裝配式地下糧倉鋼-混組合倉壁節(jié)點力學(xué)性能有限元分析

王振清，揣 君，王錄民，梁醒培，劉永超，侯支龍

·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

裝配式地下糧倉鋼-混組合倉壁節(jié)點力學(xué)性能有限元分析

王振清1，揣 君1※，王錄民1，梁醒培1，劉永超2，侯支龍1

（1. 河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，鄭州，450001；2. 鄭州工大糧安科技有限公司，鄭州，450001）

地下糧倉是構(gòu)建綠色儲糧新體系的重要技術(shù)支撐，結(jié)合工程實際提出了一種新型裝配式鋼板-混凝土組合地下糧倉。為了建立適用于裝配式地下糧倉的有限元模型以模擬分析組合倉壁節(jié)點的力學(xué)性能，并通過有限元分析指導(dǎo)組合倉壁節(jié)點力學(xué)性能試驗的開展，基于工程設(shè)計的鋼板-混凝土組合倉壁及連接接頭，采用ANSYS軟件建立了倉壁及其節(jié)點1∶1足尺試件的有限元模型，模擬分析了無接頭、有接頭試件的受彎和受壓性能，并開展倉壁節(jié)點抗彎、抗壓試驗對有限元模擬結(jié)果進(jìn)行驗證分析。結(jié)果表明：試件的鋼板和混凝土由栓釘連接為一體，試驗過程中二者未見剝離可共同工作，建模時鋼板和混凝土共用結(jié)點以及接頭鋼板之間假定為剛性連接是適用的；同類試件撓度曲線、軸壓荷載-位移曲線的試驗結(jié)果與其有限元模擬結(jié)果基本一致，無接頭試件和有接頭試件彎曲跨中位移、軸壓最大位移的試驗值與對應(yīng)的模擬值，相對誤差分別在4%和10%以內(nèi)；試驗過程中試件未發(fā)生明顯破壞和過大變形，應(yīng)力總體上未超過工程設(shè)計允許值，數(shù)值模擬結(jié)果精度滿足工程所需；有接頭試件力學(xué)性能與無接頭試件相近，設(shè)計的倉壁及其節(jié)點是安全、可靠的，其結(jié)構(gòu)計算可以采用等同原理，即該裝配式倉壁可等效為現(xiàn)澆一體的無接頭倉壁。建立的倉壁節(jié)點有限元模型適用于新型裝配式地下糧倉，研究結(jié)果為裝配式地下糧倉有限元建模分析、結(jié)構(gòu)計算提供參考，為組合倉壁節(jié)點試驗的開展提供指導(dǎo)。

力學(xué)性能；有限元分析；節(jié)點；地下糧倉；鋼板-混凝土組合倉壁；節(jié)點試驗

0 引 言

糧食安全事關(guān)國計民生，確保糧食安全是中國農(nóng)業(yè)政策的基本目標(biāo)之一。為了保障國家糧食安全，中國建立了糧食儲備制度，實施糧食儲備戰(zhàn)略[1]。糧食安全涉及數(shù)量安全和品質(zhì)安全2個方面，地下糧倉（簡稱地下倉）是構(gòu)建中國綠色生態(tài)儲糧體系的重要技術(shù)支撐[2]，有利于大幅提升國家儲備糧的品質(zhì)。與地上糧倉相比，地下倉可以充分利用地下空間，具有恒溫、節(jié)能、節(jié)地、綠色、環(huán)保的優(yōu)點[3]，是目前糧食行業(yè)的重要研究課題之一。近年來，大直徑鋼筋混凝土地下倉成為現(xiàn)代地下倉的典型代表，取得了不少研究成果[4-9]，極大地推動了現(xiàn)代地下倉的研究。然而，大直徑鋼筋混凝土地下倉采用的是傳統(tǒng)的現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)施工前需要深基坑開挖、支護(hù)和降水，并存在防水抗?jié)B難、濕作業(yè)周期長、抗浮配重等未能較好解決的問題[10]。針對上述問題提出了一種裝配式鋼-混地下糧倉（簡稱裝配式地下倉），它是利用內(nèi)層鋼板形成封閉防水抗?jié)B層，基于逆作法施工實現(xiàn)倉壁預(yù)制塊與基坑支護(hù)合并，縮短了濕作業(yè)施工周期，降低建設(shè)成本，支護(hù)樁與倉壁連接既能承重又能夠抗拔。該裝配式地下倉是全新技術(shù)體系，國內(nèi)外許多學(xué)者對于裝配式鋼板-混凝土組合構(gòu)件在隧道襯砌、礦井井壁、組合結(jié)構(gòu)等類似工程領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量研究[11-23]。姚直書等[12]對雙層鋼板混凝土復(fù)合井壁進(jìn)行了試驗研究，表明通過鋼板與混凝土的相互約束，改善了各自的力學(xué)特性，使井壁豎向承載力顯著提高，井壁結(jié)構(gòu)中的混凝土完全處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，其抗壓強度提高了1.73～1.92倍。徐敏[13]利用ANSYS軟件對雙層鋼板混凝土井壁進(jìn)行了力學(xué)特性分析及優(yōu)化設(shè)計。聶建國等[14-15]開展了鋼板-混凝土組合簡支梁的試驗研究，試驗表明若合理地配置栓釘連接件，鋼板和鋼筋混凝土可以形成組合截面共同工作。張厚美等[16]開展了盾構(gòu)隧道管片接頭荷載試驗研究，并對彎接頭和直接頭足尺試件進(jìn)行了對比，表明彎接頭接縫的受力和變形規(guī)律與直接頭是相同的，僅從評價接縫抗彎剛度角度出發(fā)，用直接頭代替彎接頭是合適的。吳麗麗等[17]對簡支鋼板-混凝土組合板試件進(jìn)行受彎性能試驗，對組合板試件的破壞形態(tài)、鋼板與混凝土應(yīng)變發(fā)展情況、裂縫發(fā)展情況及組合板承載能力進(jìn)行了研究。楊悅等[18]開展了鋼板混凝土組合板受彎性能試驗，表明按完全抗剪連接設(shè)計的試件破壞形態(tài)與適筋梁相似，具有良好的受彎承載能力和延性。裝配式技術(shù)和組合結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[24-25]已經(jīng)發(fā)布實施，為工程實踐和應(yīng)用提供指導(dǎo)。裝配式技術(shù)和組合結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域的研究應(yīng)用越來越普遍，但兩者在地下倉中的研究應(yīng)用罕見報道，相應(yīng)的設(shè)計計算方法仍未建立。目前裝配式建筑是中國大力推行的環(huán)保節(jié)約型建筑結(jié)構(gòu)體系，可靠的節(jié)點連接是裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，裝配式節(jié)點及其性能決定著整體結(jié)構(gòu)的可靠性與計算模型[26-27]，是裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題。

本文基于工程應(yīng)用設(shè)計了裝配式地下倉鋼板-混凝土組合倉壁（簡稱組合倉壁）及其新型干式連接節(jié)點，開展了組合倉壁及其節(jié)點抗彎、抗壓性能的有限元模擬；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了組合倉壁及節(jié)點足尺試件的力學(xué)性能試驗，測試并對比分析了能夠反映有、無接頭試件剛度的指標(biāo)參數(shù)-撓度和位移量。通過研究，驗證了有限元模擬分析的有效性。研究為裝配式地下倉的有限元精細(xì)建模模擬、結(jié)構(gòu)計算和工程設(shè)計應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 試件設(shè)計

該文以河南某工程項目大直徑鋼筋混凝土地下糧倉（試驗倉）為結(jié)構(gòu)原型，綜合考慮設(shè)計、施工、造價等多方面因素，提出了新型裝配式地下倉，結(jié)構(gòu)方案詳見文獻(xiàn)[10]。設(shè)計倉容約5 000 t（以小麥計），倉內(nèi)徑25 m，組合倉壁高約20 m，厚度0.31 m。倉頂覆土厚1.5 m；倉底板為漏斗狀，頂標(biāo)高-21 m，底標(biāo)高-28 m。組合倉壁周圍均布36根鋼樁，型號為HW400×400×13×21。

該裝配式地下倉為地下薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，在外部水土壓力下，空倉狀態(tài)是最不利工況；由柱殼理論可知，倉壁主要是環(huán)向受力，沿倉壁高度方向的豎向接頭受力較大，易發(fā)生破壞，影響著整倉的受力性能和計算模型，因此重點開展豎向接頭的相關(guān)研究。由經(jīng)典土壓力公式計算外部水土壓力，倉壁底部最大荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為300 kN/m；按照無接頭均質(zhì)模型計算，倉壁需承受環(huán)向最大軸力設(shè)計值4 895 kN，除倉壁上下兩端（與倉頂板、倉底板連接環(huán)梁位置）所需承受的最大彎矩設(shè)計值255 kN·m外，其余部位彎矩設(shè)計值均小于50 kN·m。目前受試驗條件限制開展組合倉壁的整環(huán)足尺試驗較難實現(xiàn)；縮尺模型自身存在很大近似性，且滿足相似比的試驗材料不易選取；另外，弧形試件對加載裝置要求較高，邊界條件難以滿足；在保證試件受力狀態(tài)與工程實際基本相符的前提下，采用平直試件代替實際的弧形試件。

綜上，參考《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和實際工程現(xiàn)場裝配施工可操作性設(shè)計了組合倉壁及其節(jié)點。組合倉壁由內(nèi)側(cè)鋼板-混凝土預(yù)制塊拼裝而成，組合倉壁的材料內(nèi)層為Q345型鋼板，厚10 mm；外層為鋼筋混凝土，厚300 mm，混凝土強度等級為C40，兩者通過圓柱頭栓釘連接為一體，見圖1a。定義左右預(yù)制塊之間沿倉壁高度的接頭為豎向接頭，采用“喇叭形”空腔接頭（便于逆作法施工和基坑支護(hù)一體化），其組成是兩塊U型包邊鋼板、止水鋼板、傳力鋼板、鋼樁翼緣板，通過焊縫連接為一體，如圖1b?；诠こ淘O(shè)計了無接頭、有接頭試件，其幾何尺寸及構(gòu)造如圖1所示。

圖1 試件尺寸及構(gòu)造（單位：mm）

2 有限元分析

2.1 模型建立

試件材料主要是2種不同性質(zhì)的鋼板和混凝土，兩者通過焊接在鋼板上的栓釘連接在一起，栓釘規(guī)格、間距的選取參照了規(guī)范[25]和文獻(xiàn)[15]，以保證鋼板和混凝土能夠變形協(xié)調(diào)，共同工作。建模時鋼板和混凝土接觸面上共用節(jié)點處理,并且鋼板和混凝土之間存在一個接觸面，二者之間是面-面接觸，非點和線接觸，在接觸面上共用結(jié)點，可以實現(xiàn)鋼板和混凝土在接觸面上的變形協(xié)調(diào)。有接頭試件的接頭構(gòu)造較復(fù)雜，U型鋼板和混凝土的空間關(guān)系不易處理，是建模難點，假定鋼板間的連接為剛性連接?；炷敛捎肧olid185實體單元，鋼板采用Shell63殼單元，單元特性符合試件的力學(xué)性能要求[26]，接頭鋼板和混凝土的空間關(guān)系也得到了有效處理。建立坐標(biāo)系：以試件長度方向為軸，厚度方向為軸，寬度方向為軸。采用有限元軟件ANSYS按圖1分別建立無接頭、有接頭試件的有限元模型，主要網(wǎng)格尺寸均為0.05 m，接頭處網(wǎng)格加密，如圖2所示。無接頭試驗件模型共有6 160個單元，有接頭試件模型共有8 460個單元。其中，模型簡化了混凝土內(nèi)部栓釘和頂部配置的抗裂鋼筋網(wǎng)。

a. 無接頭試件 a. Specimen without jointsb. 有接頭試件b. Specimen with a joint

2.2 材料性能

用于制作試件的混凝土強度等級為C40，與試件同時澆筑并在相同條件下養(yǎng)護(hù)30 d的立方體試塊測得的混凝土抗壓強度平均值為39.55 MPa，彈性模量為3.25×104MPa。試件中鋼材型號為Q345，實測材料性能見表1。

表1 鋼板材料性能

2.3 受彎模擬與分析

受彎試件采用兩點對稱加載，圖3為加載示意圖。施加的單點荷載最大值為270 kN，通過加載梁轉(zhuǎn)化為均布荷載作用在試件上，梁寬0.2 m，依此定義邊界條件和施加荷載，求解得到受彎模擬結(jié)果。模型的邊界條件為左支座處所有節(jié)點施加向、向位移及轉(zhuǎn)動約束；右支座處所有節(jié)點施加向位移約束及向、向轉(zhuǎn)動約束；此外，還對左、右支座沿試件寬度方向的正中間節(jié)點施加向位移約束。

無接頭、有接頭受彎試件的編號分別定義為SC-M1、SC-M2。SC-M1和SC-M2的向（厚度方向）變形云圖如圖4a、圖4b所示，向（長度方向）的正應(yīng)力云圖如圖4c、圖4d所示。由圖4a、圖4b可見無接頭、有接頭試件變形趨勢基本相同，均為彎曲變形，跨中撓度最大，符合兩點彎曲變形規(guī)律。SC-M1、SC-M2跨中最大撓度模擬值分別為0.7 、0.57 mm，有接頭試件較前者小18.6%，表明有接頭試件的抗彎剛度大于前者，設(shè)計的接頭較無接頭區(qū)域（組合倉壁）具有足夠的抗彎剛度。從圖4c、圖4d可見無接頭、有接頭試件的向正應(yīng)力分布差異明顯，其向正應(yīng)力均是上部受壓下部受拉，但是有接頭試件接頭區(qū)域的應(yīng)力分布比較復(fù)雜，顯然接頭的存在改變了試件的應(yīng)力分布狀態(tài)。受彎試件混凝土最大正應(yīng)力與鋼板最大等效應(yīng)力見表2。

圖3 受彎試件加載示意圖

圖4 受彎試件Y向變形云圖和X向正應(yīng)力云圖

由表2可知混凝土最大壓應(yīng)力和鋼板等效應(yīng)力均未超過設(shè)計值，混凝土最大拉應(yīng)力超過了設(shè)計值，但僅是局部點超限。實際上試件底鋼板上有大量栓釘，有限元模型未考慮栓釘分散應(yīng)力的作用；另外，當(dāng)模擬得到的混凝土拉應(yīng)力超過其設(shè)計值時，通過配置一定量鋼筋使結(jié)構(gòu)滿足強度要求[27]，工程應(yīng)用時底部可配置鋼筋網(wǎng)。

表2 受彎試件最大應(yīng)力

2.4 受壓模擬與分析

上文所述裝配式地下倉環(huán)向最大軸力設(shè)計值為4 895 kN，偏于工程安全最大加載值取5 000 kN，受壓試件采用軸壓加載方式，加載示意圖見圖 5，加載板轉(zhuǎn)化為均布荷載作用在試件底部；以此定義邊界條件、施加荷載和求解。模型的邊界條件為下端支座處所有節(jié)點施加向、向、向位移約束及向、向轉(zhuǎn)動約束；上端支座處所有節(jié)點施加向、向位移約束及轉(zhuǎn)動約束。

無接頭、有接頭受壓試件編號定義為SC-N1、SC-N2。SC-N1和SC-N2的向（軸向）變形云圖和正應(yīng)力云圖 S如圖6所示。從圖6a、圖6b可看出兩試件主要變形均為軸向壓縮，伴隨彎曲變形，且變形趨勢大致相同，符合軸壓加載變形規(guī)律，受壓加載模擬與倉壁實際受力相似。SC-N1、SC-N2軸向最大位移模擬值分別是1.03、1.01 mm，有、無接頭試件相差1.94%，表明有接頭試件的抗壓剛度相近于無接頭，即設(shè)計的接頭與無接頭區(qū)域（組合倉壁）具有匹配的抗壓剛度。由圖6c、圖6d可見，受壓試件的軸向正應(yīng)力分布明顯有差異，最值位置也不同；接頭鋼板致使接頭區(qū)域的軸向正應(yīng)力分布變得復(fù)雜，接頭的存在明顯影響了試件的軸向正應(yīng)力分布狀態(tài)，其混凝土及鋼板最大應(yīng)力見表3。

圖5 受壓試件加載示意圖

a. SC-N1變形云圖a. SC-N1 deformation nephogram b. SC-N2變形云圖b.SC-N2 deformation nephogram c. SC-N1應(yīng)力云圖c.SC-N1 stress nephogram d. SC-N2應(yīng)力云圖d. SC-N2 stress nephogram

由表3和圖6可知有接頭試件僅在局部角點和邊界點應(yīng)力超過了允許值，是因試件兩端邊界模擬軸向加載產(chǎn)生的，實際工程并不會出現(xiàn)，其他均滿足要求。

表3 受壓試件最大應(yīng)力

注：（）內(nèi)注明的是應(yīng)力的方向。

Note: () The deformation of the stress is indicated.

3 試驗驗證

3.1 試驗概況

為了驗證裝配式地下倉組合倉壁及接頭有限元模型的適用性和結(jié)果的有效性，特別是鋼板與混凝土共用節(jié)點的假設(shè)，鋼板之間焊縫連接的剛接處理，是否合理及滿足工程要求，在有限元模擬分析的基礎(chǔ)上開展了節(jié)點抗彎、抗壓試驗。按照圖1制作兩組共6個1∶1試件，每組無接頭試件1個、有接頭試件2個，分別用于抗彎和抗壓試驗。試件制作時鋼構(gòu)件全部在鋼構(gòu)工廠加工，試驗現(xiàn)場支模、綁筋、澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)30 d；接頭焊接完全模擬工程施工現(xiàn)場立焊，如圖7a所示，試驗加載與有限元模擬條件一致?，F(xiàn)場測試如圖7b、圖7c所示。

a. 試件接頭焊接現(xiàn)場 a. Welding site of the specimen’s jointb. 抗彎試驗b. Flexural experimentc. 抗壓試驗c. Compressive experiment

3.2 測試方案

試驗數(shù)據(jù)采集設(shè)備選用兩臺東華DH3816N采集儀（每臺60通道），DSDAH信號采集和分析系統(tǒng)，測試儀器YHD-50/100型位移計和鋼板、混凝土應(yīng)變片。

抗彎試驗選用兩臺液壓伺服壓力加載系統(tǒng)，單個壓力試驗機可加載最大壓力值為50 t，計算機自動控制和采集加載數(shù)據(jù)。為了考察有無接頭試件的抗彎剛度，實測試件純彎段(接頭區(qū)域)的撓度值，由兩點彎曲公式近似計算加載值（取0.5m，彎矩大于50kN·m），同時考慮分級加載和測量精度，每個加載點的最大加載值為270 kN，分9級加載，每級加載速度為30 kN/min。抗彎試驗有接頭、無接頭試件的豎向位移測點位置一致，如圖8a。

抗壓試驗采用液壓伺服剪壓長柱加載系統(tǒng)，試驗機可提供最大壓力值為1 200 t，實際工程倉壁內(nèi)力主要是環(huán)向軸力，依據(jù)環(huán)向最大軸力設(shè)計值模擬加載，偏安全取最大加載值為5 000 kN，分25級加載，加載速度2 kN/s。有、無接頭試件位移測點布置相同，如圖8b。

注：C1～C32為抗彎試驗測點編號。YW1～YW24和XW2～XW8為抗壓試驗測點編號。

3.3 抗彎試驗驗證分析

前期對空倉工況下的組合倉壁進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)組合倉壁接頭處截面的抗彎剛度與非接頭處截面的抗彎剛度比達(dá)到一定數(shù)值（大于1.0）時，有接頭的組合倉壁的臨界屈曲荷載不小于無接頭的組合倉壁，同時剛度和強度也能滿足要求。在此基礎(chǔ)上，先由兩點彎曲試驗獲得其抗彎剛度（彈性階段）?？箯澕虞d從0至270 kN，試件沒有出現(xiàn)明顯裂縫，焊縫完好無損，鋼板和混凝土之間未見剝離脫開，能夠協(xié)同工作；卸載后試件恢復(fù)原狀，試件未產(chǎn)生塑性變形，并具有足夠強度。

撓度是反映抗彎剛度的主要指標(biāo)。以試件豎向位移測點C1、C2、C3的平均值作為跨中撓度，抗彎試件的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線見圖9；由圖9可知隨著荷載的增大，跨中撓度基本上呈線性增大，表明試件在加載過程中處于彈性變形階段，沒有發(fā)生塑性變形。

圖9 抗彎試件荷載-跨中撓度關(guān)系

依據(jù)模擬值和試驗值，繪制抗彎試件撓度曲線如圖 10所示，因試件加載不均勻、焊接變形等原因，撓度曲線存在偏差，但跨中撓度十分接近；抗彎試件跨中最大撓度試驗值見表4，與模擬值相比，無接頭試件相對誤差為1.45%，有接頭試件相對誤差為9.61%和0。對比表明試驗值與有限元模擬結(jié)果相對誤差較小，基本吻合，建模時的假定是合理的，所建立有限元模型是適用的，模擬分析指導(dǎo)了試驗順利開展。

a. 無接頭試件 a. Specimen without jointsb. 有接頭試件 b. Specimen with a joint

表4 抗彎試驗試件跨中撓度

3.4 抗壓試驗驗證分析

抗壓試驗從0加載至倉壁環(huán)向軸力設(shè)計值（偏于安全）5 000 kN，試件沒有出現(xiàn)明顯裂縫，焊縫完好無損，鋼板和混凝土未見剝離脫開，能夠協(xié)同工作，卸載后能夠恢復(fù)原狀；表明試件處于彈性變形階段，未出現(xiàn)塑性屈服，具有足夠的強度。

以試件底端和頂端測點的位移差值作為試件縱向壓縮總變形量，擬合平均位移差繪制各抗壓試件荷載-變形曲線如圖11。由圖11可見隨著荷載增大，試件總壓縮變形呈線性增大，表明試件始終處于彈性變形階段。沿試件高度以每層鋼板和混凝土兩側(cè)共6個測點的位移平均值減去頂端6個測點位移平均值作為此位置的縱向壓縮變形量，由此得到最后一級荷載時不同高度測點的荷載-位移關(guān)系有限元模擬與試驗得到的荷載-位移曲線如圖12，可見抗壓試件模擬所得的荷載-位移曲線與試驗結(jié)果基本吻合。抗壓試件軸向最大位移試驗值見表5，試驗值與模擬值相比，無接頭試件相對誤差為3.74%，有接頭試件相對誤差為3.06%和3.81%，表明建立有限元模型是適用的。

圖11 抗壓試件的荷載-變形關(guān)系

a.無接頭試件 a. Specimen without jointsb. 有接頭試件b. Specimen with a joint

表5 抗壓試件軸向最大位移

4 結(jié) 論

利用ANSYS軟件建立了裝配式地下糧倉鋼-混組合倉壁及其節(jié)點1∶1足尺試件的有限元模型，模擬并對比分析了無接頭、有接頭試件的受彎和受壓性能，通過與節(jié)點抗彎、抗壓試驗的對比驗證，得出以下結(jié)論：

1）試驗過程中鋼板和混凝土未見剝離，二者能夠協(xié)同工作，同類試件撓度曲線、軸壓荷載-位移曲線的試驗結(jié)果與其有限元模擬結(jié)果基本一致，表明建模時鋼板和混凝土共用結(jié)點以及接頭鋼板之間采用剛性連接的假設(shè)是合適的。

2）無接頭試件和有接頭試件彎曲跨中位移、軸壓最大位移的試驗值與對應(yīng)的模擬值，相對誤差分別在4%和10%以內(nèi)；表明建立的裝配式鋼板-混凝土組合倉壁節(jié)點有限元模型是適用的，為裝配式地下糧倉鋼-混組合倉壁及其節(jié)點的數(shù)值建模提供了有效方法。

3）無接頭試件與有接頭試件跨中最大撓度模擬值分別為0.7 、0.57 mm，有接頭試件較前者小18.6%；軸向最大位移模擬值分別為1.03 、1.01 mm，兩者相差1.94%。表明基于組合倉壁接頭處截面的抗彎剛度與非接頭處截面的抗彎剛度比達(dá)到一定數(shù)值（大于1.0）設(shè)計的接頭，其力學(xué)性能與無接頭相近，裝配式鋼板-混凝土組合倉壁可以等效為現(xiàn)澆一體的無接頭倉壁，即可以采用等同原理進(jìn)行設(shè)計計算。

4）試件設(shè)計與制作基于實際工程，有限元模擬結(jié)果指導(dǎo)了組合倉壁節(jié)點試驗的順利開展，試驗過程中未發(fā)生整體破壞，在外部水土壓力作用下處于彈性階段；設(shè)計的裝配式地下糧倉鋼板-混凝土組合倉壁及節(jié)點是一種可靠的、可施工操作的連接方式，其承載力高、剛度大，偏于工程安全。

5）與無接頭的組合倉壁相比，有接頭的組合倉壁豎向接頭改變了應(yīng)力分布狀態(tài)，局部出現(xiàn)應(yīng)力過大，是其薄弱部位，工程設(shè)計時應(yīng)予以加強。

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Finite element analysis on mechanical properties of joint in precast steel plate-concrete composite wall of underground granary

Wang Zhenqing1, Chuai Jun1※, Wang Lumin1, Liang Xingpei1, Liu Yongchao2, Hou Zhilong1

(1.,,450001,; 2.,450001,)

The underground granary is an important technical development for building a new system of green grain storage. Compared to the overground granary, the underground granary can make full use of the underground space, which shows significant advantages such as low temperature, loss reduction, eco-friendly environment, land saving, energy saving and safety in grain storage. Currently, such technology is one of the important research interests in the food industry. A new type of underground granary consisting of precast steel plate-concrete composite walls was proposed, and the corresponding mechanical properties of its wall and joints were studied for guiding the design of it. Firstly, two different finite element models of the two pieces of precast steel plate-concrete composite walls with different connecting modes were established with ANSYS software. One model is assumed that the walls connect with a joint, which is modeled as a short steel plate, and another is assumed to be weld together directly without introducing a joint. Their bending and compression properties were simulated and analyzed. Also, in the finite element simulation, Solid 185 element was used to model the concrete part, Shell 63 element was used to model steel plates, and the rigid connection was assumed by arranging common nodes between adjacent elements on the interface of concrete and steel plate. Secondly, the corresponding joint experiments were carried out to verify the simulation results. In the experiment, the steel plate and concrete are connected by bolts in each piece of composite wall. The steel plates of the two composite walls are connected by welding them together with a short connecting steel plate, and thus their connections are assumed to be rigid as well. Practically, in order to simplify the finite element models, the effects of bolts and rebar reinforcements in the real steel plate-concrete composite wall were represented by rigid connection assumptions. Numerical results showed that, for the case of empty granary, which means no internal pressure was applied on the internal surface of the composite wall, the stress concentration occur in the steel plate-concrete composite wall under the external soil and water pressure, but the maximum stress not exceeded the design value, so the prefabricated steel plate-concrete composite wall is safe. During the tests, the separation of steel plate and concrete in each specimen not happened and they worked well as an entire element. Besides, the connecting plate between the two precast steel plate-concrete composite walls looked reliable and no obvious crack damage or excessive deformation. All welding lines kept intact. The numerical results of the maximum deflection along the whole span of the jointless and jointed specimens were 0.7mm and 0.57mm, respectively, and the latter was 18.6% smaller than the former. The numerical predictions of the maximum axial displacement of the jointless and jointed specimens were 1.03mm and 1.01mm, respectively, with a slight difference of 1.94%. Besides, it is observed that the difference between the numerical results and the experimental results was no more than 4% and 10% for the jointless and jointed specimens, respectively. From the comparison, it is concluded that the experimental results are basically same as the finite element results and the established finite element model is verified. Also, the results indicate that the assumption of rigid joint between the two steel plate-concrete composite walls is reasonable. More importantly, it is found that the mechanical properties of the steel plate-concrete composite wall with joint connection are similar to those without joint. Thus, in the practical engineering, the steel plate-concrete composite walls for the underground granary can be mechanically equivalent to the steel plate-concrete composite wall without joint connection. It provides guidance for the design and test of composite wall joint.

mechanical properties; finite element analysis; joint; underground granary; precast steel plate-concrete composite wall; joint experiment

王振清，揣 君，王錄民，梁醒培，劉永超，侯支龍. 裝配式地下糧倉鋼-混組合倉壁節(jié)點力學(xué)性能有限元分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(24)：298－306. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.035 http://www.tcsae.org

Wang Zhenqing, Chuai Jun, Wang Lumin, Liang Xingpei, Liu Yongchao, Hou Zhilong. Finite element analysis on mechanical properties of joint in precast steel plate-concrete composite wall of underground granary[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 298－306. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.035 http://www.tcsae.org

2019-10-04

2019-11-04

國家科技部糧食公益性行業(yè)科研專項（201413007，201513001-03）；省屬高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目（2016QNJH23）

王振清，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為儲倉結(jié)構(gòu)和綠色儲糧新體系。Email：hnzzwzhq@163.com

揣 君，博士生，主要研究方向為地下糧倉設(shè)計。Email：chuai-jun@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.035

TU249.2

A

1002-6819(2019)-24-0298-09