箱的長梁受力分析，根據結構形式和力的對稱 性，只研究二維平面受力情況就可以。平行錯位疊放集裝箱長梁的具體受力分析如下簡化為平面圖如圖4所示。將集 裝箱內居住用設施及人流產生的力均勻分布在底板上，由底板傳給短橫梁，再由短橫梁傳 到側長粱上，這樣就在側長粱上體現為多個集中力。P1 由底面短橫梁穿到側長粱上的集中力，設有(η-1)個短橫梁均勻分布在底面，
沿底側長粱將其分為η (令η為偶數)等份，側長梁長為L，令c =〗；則上側集裝箱單元以c
η
為單位向右移動；P2 由端橫梁傳給側長粱的集中力；P (P')沿角柱傳下來的集中力，如果從二層開始都是對其擺放，則P = P'。懸挑部分轉化為如圖5所示令 P1 = P2設上側集裝箱單元相對于下側集裝箱單元錯開<formula>formula see original document page 6</formula>簡化為懸臂梁，由結構力學公式得出長梁的最大撓度值為<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula>其中E是使用的鋼材的彈性模量，I是構件(梁)的截面慣性矩，L是梁的有效長 度，ffflax是長梁容許撓度限值，fc是橫梁在外荷載作用下實際產生的撓度。對于具體的集裝箱單元和堆放形式，H1, P1, c, E，I都是已知的，將公式(3)帶入 公式(4)就可以得到P'的限值，也就是通過長梁的撓度限值限定了角柱上傳遞的荷載值， 一方面開這個荷載值是否超過角柱的承載力，另一方面通過這個荷載值就可以判斷在錯開 H1C距離后，能夠擺放幾層集裝箱。由于角柱剛度遠大于上長梁的剛度，角柱對上長梁端部的約束可簡化為固端約 束，這樣把一根上長梁隔離出來分析，這樣的簡化如圖5所示，若兩個集裝箱重疊部分長度 為n2c，則由結構力學的公式得到<formula>formula see original document page 6</formula>(5)
<formula>formula see original document page 7</formula>
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其中E是使用的鋼材的彈性模量，I是構件(梁)的截面慣性矩，L是梁的有效長 度，ffflax是橫梁容許撓度限值，fE是橫梁在外荷載作用下實際產生的撓度。對于具體的集裝箱單元和堆放形式，叫、n2、c、P1, EI都是已知的，根據公式(5)， (7)，⑶可得到P的限值。當P = P'時，則根據P和P'的限值中取較小值作為梁的極限承載力。當P興P'時，則要根據具體的情況來調整二層以上集裝箱單元的布置，使兩個限 值的要求能夠同時滿足。此外，P和P'不能超過角柱的承載力限值，由于集裝箱本身強柱弱梁，這點可不 用考慮。集裝箱底面是有η個底面短橫梁的，這些底面短橫梁相當于次梁，會以集中力的形 式把底面上的均布荷載傳到長梁上，假設長梁上受到的集中力就是以短橫梁的間距c為單 位移動的。圖5中表示當兩個集裝箱平行錯開時距離為Ii1C時，上層集裝箱的角柱和連接 件分別傳下來的力和力矩為P3，P4, Me, Mfoo圖6為集裝箱平行錯開擺放時的情況，上層集 裝箱的角柱傳下來的集中力Ρ3，施加在下層集裝箱的上長梁上，就是說上層集裝箱相當于 施加于下層集裝箱上的集中力。交叉疊放形式集裝箱橫梁的具體受力分析，本發明中的具體實施例中，以正交疊 放形式進行橫梁受力分析，具體分析如下當兩個20ft的集裝箱單元正交疊放時，將一層集裝箱單元的上長粱簡化為支座， 如圖 7 所示。設 L = nc = Sn1C^L1 = n2c,L2 = r^c,!^+!^ = Sn1C,所以 n2+n3 = 3]^。由此， 簡化為如圖8所示。圖8中，Pl是底面端橫梁將集裝箱底板上受到的力傳遞給下長梁，就 相當于η個集中力Ρ1，由結構力學的公式得到
<formula>formula see original document page 7</formula>令P1 = P2，則(9)
<formula>formula see original document page 7</formula>二層集裝箱單元正交疊加時，二層集裝箱單元的上側長粱簡化如圖9所示，此時， 上層集裝箱壓在下層集裝箱的上長梁上，簡化為兩個集中力。當大小相同的集中力相對于跨中對稱分布時，跨中撓度最大。則由結構力學的公 式得到Pa = -Ra，Pb = -Rb (10)<formula>formula see original document page 7</formula>(11)<formula>formula see original document page 7</formula>(12)
<formula>formula see original document page 8</formula>其中E是使用的鋼材的彈性模量，I是構件(梁)的截面慣性矩，L是梁的有效長 度，fmax是橫梁容許撓度限值，fa> fb是上長梁在外荷載作用下實際產生的撓度。這兩個都 是實際的撓度，分為fa、fb兩種是因為兩個上長梁受到的一對集中力不一定是相等的，如果 一個撓度超限就視為上長梁的撓度超限。將以上公式聯立就可以確定P(P')的限值，我們要根據集裝箱單元的具體情況 (H1, c, EI, P1)來調整二層以上集裝箱的布置。由上述分析可以確定集裝箱的角柱和長梁在構建集裝箱房時的受力，從而確定其 構建形式及搭建層數。步驟300 設計集裝箱房的支撐件，根據所述受力情況設計所述形狀集裝箱房的 支撐件。由上述受力分析可知根據具體情況下角柱的受力，確定集裝箱疊放的形式和層 數，同時，根據上長梁的受力分析，由于作用在長梁上的集中力遠小于角柱的承載力時，當 梁的撓度已經超限時，就要在梁上有集中力的位置下方加支柱。步驟400:構建多層集裝箱房，根據設計的集裝箱房的結構及設計的支撐件搭建 多層集裝箱房。根據集裝箱房的結構設計以及支撐件的設計，將集裝箱按設計疊放，同時， 在相應位置安裝上支撐件。本發明的具體實施方式
是構建一種多層集裝箱房，將所述集裝箱作為房屋構件 進行改造，對改造后的集裝箱進行集裝箱的角柱受力和橫梁受力分析，根據受力分析情況 將改造后的所述集裝箱進行多層錯位疊放。如圖10所示，將集裝箱1疊放在集裝箱2上構 建集裝箱房。本發明的具體實施過程首先將集裝箱作為房屋構件進行改造，如，開窗、開門、增 加設備、放置設施等。然后將這些結構設計以及集裝箱本身的疊放方式進行角柱受力和橫 梁受力分析，具體分析見本發明專利申請中上述的角柱受力和橫梁受力分析方法。最后，根 據受力分析情況將改造后的所述集裝箱進行多層錯位疊放。在疊放集裝箱的具體過程中， 還包括支撐件，所述支撐件對底層以上的集裝箱進行支撐。根據集裝箱房的結構設計以及 支撐件的設計，將集裝箱按設計疊放，同時，在相應位置安裝上支撐件。本發明的優選方式中，所述集裝箱房為集裝箱的多層平行錯位疊放和多層交叉錯 位疊放。所述交叉錯位疊放中，還包括多層正交錯位疊放形式。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的 保護范圍。
權利要求
一種構建多層集裝箱房的方法，包括如下步驟采集集裝箱的參數采集集裝箱的材料參數、外形尺寸及集裝箱的截面形式；設計集裝箱房的結構設計集裝箱的多層疊放形式，根據集裝箱的材料和結構參數計算所述形狀集裝箱房的受力情況，所述受力情況包括集裝箱的角柱受力和長梁受力；設計集裝箱房的支撐件根據所述受力情況設計所述形狀集裝箱房的支撐件；構建多層集裝箱房根據設計的集裝箱房的結構及設計的支撐件搭建多層集裝箱房。
2.根據權利要求1所述構建多層集裝箱房的方法，其特征在于，在采集集裝箱的參數 參數步驟中，確定集裝箱所用鋼材的型號，得到鋼材的本構模型，獲得廢舊集裝箱的參數。
3.根據權利要求2所述構建多層集裝箱房的方法，其特征在于，根據選用集裝箱的折 舊程度，對集裝箱所用鋼材的強度進行折減。
4.根據權利要求1所述構建多層集裝箱房的方法，其特征在于，在設計集裝箱房的結 構步驟中，計算集裝箱的角柱受力時，將集裝箱的自身重力及集裝箱中物體的重力及上層 集裝箱角柱傳導的力轉換為垂直施加在四個角柱上的四個集中力。
5.根據權利要求1所述構建多層集裝箱房的方法，其特征在于，在設計集裝箱房的結 構步驟中，所述長梁受力包括上長梁受力和下長梁受力，計算集裝箱的上長梁受力時，將集 裝箱頂板上的荷載轉化為上長梁上的均布荷載，再轉化為上長梁上的集中力；在計算下長 梁的受力時，將集裝箱底板上的荷載和側板的自重轉化為底面短橫梁上的均布荷載，再轉 化為下長梁上的集中力。
6.一種多層集裝箱房，包括多個型號相同的集裝箱，其特征在于，將所述集裝箱作為組 建房屋的標準模塊進行改造，對改造后的集裝箱進行集裝箱的角柱受力和長梁受力分析， 根據受力分析情況將改造后的所述集裝箱進行多層錯位疊放。
7.根據權利要求6所述的多層集裝箱房，其特征在于，還包括支撐件，所述支撐件主要 用來支撐受力不合理的長梁以及二層以上集裝箱單元懸挑部分。
8.根據權利要求6或7所述的多層集裝箱房，其特征在于，所述集裝箱房為集裝箱的多 層平行錯位疊放。
9.根據權利要求6或7所述的多層集裝箱房，其特征在于，所述集裝箱房為集裝箱的多 層正交錯位疊放。
10.根據權利要求9所述的多層集裝箱房，其特征在于，在設計集裝箱房的結構步驟 中，所述集裝箱房為集裝箱的多層正交錯位疊放。
全文摘要
本發明涉及一種構建多層集裝箱房的方法，包括如下步驟采集集裝箱的參數采集集裝箱的材料參數、外形尺寸及集裝箱各組成構件的截面形式；設計集裝箱房的結構設計集裝箱的多層疊放形式，根據集裝箱的材料和結構參數以及外部荷載情況計算所述形狀集裝箱房的受力情況，所述受力情況包括集裝箱的角柱受力和長梁受力；設計集裝箱房的支撐件根據所述受力情況設計所述形狀集裝箱房的支撐件；構建多層集裝箱房根據設計的集裝箱房的結構及設計的支撐件搭建多層集裝箱房。本發明方法構建的多層集裝箱房，在不占用更多地方的情況下，既擴大集裝箱房的使用空間，又更加美觀和實用。
文檔編號E04B1/343GK101832027SQ201010159589
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月23日 優先權日2010年4月23日
發明者查曉雄, 王璐璐 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院