平房倉“結構-隔熱”一體化墻體的力學性能分析

丁永剛 劉浩宇 郭呈周

摘 要：“結構-隔熱”一體化墻體是一種新型的復合墻體，施工方便，隔熱和氣密性能優(yōu)越，符合現(xiàn)代糧倉綠色儲糧要求，能較好地彌補現(xiàn)有平房倉墻體的缺點。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的模型，分析其在糧食水平荷載作用下的受力和變形特點。結果表明，墻體能有效保持整體性，內(nèi)葉墻主要承受荷載，內(nèi)、外葉墻的應力突變較小，計算時墻體的邊界條件采用四邊固結是較為準確的。

關鍵詞：“結構-隔熱”一體化墻體;平房倉;有限元分析

中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A 文章編號：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，我國民用建筑中許多新型節(jié)能復合墻體得到了廣泛應用。但是，長期以來，糧倉中使用最為廣泛的平房倉墻體變革緩慢，遠不符合社會和市場對糧倉性能的要求[1，2]。傳統(tǒng)平房倉墻體一般采用黏土磚砌體，黏土磚在生產(chǎn)過程中毀壞大量農(nóng)田，施工過程中存在砌筑量大、人工成本高、施工質(zhì)量難以控制等缺點，且由于其結構構造和材料特性，在糧食水平荷載作用下不能充分發(fā)揮砌體抗壓能力強的材料特點，墻體底部及門窗洞口等處極易產(chǎn)生通縫，倉體氣密性一般較差[3]?！敖Y構-隔熱”一體化墻體是一種新型的平房倉墻體，可以較好地解決上述黏土磚墻體的缺點。

“結構-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，其構造如圖1所示。內(nèi)葉墻和外葉墻為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構，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“結構-隔熱”一體化墻體倉壁結構構造，在平房倉裝糧線處設置一道連梁，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。

2 “結構-隔熱”一體化墻體有限元分析模型

2.1 材料本構關系

“結構-隔熱”一體化墻體中混凝土材料采用損傷塑性模型。根據(jù)文獻研究可知[4-6]，本構關系采用《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）[7]中單軸應力應變曲線法的計算方法;鋼筋材料的本構關系采用《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）[7]中有屈服點鋼筋單調(diào)加載的應力-應變曲線。混凝土的受拉和受壓應力-應變關系如圖3所示。

2.2 有限元分析模型設計分析

模型以某糧庫平房倉為原型進行改造設計，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。墻體模擬過程中僅加載糧食水平荷載，荷載值根據(jù)《糧食平房倉設計規(guī)范》（GB 50320—2014）[8]規(guī)定計算，其計算公式為：

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

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

板狀結構使用殼單元模擬可使建立模型較為簡單，能很好地節(jié)省計算機運行空間和計算速度，精度較高。但是，“結構-隔熱”一體化墻體存在連接件，且連接件的長度較短，使用梁單元模擬時有較大誤差;而連接件使用實體單元，內(nèi)、外葉墻使用殼單元時，連接件和兩側墻體的連接處難以準確計算，故本文構件均采用實體單元。局部墻體模型尺寸為3.6m×7.2m，模擬過程中其邊界條件設置為四邊固結。使用實體單元建立平房倉整倉時，單元格過多，需要耗費計算機極大的內(nèi)存空間和較長的計算時間，需要對計算模型進行簡化。平房倉結構和糧食水平荷載呈雙軸對稱，根據(jù)結構力學知識，選用平房倉結構的1/4來作為計算模型，檐墻和山墻中柱取原倉柱截面寬度1/2，即200mm×600mm。設置邊界條件時，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算精度和效率，混凝土構件網(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。各構件的有限元分析模型如圖5所示。

3 “結構-隔熱”一體化墻體有限元計算結果分析

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，最大變形點均為跨中靠近基礎的三分點處。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)缀踔睾希@說明在糧食水平荷載作用下，連接件未對墻體變形造成影響，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應力云圖，內(nèi)、外葉墻受力狀態(tài)相似，但外葉墻應力分布稍有突變，最大應力點均為兩側支座靠近底部三分點處。提取內(nèi)、外葉墻水平和豎直方向的應力曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，內(nèi)葉墻應力遠大于外葉墻，說明墻體以內(nèi)葉墻受力為主，外葉墻受力較小;內(nèi)、外葉墻的應力曲線均出現(xiàn)突變，突變位置和連接件位置相同，說明連接件在一定程度上會造成兩側墻體的應力集中，但其應變值較小，且未改變墻體的受力形態(tài)。

圖10給出了平房倉整體的Mises應力云圖，應力最大處為山墻柱腳處，排架柱柱腳和中部應力整體較大;裝連線處連梁以下墻體應力明顯，跨中應力較大，裝糧線以上墻體應力較小。圖11截取了檐墻第3柱間墻體的內(nèi)葉墻和外葉墻應力，由于在整倉中“結構-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，其應力分布部分并非完美對稱，但整體應力分布特征相似，最大應力及其位置和局部墻體相同。

圖12給出了平房倉結構的變形云圖，結構最大位移出現(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有任何約束，而雙T板屋架對檐墻頂部有水平方向約束。檐墻排架柱下部約束較強，在建模過程中，邊界條件設置為固結，上部構造為鉸接特征，柱整體呈現(xiàn)反向彎曲現(xiàn)象，其反彎點較低，距底部支座約為2.85m，這是由于糧食側壓力呈三角形，上部荷載較小，下部荷載較大。平房倉檐墻最大位移出現(xiàn)在每個柱間的跨中，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，這說明裝糧線處的連梁對

墻體轉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進行對比，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，平房倉中，“結構-隔熱”一體化墻體計算邊界條件使用四邊固結是較為準確的。

4 結語

“結構-隔熱”一體化墻體是一種新型的平房倉墻體，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，主要承擔維護作用;連接件會對兩側墻體造成局部應力突變，但影響較小;通過局部墻體和整倉的有限元對比，墻體的邊界條件可以簡化為四邊固結。綜合來說，“結構-隔熱”一體化墻體具有良好的力學性能，其隔熱和氣密性能優(yōu)于傳統(tǒng)墻體，在平房倉中具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]王榮帥，安鐸，荊紀東.新型平房倉建設綜述[J].糧食流通技術，2008（6）：8-10.

[2]牛亞利，張京津.近年來糧食平房倉倉型特點優(yōu)化[J].現(xiàn)代食品，2018（8）：163-171，175.

[3]張來林，李昭，丁永剛，等.我國新建糧倉氣密性差的原因分析及解決措施[J].糧油食品科技，2018（4）：59-62.

[4]楊飛，董新勇，周沈華，等.ABAQUS混凝土塑性損傷因子計算方法及應用研究[J].四川建筑，2017（6）：173-177.

[5]劉巍，徐明，陳忠范.ABAQUS混凝土損傷塑性模型參數(shù)標定及驗證[J].工業(yè)建筑，2014（S1）：167-171，213.

[6]張勁，王慶揚，胡守營，等.ABAQUS混凝土損傷塑性模型參數(shù)驗證[J].建筑結構，2008（8）：127-130.

[7]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.混凝土結構設計規(guī)范：GB 50010—2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.糧食平房倉設計規(guī)范：GB 50320—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.