“結構-隔熱”一體化墻體糧食側壓力下力學性能影響因素分析

丁永剛,宋戰(zhàn)炯,陳科委,許啟鏗,劉浩宇

(1.河南工業(yè)大學 土木工程學院,鄭州 450001;2.河南省糧油倉儲建筑與安全重點實驗室,鄭州 450001)

平房倉是我國目前使用最廣泛的糧食倉型[1],大多由傳統(tǒng)磚砌墻建造而成,具有儲糧量大、成本小等優(yōu)勢,但存在承載能力不足、保溫隔熱性能不佳等缺點.目前,民用建筑中一些復合墻體已投入使用[2],如磚砌體夾心墻,雙層節(jié)能墻體等.磚砌體夾心墻作承重墻或填充墻,具有一定的保溫作用,但平面外承載能力不足;雙層節(jié)能墻體是在傳統(tǒng)墻體外裝置隔熱板材,雖具有一定的保溫隔熱作用,但承載能力仍不佳[3],故在糧倉中使用較少.

“結構-隔熱”一體化墻體作為糧食平房倉的一種新型墻體構件[4],是由內外葉墻及保溫板三層材料通過連接件連接而成的復合墻體,如圖1所示.內外葉墻均為鋼筋混凝土結構,其中內葉墻配置兩層雙向鋼筋,直接接觸糧食荷載,是主要的受力構件,外葉墻配置單層雙向鋼筋,承擔部分受力,起圍護作用.保溫板是擠塑聚苯乙烯材料(extruded polystyrene,XPS),主要功能為保溫隔熱,增強氣密性,同時保溫板不與外界接觸,提升了其耐久性能、抗腐蝕性能,也保證了墻體良好的防火性能.連接件是強化玻璃纖維塑料(glass fiber reinforced plastic,GFRP)材料[5],穿過保溫板的預留孔洞,將內外葉墻和保溫板連接,內外葉墻通過連接件達成共同受力、協(xié)同變形的目的[6].這種結構既能承擔糧食側壓力作用,又有良好的保溫隔熱性、氣密性,有效地改善了糧食儲存的環(huán)境.

復合墻體大多由多種材料組合而成,具有復雜的力學性能,很多學者采用不同方法開展研究.LI等[7]通過彎曲和拉伸性能試驗對PVC復合墻體開展研究,發(fā)現墻體具有較好的承載力、抗剪能力.吳香國等[8]分析了高性能復合夾芯墻板應用研究進展,提出了一種基于超高性能混凝土的高耐久復合墻板設計概念.YUE等[9]通過改變框架梁、柱的截面尺寸,研究了多榀框架在荷載作用下的力學性能,發(fā)現框架截面剛度對力學性能影響較為顯著.肖力光等[10]對秸稈夾芯復合墻板的抗風承載力進行了數值模擬,分析了不同厚度墻板對其抗風承載力的影響,發(fā)現增加墻板厚度及改變鋼絲布置方式均能提高其抗風承載能力.WANG等[11]通過試驗和有限元模型研究組合剪力墻的力學特性、抗震性能,發(fā)現螺栓間距、混凝土蓋板間距對墻體的力學性能影響較為顯著.

鑒于此,本文開展糧食側壓力作用下不同參數對“結構-隔熱”一體化墻體撓度、應力等力學性能的影響因素分析,采用ABAQUS有限元軟件,研究連接件的直徑、間距、內外葉墻厚度和保溫板厚度對“結構-隔熱”一體化墻體在糧食側壓力作用下的力學性能影響,確定顯著參數,對實際結構在工程應用中的設計及優(yōu)化提供參考.

1 “結構-隔熱”一體化墻體有限元模型

1.1 糧食荷載

“結構-隔熱”一體化墻體承受的荷載有糧食荷載產生的水平側壓力、風荷載、墻體結構自重、糧食與墻體產生的豎向摩擦力和屋面?zhèn)鱽淼暮奢d作用.結構自重、豎向摩擦力及屋面?zhèn)鱽淼暮奢d均為豎直方向,對結構受彎影響極小;糧食側壓力和風荷載為水平方向,但風荷載影響較小,故研究結構受彎承載時,根據《糧食平房倉設計規(guī)范》[12]僅考慮糧食側壓力作用.如附錄圖S1所示,規(guī)范中規(guī)定散裝糧食對墻體的水平側壓強Ph=kγs,其中,k為平堆時糧食側壓強系數,小麥取0.356 2;γ為糧食重力密度,取8 kN/m3;s為糧食頂面至計算截面的距離.

1.2 建立模型

以某糧庫傳統(tǒng)平房倉為原型設計,采用“結構-隔熱”一體化墻體,裝糧線高度s=7.2 m,墻體截面為3 600 mm×7 200 mm,連接件布置如圖2(a)所示.墻體水平方向剖面圖如圖2(b)所示,豎直方向僅連接間距不同,其余均相同.

構件有限元模型均采用實體單元,采用綁定約束,邊界條件設為約束4邊x、y、z方向位移.內外葉墻混凝土選用C3D20R單元,連接件選用C3D10R單元,鋼筋選用T3D2單元[13],有限元模型見附錄圖S2.連接件的直徑和間距、墻體厚度及保溫板厚度均為變量,僅加載糧食側壓力作用,研究參數變量對墻體力學性能的影響.本構關系采用混凝土DP模型[14-15],取C30混凝土單軸抗拉、抗壓強度標準值為抗拉、抗壓強度[16],根據《混凝土結構設計規(guī)范》[17]取單軸應力應變關系.

1.3 設計分析工況

定義連接件直徑、間距、內外葉墻厚度及保溫板厚度為設計變量,如表1所示.通過有限元模擬,計算不同工況下結構的撓度、Mises應力壓強,并分析各工況下參數的變化對其的影響規(guī)律,確定顯著參數.

表1 試件設計工況表Tab. 1 Specimen design condition mm

2 “結構-隔熱”一體化墻體力學性能影響因素計算及分析

2.1 連接件直徑的影響

連接件的剛度與墻體的組合性質有關[4],而復合墻體的組合特性恰是影響其力學性能的關鍵因素[18].如表1所示,工況1設計5組試件代號分別為DW1～5.其中這5組試件僅連接件直徑有所區(qū)別,其余參數相同.內外葉墻厚度分別為150 mm、50 mm,連接件水平、豎直方向間距分別為400 mm、480 mm,保溫板的厚度為70 mm.

根據有限元模擬結果,輸出墻體變形云圖,由于試件變形云圖相似,僅以DW2為例給出云圖,見附錄圖S3.撓度最大值出現在底部1/3處,與糧食三角荷載相符合.試件水平方向各位置的最大撓度曲線如附錄圖S4所示,5組試件撓度發(fā)展趨勢相似,連接件直徑越大則撓度越小,證明連接件直徑的增大對墻體撓度有利.其中DW1與DW2變形程度基本相同,僅在跨中部位DW2的撓度值略小,表明連接件直徑在6～10 mm范圍內對墻體整體撓度的影響很小.DW1與DW2撓度曲線光滑,內外葉墻撓度曲線基本完全重合,表明在連接件直徑相對較小時,內外葉墻單獨受力,分別體現出普通受彎結構構件的特征,視為非組合墻體.而當連接件直徑繼續(xù)增大后,內外葉墻撓度曲線部分不重合,且曲線不光滑,連接件處撓度曲線發(fā)生小范圍突變,墻體已不能體現出普通受彎構件的特征.這種現象為墻體的組合性特征.雖然現象相對較輕,但會隨著連接件直徑的增大而愈發(fā)明顯.

試件的內外葉墻的應力云圖如附錄圖S5所示,當連接件直徑較小時,內葉墻應力云圖展示出與撓度曲線相似的特征,云圖整體表象較為光滑,無明顯突變產生.隨著連接件直徑增大,應力云圖中出現斑點狀現象,均在連接件處,且逐漸明顯,表明墻體局部發(fā)生了應力集中、突變現象.DW1外葉墻應力云圖中出現了微弱的突變,隨著連接件直徑的增大,這種現象愈發(fā)明顯.當連接件的直徑較大時,斑點狀已基本布滿整個云圖,外葉墻相比于內葉墻更明顯,此時墻體已喪失了普通受彎構件的應力特征,展現出共同受力的現象,結構具有一定的組合性.

從圖3(a)中可知,當連接件的直徑較小時,內葉墻應力曲線光滑,無突變現象,與應力云圖、撓度曲線展示出相似的特征.從整個曲線段綜合來看,5組試件的應力整體分布特征類似,兩端支座處應力最大.連接件直徑最小的DW1試件內葉墻的應力最大,且DW2與DW1差別不大.隨著連接件直徑的增大,內葉墻應力逐漸減小,但局部產生突變現象.從圖3(b)中可知,連接件直徑相對較小的DW1與DW2試件外葉墻應力曲線變化幅度較小,且兩端支座處應力最大.當連接件直徑增大后,外葉墻應力分布曲線發(fā)生明顯變化,不同位置處的應力值變化幅度較大,應力最大值由兩端支座處轉換為水平方向1/3處.由于外葉墻承擔部分受力,相對較薄,內葉墻受彎時連接件發(fā)生扭曲,并且連接件直徑越大剛度越大,較薄的外葉墻不能很好地約束連接件扭曲,從而產生了應力突變現象.

連接件剛度與墻體撓度曲線見附錄圖S6,墻體撓度隨連接件剛度的增大而減小,且幅度逐漸減小.但外葉墻為約束連接件扭曲導致應力增大,出現應力集中、突變現象,從而易引起外葉墻混凝土開裂.故在考慮墻體撓度控制的同時,要盡量避免出現混凝土開裂,合理選用連接件的直徑、剛度.

由此可見,連接件的直徑對“結構-隔熱”一體化墻體影響較為顯著.墻體撓度隨連接件直徑的增大而減小,但出現混凝土應力集中、突變現象,綜合考慮選取連接件直徑為10 mm的DW2試件較合適.

2.2 連接件間距的影響

同樣地,工況2設計6組試件代號分別為BW1～6.6組試件連接件水平間距不同,其余參數均相同.內外葉墻厚度分別為150 mm、50 mm,連接件的直徑為10 mm,豎直方向的間距為480 mm,保溫板的厚度為70 mm.

BW1～6最大撓度值對比見附錄圖S7,隨著連接件間距的增大,墻體的撓度逐漸增大,但增大的幅度較小.在連接件間距相對較小時,內外葉墻的撓度差很小,隨著連接件間距的增大,兩者的撓度差逐漸增大,但幅度仍很小.BW5和BW6水平方向撓度曲線見附錄圖S8,其中BW5內外葉墻撓度曲線基本重合,差別不大,BW6僅小范圍區(qū)域有細微不同.可見,連接件的間距對“結構-隔熱”一體化墻體撓度的影響較小.

根據有限元模擬結果,試件內葉墻的應力云圖無顯著差別,且與DW2內葉墻的應力云圖類似,僅對外葉墻進行應力分析.BW1～6外葉墻應力云圖如附錄圖S9所示,可以看出無顯著差別,間距的改變對應力的影響相對較小.試件的應力云圖顯示應力分布特征整體相似,但隨著連接件間距的增大,逐漸出現了局部突變、應力集中現象,但仍不明顯.

試件水平方向應力曲線如附錄圖S10所示,其中圖S10(a)為連接件間距相對較小的BW1～3,圖S10(b)為連接件間距相對較大的BW4～6.6組試件應力曲線變化趨勢基本相同,水平方向連接件處發(fā)生小范圍突變,根據各試件內外葉墻曲線對比來看,內葉墻應力受影響較小,外葉墻應力受影響較大.隨著連接件間距的增大,突變現象越明顯,其值也越大.

由此可見,連接件的間距對“結構-隔熱”一體化墻體力學性能的影響相對較小.連接件間距越大,墻體受糧食荷載所產生撓度越大,且會產生小范圍應力集中、突變現象,尤其是外葉墻,但從整體來說,影響相對較小,故綜合考慮選取連接件水平間距為400 mm的DW3試件較合適.

2.3 內外葉墻厚度的影響

同樣,工況3設計8組試件代號分別為HW1～8.試件僅墻厚不同,其余參數均相同.連接件直徑為10 mm,連接件水平、豎直方向間距分別為400 mm、480 mm,保溫板的厚度為70 mm.其中HW1～3是“結構-隔熱”一體化墻體,HW4～8是單層墻體.

經有限元模擬,將HW1～3內葉墻撓度值與其厚度相同的HW6～8對比,HW1～3外葉墻撓度值與其厚度相同的HW4～6對比,如圖4所示.可見,墻厚對其撓度的影響較大,墻體越厚,撓度值越小.從撓度值來看,內葉墻越厚,對結構越有利,撓度值越小,也證明直接接觸糧食荷載的內葉墻承受主要荷載.HW1～3內外葉墻撓度曲線與相同厚度的單層墻體撓度曲線相差不大,最大差僅為1.33%,且曲線無明顯突變,表明墻體不具備組合性,內外葉墻分別單獨受力.

墻體最大位移處的水平、豎直方向上的應力曲線如圖5所示,其中水平方向經過連接件,豎直方向不經過.曲線在連接件位置處出現小范圍應力突變,并且對外葉墻影響相對較大,但整體影響較小,且應力稍小于與外葉墻相同厚度的單層墻體的應力.當內外葉墻厚相同時,兩端支座處內葉墻應力稍大于外葉墻,但跨中部位外葉墻應力稍大,這是由于連接件扭曲對外葉墻影響更大.

如圖6所示,在3個試件中,HW3連接件扭曲最嚴重,應力集中現象對墻體產生危害,結合撓度曲線進一步證明“結構-隔熱”一體化墻體內葉墻更厚對結構更有利的結論.故綜合考慮選取內外葉墻厚度分別為150 mm、50 mm的HW1試件較合適.

2.4 保溫板厚度的影響

同樣,工況4設計4組試件代號分別為XW1～4.4組試件僅保溫板厚度不同,其余參數均相同.內外葉墻厚度分別為150 mm、50 mm,連接件直徑為10 mm,連接件水平、豎直方向間距為400 mm、480 mm.保溫板為聚苯乙烯材料,不參與受力,只起保溫隔熱作用,故本模擬中保溫板厚度的改變代表內外葉墻之間間距的改變.

4組試件內外葉墻撓度最大值對比如圖S11所示,可見,內外葉墻撓度隨保溫板厚度的增大而逐漸增加,但幅度很小,內外葉墻之間的撓度差逐漸加大,但差值仍很小.這是由于保溫板的厚度越大,連接件的長度越長,使其剛度降低,但并沒有改變墻體的受力形式,墻體不具備組合特征,為普通受彎墻體構件的受力狀態(tài).四組試件的水平方向應力曲線見圖S12.從整體來看,內外葉墻曲線基本重合,保溫板厚度越大,墻體應力越大,但在保溫板厚度較小時,其值的增加對應力的改變較小,當保溫板厚度較大時,其值的增加對應力的改變略微增大,但整體影響仍較小.所有應力曲線均較為光滑,僅在連接件處出現小范圍突變現象,外葉墻應力突變現象相對較為明顯.

由此可見,保溫板的厚度對“結構-隔熱”一體化墻體力學性能的影響較小.保溫板厚度越大,墻體整體撓度越大,應力越大,出現小范圍應力突變現象,但整體影響較小.本文僅考慮力學性能認為選取保溫板厚度為70 mm的XW2試件較合適.工程設計中,在滿足當地對糧食儲藏保溫隔熱性能要求的條件下,盡量設計較薄的保溫板厚度,既能有較好的力學性能,又達到節(jié)約成本的目的.

3 結 論

為研究連接件的直徑、間距、內外葉墻厚度及保溫板厚度對“結構-隔熱”一體化墻體力學性能的影響,本文通過有限元軟件對其模擬分析,得到以下結論:

1)連接件的直徑對“結構-隔熱”一體化墻體影響較為顯著,連接件的直徑越大,墻體撓度越小,但出現混凝土應力集中、突變現象.連接件的間距對“結構-隔熱”一體化墻體力學性能的影響相對較小.連接件間距越大,墻體撓度越大,對外葉墻產生小范圍應力集中、突變現象,總體影響較小.連接件成本較高,單純地通過增大連接件的直徑、剛度來改善墻體的受彎性能不夠經濟,連接件間距的增大意味著總體數量減小、成本更小,故在設計連接件直徑和間距時,需綜合考慮力學性能和經濟的平衡性,合理設計連接件的直徑、間距.根據本文設計試件,建議選取連接件直徑與水平間距分別為10 mm、400 mm.

2)墻厚對其撓度的影響較為顯著,墻體越厚,撓度值越小.連接件處外葉墻出現應力集中、突變現象.內外葉墻分別單獨受力,內葉墻在一定范圍內越厚對結構越有利,連接件扭曲越小.根據本文設計試件,建議選取內外葉墻厚度分別為150 mm、50 mm.

3)在常用的使用范圍內,保溫板的厚度對墻體力學性能的影響較小.保溫板越厚,墻體撓度越大,應力越大,并且出現應力突變現象.在滿足保溫隔熱性能的前提下,應盡量設計較薄的保溫板厚度.根據本文設計試件,建議選取保溫板厚度為70 mm.

附錄見電子版(DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.06.21.0002).