基于ANSYS的混凝土塑料球填充板的有限元分析★

桂淳希 占雪芳 寧亞林 胡浩林 胡煜頡 劉亞莉

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

混凝土是土木工程中用量最大、用途最廣泛的一種建筑材料，混凝土抗壓強(qiáng)度高，但抗拉強(qiáng)度很低。為了增加混凝土的抗拉強(qiáng)度，法國(guó)約瑟夫·莫尼爾(Joseph Monier)于1849年通過在混凝土中加入鋼筋與之共同工作來改善混凝土力學(xué)性質(zhì)，發(fā)明了鋼筋混凝土。但由于鋼筋混凝土具有自重大，跨度小，消耗大的缺點(diǎn)，隨著建筑物使用功能日益提高的需求,要求大跨度、大荷載、大開間、隔墻可以任意分隔結(jié)構(gòu)體系,現(xiàn)澆空心樓板結(jié)構(gòu)在這種背景下誕生。現(xiàn)澆空心樓蓋技術(shù)的新興更新了傳統(tǒng)的理念,最大限度地降低了生產(chǎn)、運(yùn)輸及施工的勞動(dòng)強(qiáng)度,大大提高了生產(chǎn)效率,降低了能耗。

1 概述

國(guó)外對(duì)于空心樓板研究較早，空心板是由井式板演變而來的，它起源于德國(guó)，由前聯(lián)邦德國(guó)工程師MULLER Leopold首先提出，當(dāng)時(shí)被稱為“B-Z體系”，源自德文的蜂巢式混凝土空心樓板[1，2]。G. Franz教授對(duì)這種板進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了在靜力荷載作用下采用剛度等效的無梁樓蓋計(jì)算法[3]。空心板填充塑料球的設(shè)計(jì)原理取自于工業(yè)生產(chǎn)的塑料球形體，這些球體和限位鋼筋結(jié)合在一起與混凝土一起澆筑形成混凝土塑料球填充板,如圖1所示。這種板在結(jié)構(gòu)受力上可以類比傳統(tǒng)空心板，受力簡(jiǎn)單，傳力明確。AG Cobiax Technologies[4]對(duì)填充塑料球現(xiàn)澆空心板進(jìn)行研究，并于2006年獲得了Cobiax空心板技術(shù)專利。混凝土塑料填充結(jié)構(gòu)板是一種對(duì)環(huán)境無害的可持續(xù)性材料，在空心板內(nèi)插入塑料球?qū)ι鷳B(tài)有益的技術(shù)，有毒的環(huán)境污染物排放量將減少20%且初級(jí)能源需求僅為22%，同時(shí)也有利于創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展的房地產(chǎn)業(yè)[5]。

從生態(tài)學(xué)和環(huán)保學(xué)的角度來考慮，在一幢建筑的整個(gè)使用周期內(nèi)，最大的能源消耗就是建筑材料，尤其是混凝土天花板，它是迄今為止建筑物中最大的能源消耗者，因此混凝土塑料球填充板的研發(fā)很大意義上節(jié)約了資源和能源。填充球空心板產(chǎn)品是由100%回收塑料制造而成，通過環(huán)保處理能夠方便拆除并進(jìn)行回收利用，且使用此項(xiàng)技術(shù)材料將節(jié)省達(dá)到35%。天花板負(fù)載的填充球空心板技術(shù)相比于昂貴、繁重的環(huán)保建材存在眾多優(yōu)勢(shì)，比如：很大程度地減輕了天花板的重量，優(yōu)化了建筑的整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)，這不僅節(jié)約了材料和成本，還對(duì)生態(tài)有一定的保護(hù)，能夠減少建筑垃圾的生成[6]。但是現(xiàn)有國(guó)內(nèi)的空心樓板沒有球形模盒，因此本項(xiàng)目采用大型分析軟件ANSYS研究對(duì)樓板中加入具有形變能力的塑料球的新型混凝土塑料填充結(jié)構(gòu)板進(jìn)行靜力分析。

2 模型概述

2.1 模型建立

以工程中應(yīng)用的混凝土塑料球填充單向板為例，其尺寸為5 m×1.9 m×0.023 m。塑料球采用的泊松比為0.38的高密度聚氯乙烯塑料材料。內(nèi)部塑料球球體直徑為180 mm，沿縱向和橫向不等量布置，形成27×10的單層球體方陣，球沿縱向和橫向間距分別為6 mm與10 mm。建模忽略限位鋼筋作用，直接將混凝土澆筑在球形模型上，如圖2所示。板底四角用固定支座支承，板頂面施加面荷載。建模時(shí)混凝土采用Solid147單元，球采用Solid185單元，對(duì)于板內(nèi)部應(yīng)用綁定接觸，采用自由網(wǎng)格劃分建立模型。

2.2 材料特性

空心板填充塑料球采用高密度聚氯乙烯(High Density Polyethylene，HDPE)材料。HDPE無毒、無味、無臭，密度為0.940 g/cm3～0.976 g/cm3，它是在齊格勒催化劑催化下，低壓條件下聚合的產(chǎn)物。因HDPE的低密度特性，能夠減輕結(jié)構(gòu)自重。同時(shí)，HDPE能抗強(qiáng)氧化劑(濃硝酸)、酸堿鹽以及有機(jī)溶劑(四氯化碳)的腐蝕和溶解。HDPE還具有不吸濕，良好的防水蒸氣性，其防潮防滲特性對(duì)于其作為屋面板材料具有突出優(yōu)勢(shì)。其材料基本特性見表1。

表1 材料特性

3 模型結(jié)果

通過建立混凝土塑料球填充板有限元模型，考慮該結(jié)構(gòu)材料和幾何非線性，用大型分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行靜力分析。球與混凝土采用接觸面連接，通過改變對(duì)模型施加的面荷載，得出混凝土板的承載能力，同時(shí)計(jì)算出面荷載—位移曲線、應(yīng)力和變形云圖。

3.1 面荷載—變形曲線關(guān)系

查建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[7]得知屋面的荷載標(biāo)準(zhǔn)值2.0 kN/m2，相當(dāng)于在混凝土塑料球填充單向板上施加了一個(gè)大小為19 kN的面荷載，計(jì)算出該屋面處于彈性階段，其各項(xiàng)應(yīng)力非常小。為了獲得該板的最大承載力，通過不斷提高施加屋面荷載，最終當(dāng)面荷載為1 087.3 kN時(shí)，結(jié)構(gòu)趨于破壞。其面荷載—變形曲線如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)面荷載小于1 087.3 kN時(shí)面荷載與變形成正比，說明此時(shí)的混凝土塑料球填充板模型處于彈性受力狀態(tài)。當(dāng)面荷載達(dá)到1 087.3 kN時(shí)，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，變形發(fā)生突變，此時(shí)板出現(xiàn)塑性破壞，最大位移為3.890 2 mm。

3.2 應(yīng)力與變形云圖

當(dāng)面荷載達(dá)到1 087.3 kN時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性性能，其應(yīng)力和變形云圖如圖4,圖5所示。

圖4表明在面荷載作用下，其受力類似簡(jiǎn)支的普通混凝土單向板，應(yīng)力最大分布在跨中。圖5表明，在面荷載作用下，塑料球的變形分布較均勻。

4 結(jié)語(yǔ)

通過利用ANSYS對(duì)混凝土塑料球填充板的靜力分析，計(jì)算得到了該板面荷載—變形關(guān)系以及其應(yīng)力和變形云圖。通過分析結(jié)果得到以下重要結(jié)論：

1)通過不斷提高施加屋面荷載，得到了該板的最大承載力為1 087.3 kN，其承載能力比同尺寸的普通空心板大。如此大的承載能力甚至可以作為結(jié)構(gòu)的主體受力構(gòu)件。

2)混凝土塑料球填充板面荷載—變形曲線關(guān)系表明面荷載在達(dá)到極限值前，該板處于彈性受力狀態(tài)，面荷載—變形成正比，但在面荷載達(dá)到1 087.3 kN時(shí)混凝土塑料球填充板達(dá)到最大承載狀態(tài)，混凝土板破壞。

3)在面荷載作用下，混凝土塑料球填充板的受力類似于簡(jiǎn)支的普通混凝土空心板，其跨中應(yīng)力和變形最大。但塑料球變形小且分布均勻。

混凝土塑料球填充板的有限元分析初步確定了其在工程中作為屋面板的合理性。在大型工程中使用混凝土塑料球填充板代替普通混凝土板能夠在滿足同樣承載力的前提下減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約了近30%的成本。且混凝土塑料球填充板可以采用先鋪墊預(yù)制球模型再澆筑混凝土的方式施工，施工方便，工期短。