丁永剛 劉浩宇 郭呈周

摘 要：“結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體是一種新型的復(fù)合墻體，施工方便，隔熱和氣密性能優(yōu)越，符合現(xiàn)代糧倉(cāng)綠色儲(chǔ)糧要求，能較好地彌補(bǔ)現(xiàn)有平房倉(cāng)墻體的缺點(diǎn)。本文利用大型通用有限元軟件ABAQUS建立了局部墻體和整體平房倉(cāng)的模型，分析其在糧食水平荷載作用下的受力和變形特點(diǎn)。結(jié)果表明，墻體能有效保持整體性，內(nèi)葉墻主要承受荷載，內(nèi)、外葉墻的應(yīng)力突變較小，計(jì)算時(shí)墻體的邊界條件采用四邊固結(jié)是較為準(zhǔn)確的。

關(guān)鍵詞：“結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體;平房倉(cāng);有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TU37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）02-0107-05

Analysis of Mechanical Properties of "Structure-insulation"Integrated?Wall in Flat Warehouse

Abstract： The “structure-insulation” integrated wall is a new type of composite wall， which is convenient in construction， superior in heat insulation and airtight performance， meets the requirements of modern granary green grain storage， and can well compensate for the shortcomings of existing warehouse walls. In this paper， the large-scale general finite element software ABAQUS was used to establish the model of the partial wall and the whole flat warehouse， and the characteristics of the force and deformation under the grain horizontal load were analyzed. The results show that the wall can effectively maintain its integrity. The inner and outer blade walls mainly bear loads. The stress mutation of the inner and outer blade walls is small. It is more accurate to use four-sided consolidation to calculate the boundary conditions of the wall.

Keywords： "structural-insulated" integrated wall;flat warehouse;finite element analysis

1 研究背景

近年來(lái)，我國(guó)民用建筑中許多新型節(jié)能復(fù)合墻體得到了廣泛應(yīng)用。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，糧倉(cāng)中使用最為廣泛的平房倉(cāng)墻體變革緩慢，遠(yuǎn)不符合社會(huì)和市場(chǎng)對(duì)糧倉(cāng)性能的要求[1，2]。傳統(tǒng)平房倉(cāng)墻體一般采用黏土磚砌體，黏土磚在生產(chǎn)過(guò)程中毀壞大量農(nóng)田，施工過(guò)程中存在砌筑量大、人工成本高、施工質(zhì)量難以控制等缺點(diǎn)，且由于其結(jié)構(gòu)構(gòu)造和材料特性，在糧食水平荷載作用下不能充分發(fā)揮砌體抗壓能力強(qiáng)的材料特點(diǎn)，墻體底部及門(mén)窗洞口等處極易產(chǎn)生通縫，倉(cāng)體氣密性一般較差[3]。“結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體是一種新型的平房倉(cāng)墻體，可以較好地解決上述黏土磚墻體的缺點(diǎn)。

“結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體主要由內(nèi)葉墻、外葉墻、保溫板和連接件組成，其構(gòu)造如圖1所示。內(nèi)葉墻和外葉墻為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，連接件為空心棒狀鋼材，保溫板使用XPS、EPS等建筑保溫板材。圖2給出了“結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)構(gòu)造，在平房倉(cāng)裝糧線處設(shè)置一道連梁，抵抗下部墻體在糧食水平荷載作用下產(chǎn)生的彎矩，以防止裝糧洞口產(chǎn)生變形。本文利用大型通用有限元軟件ABAQUS建立了局部墻體和整體平房倉(cāng)的模型，分析了其在糧食水平荷載作用下的受力和變形特點(diǎn)。

2 “結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體有限元分析模型

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

“結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體中混凝土材料采用損傷塑性模型。根據(jù)文獻(xiàn)研究可知[4-6]，本構(gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）[7]中單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線法的計(jì)算方法;鋼筋材料的本構(gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）[7]中有屈服點(diǎn)鋼筋單調(diào)加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。混凝土的受拉和受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。

2.2 有限元分析模型設(shè)計(jì)分析

模型以某糧庫(kù)平房倉(cāng)為原型進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，裝糧高度為7.2m，排架柱軸間距4m，柱截面尺寸為400mm×600mm，內(nèi)葉墻厚150mm，外葉墻厚50mm，連接件直徑為10mm。墻體模擬過(guò)程中僅加載糧食水平荷載，荷載值根據(jù)《糧食平房倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50320—2014）[8]規(guī)定計(jì)算，其計(jì)算公式為：

[ph=kγs] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[k]為糧食水平荷載系數(shù);[γ]為糧食重度;[s]為糧食頂面至計(jì)算截面的距離。糧食水平荷載分布形式如圖4所示。

板狀結(jié)構(gòu)使用殼單元模擬可使建立模型較為簡(jiǎn)單，能很好地節(jié)省計(jì)算機(jī)運(yùn)行空間和計(jì)算速度，精度較高。但是，“結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體存在連接件，且連接件的長(zhǎng)度較短，使用梁?jiǎn)卧M時(shí)有較大誤差;而連接件使用實(shí)體單元，內(nèi)、外葉墻使用殼單元時(shí)，連接件和兩側(cè)墻體的連接處難以準(zhǔn)確計(jì)算，故本文構(gòu)件均采用實(shí)體單元。局部墻體模型尺寸為3.6m×7.2m，模擬過(guò)程中其邊界條件設(shè)置為四邊固結(jié)。使用實(shí)體單元建立平房倉(cāng)整倉(cāng)時(shí)，單元格過(guò)多，需要耗費(fèi)計(jì)算機(jī)極大的內(nèi)存空間和較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)和糧食水平荷載呈雙軸對(duì)稱(chēng)，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，選用平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)的1/4來(lái)作為計(jì)算模型，檐墻和山墻中柱取原倉(cāng)柱截面寬度1/2，即200mm×600mm。設(shè)置邊界條件時(shí)，檐墻中柱選擇約束U1、RU2、UR3;山墻中柱選擇約束U2、UR1、UR3;屋蓋中間截面選擇約束U3、UR2、UR3。綜合考慮各種單元的計(jì)算精度和效率，混凝土構(gòu)件網(wǎng)格劃分為二次縮減積分六面體單元，即C3D20R;連接件網(wǎng)格劃分為二次減縮積分四面體單元，即C3D10R;鋼筋單元采用桁架單元T3D2。各構(gòu)件的有限元分析模型如圖5所示。

3 “結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體有限元計(jì)算結(jié)果分析

圖6給出了局部墻體的變形云圖，內(nèi)、外葉墻的變形狀態(tài)相同，最大變形點(diǎn)均為跨中靠近基礎(chǔ)的三分點(diǎn)處。提取內(nèi)、外葉墻變形最大處水平和豎直方向的變形值，變形曲線如圖7所示。從圖7可知，在水平和豎直方向，內(nèi)、外葉墻變形曲線光滑且?guī)缀踔睾?，這說(shuō)明在糧食水平荷載作用下，連接件未對(duì)墻體變形造成影響，且能夠很好地起到連接作用。

圖8給出了局部墻體的混凝土Mises應(yīng)力云圖，內(nèi)、外葉墻受力狀態(tài)相似，但外葉墻應(yīng)力分布稍有突變，最大應(yīng)力點(diǎn)均為兩側(cè)支座靠近底部三分點(diǎn)處。提取內(nèi)、外葉墻水平和豎直方向的應(yīng)力曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，內(nèi)葉墻應(yīng)力遠(yuǎn)大于外葉墻，說(shuō)明墻體以?xún)?nèi)葉墻受力為主，外葉墻受力較小;內(nèi)、外葉墻的應(yīng)力曲線均出現(xiàn)突變，突變位置和連接件位置相同，說(shuō)明連接件在一定程度上會(huì)造成兩側(cè)墻體的應(yīng)力集中，但其應(yīng)變值較小，且未改變墻體的受力形態(tài)。

圖10給出了平房倉(cāng)整體的Mises應(yīng)力云圖，應(yīng)力最大處為山墻柱腳處，排架柱柱腳和中部應(yīng)力整體較大;裝連線處連梁以下墻體應(yīng)力明顯，跨中應(yīng)力較大，裝糧線以上墻體應(yīng)力較小。圖11截取了檐墻第3柱間墻體的內(nèi)葉墻和外葉墻應(yīng)力，由于在整倉(cāng)中“結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體邊界條件并非理想狀態(tài)，支座處有不同程度的變形，其應(yīng)力分布部分并非完美對(duì)稱(chēng)，但整體應(yīng)力分布特征相似，最大應(yīng)力及其位置和局部墻體相同。

圖12給出了平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)的變形云圖，結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在山墻中柱柱頂處，檐墻柱位移較小，這是由于山墻頂端沒(méi)有任何約束，而雙T板屋架對(duì)檐墻頂部有水平方向約束。檐墻排架柱下部約束較強(qiáng)，在建模過(guò)程中，邊界條件設(shè)置為固結(jié)，上部構(gòu)造為鉸接特征，柱整體呈現(xiàn)反向彎曲現(xiàn)象，其反彎點(diǎn)較低，距底部支座約為2.85m，這是由于糧食側(cè)壓力呈三角形，上部荷載較小，下部荷載較大。平房倉(cāng)檐墻最大位移出現(xiàn)在每個(gè)柱間的跨中，且處于同一水平位置，距底部2.4m，這與上文中墻體局部模擬的位置相同。

提取平房倉(cāng)檐墻各柱間最大撓度處及檐墻中部排架柱豎直方向的撓度曲線，如圖13所示。在7.2m左右處，墻體變形曲線斜率變化顯著，這說(shuō)明裝糧線處的連梁對(duì)

墻體轉(zhuǎn)角有明顯的約束作用。圖14給出了檐墻和山墻第3柱距及局部墻體的豎直方向撓度。從圖14可以看出，各墻體變形曲線規(guī)律相同，撓度偏差較小。檐墻第3柱間墻體最大位移和排架柱的位移差為0.525mm，與局部墻體最大撓度0.508mm進(jìn)行對(duì)比，其差值占局部墻體撓度的3.33%，山墻第3柱間墻體和排架柱的最大位移差為0.536mm，占局部墻體撓度值的5.51%，其撓度偏差較小。由此可見(jiàn)，平房倉(cāng)中，“結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體計(jì)算邊界條件使用四邊固結(jié)是較為準(zhǔn)確的。

4 結(jié)語(yǔ)

“結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體是一種新型的平房倉(cāng)墻體，在糧食水平荷載作用下，連接件能夠較好地連接內(nèi)、外葉墻，保持墻體的整體性;墻體主要由內(nèi)葉墻承受荷載，外葉墻受力較小，主要承擔(dān)維護(hù)作用;連接件會(huì)對(duì)兩側(cè)墻體造成局部應(yīng)力突變，但影響較小;通過(guò)局部墻體和整倉(cāng)的有限元對(duì)比，墻體的邊界條件可以簡(jiǎn)化為四邊固結(jié)。綜合來(lái)說(shuō)，“結(jié)構(gòu)-隔熱”一體化墻體具有良好的力學(xué)性能，其隔熱和氣密性能優(yōu)于傳統(tǒng)墻體，在平房倉(cāng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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