“结构-隔热”一体化墙体粮食侧压力下力学性能影响因素分析

丁永刚,宋战炯,陈科委,许启铿,刘浩宇

(1.河南工业大学 土木工程学院,郑州 450001;2.河南省粮油仓储建筑与安全重点实验室,郑州 450001)

平房仓是我国目前使用最广泛的粮食仓型[1],大多由传统砖砌墙建造而成,具有储粮量大、成本小等优势,但存在承载能力不足、保温隔热性能不佳等缺点.目前,民用建筑中一些复合墙体已投入使用[2],如砖砌体夹心墙,双层节能墙体等.砖砌体夹心墙作承重墙或填充墙,具有一定的保温作用,但平面外承载能力不足;双层节能墙体是在传统墙体外装置隔热板材,虽具有一定的保温隔热作用,但承载能力仍不佳[3],故在粮仓中使用较少.

“结构-隔热”一体化墙体作为粮食平房仓的一种新型墙体构件[4],是由内外叶墙及保温板三层材料通过连接件连接而成的复合墙体,如图1所示.内外叶墙均为钢筋混凝土结构,其中内叶墙配置两层双向钢筋,直接接触粮食荷载,是主要的受力构件,外叶墙配置单层双向钢筋,承担部分受力,起围护作用.保温板是挤塑聚苯乙烯材料(extruded polystyrene,XPS),主要功能为保温隔热,增强气密性,同时保温板不与外界接触,提升了其耐久性能、抗腐蚀性能,也保证了墙体良好的防火性能.连接件是强化玻璃纤维塑料(glass fiber reinforced plastic,GFRP)材料[5],穿过保温板的预留孔洞,将内外叶墙和保温板连接,内外叶墙通过连接件达成共同受力、协同变形的目的[6].这种结构既能承担粮食侧压力作用,又有良好的保温隔热性、气密性,有效地改善了粮食储存的环境.

复合墙体大多由多种材料组合而成,具有复杂的力学性能,很多学者采用不同方法开展研究.LI等[7]通过弯曲和拉伸性能试验对PVC复合墙体开展研究,发现墙体具有较好的承载力、抗剪能力.吴香国等[8]分析了高性能复合夹芯墙板应用研究进展,提出了一种基于超高性能混凝土的高耐久复合墙板设计概念.YUE等[9]通过改变框架梁、柱的截面尺寸,研究了多榀框架在荷载作用下的力学性能,发现框架截面刚度对力学性能影响较为显著.肖力光等[10]对秸秆夹芯复合墙板的抗风承载力进行了数值模拟,分析了不同厚度墙板对其抗风承载力的影响,发现增加墙板厚度及改变钢丝布置方式均能提高其抗风承载能力.WANG等[11]通过试验和有限元模型研究组合剪力墙的力学特性、抗震性能,发现螺栓间距、混凝土盖板间距对墙体的力学性能影响较为显著.

鉴于此,本文开展粮食侧压力作用下不同参数对“结构-隔热”一体化墙体挠度、应力等力学性能的影响因素分析,采用ABAQUS有限元软件,研究连接件的直径、间距、内外叶墙厚度和保温板厚度对“结构-隔热”一体化墙体在粮食侧压力作用下的力学性能影响,确定显著参数,对实际结构在工程应用中的设计及优化提供参考.

1 “结构-隔热”一体化墙体有限元模型

1.1 粮食荷载

“结构-隔热”一体化墙体承受的荷载有粮食荷载产生的水平侧压力、风荷载、墙体结构自重、粮食与墙体产生的竖向摩擦力和屋面传来的荷载作用.结构自重、竖向摩擦力及屋面传来的荷载均为竖直方向,对结构受弯影响极小;粮食侧压力和风荷载为水平方向,但风荷载影响较小,故研究结构受弯承载时,根据《粮食平房仓设计规范》[12]仅考虑粮食侧压力作用.如附录图S1所示,规范中规定散装粮食对墙体的水平侧压强Ph=kγs,其中,k为平堆时粮食侧压强系数,小麦取0.356 2;γ为粮食重力密度,取8 kN/m3;s为粮食顶面至计算截面的距离.

1.2 建立模型

以某粮库传统平房仓为原型设计,采用“结构-隔热”一体化墙体,装粮线高度s=7.2 m,墙体截面为3 600 mm×7 200 mm,连接件布置如图2(a)所示.墙体水平方向剖面图如图2(b)所示,竖直方向仅连接间距不同,其余均相同.

构件有限元模型均采用实体单元,采用绑定约束,边界条件设为约束4边x、y、z方向位移.内外叶墙混凝土选用C3D20R单元,连接件选用C3D10R单元,钢筋选用T3D2单元[13],有限元模型见附录图S2.连接件的直径和间距、墙体厚度及保温板厚度均为变量,仅加载粮食侧压力作用,研究参数变量对墙体力学性能的影响.本构关系采用混凝土DP模型[14-15],取C30混凝土单轴抗拉、抗压强度标准值为抗拉、抗压强度[16],根据《混凝土结构设计规范》[17]取单轴应力应变关系.

1.3 设计分析工况

定义连接件直径、间距、内外叶墙厚度及保温板厚度为设计变量,如表1所示.通过有限元模拟,计算不同工况下结构的挠度、Mises应力压强,并分析各工况下参数的变化对其的影响规律,确定显著参数.

表1 试件设计工况表Tab. 1 Specimen design condition mm

2 “结构-隔热”一体化墙体力学性能影响因素计算及分析

2.1 连接件直径的影响

连接件的刚度与墙体的组合性质有关[4],而复合墙体的组合特性恰是影响其力学性能的关键因素[18].如表1所示,工况1设计5组试件代号分别为DW1～5.其中这5组试件仅连接件直径有所区别,其余参数相同.内外叶墙厚度分别为150 mm、50 mm,连接件水平、竖直方向间距分别为400 mm、480 mm,保温板的厚度为70 mm.

根据有限元模拟结果,输出墙体变形云图,由于试件变形云图相似,仅以DW2为例给出云图,见附录图S3.挠度最大值出现在底部1/3处,与粮食三角荷载相符合.试件水平方向各位置的最大挠度曲线如附录图S4所示,5组试件挠度发展趋势相似,连接件直径越大则挠度越小,证明连接件直径的增大对墙体挠度有利.其中DW1与DW2变形程度基本相同,仅在跨中部位DW2的挠度值略小,表明连接件直径在6～10 mm范围内对墙体整体挠度的影响很小.DW1与DW2挠度曲线光滑,内外叶墙挠度曲线基本完全重合,表明在连接件直径相对较小时,内外叶墙单独受力,分别体现出普通受弯结构构件的特征,视为非组合墙体.而当连接件直径继续增大后,内外叶墙挠度曲线部分不重合,且曲线不光滑,连接件处挠度曲线发生小范围突变,墙体已不能体现出普通受弯构件的特征.这种现象为墙体的组合性特征.虽然现象相对较轻,但会随着连接件直径的增大而愈发明显.

试件的内外叶墙的应力云图如附录图S5所示,当连接件直径较小时,内叶墙应力云图展示出与挠度曲线相似的特征,云图整体表象较为光滑,无明显突变产生.随着连接件直径增大,应力云图中出现斑点状现象,均在连接件处,且逐渐明显,表明墙体局部发生了应力集中、突变现象.DW1外叶墙应力云图中出现了微弱的突变,随着连接件直径的增大,这种现象愈发明显.当连接件的直径较大时,斑点状已基本布满整个云图,外叶墙相比于内叶墙更明显,此时墙体已丧失了普通受弯构件的应力特征,展现出共同受力的现象,结构具有一定的组合性.

从图3(a)中可知,当连接件的直径较小时,内叶墙应力曲线光滑,无突变现象,与应力云图、挠度曲线展示出相似的特征.从整个曲线段综合来看,5组试件的应力整体分布特征类似,两端支座处应力最大.连接件直径最小的DW1试件内叶墙的应力最大,且DW2与DW1差别不大.随着连接件直径的增大,内叶墙应力逐渐减小,但局部产生突变现象.从图3(b)中可知,连接件直径相对较小的DW1与DW2试件外叶墙应力曲线变化幅度较小,且两端支座处应力最大.当连接件直径增大后,外叶墙应力分布曲线发生明显变化,不同位置处的应力值变化幅度较大,应力最大值由两端支座处转换为水平方向1/3处.由于外叶墙承担部分受力,相对较薄,内叶墙受弯时连接件发生扭曲,并且连接件直径越大刚度越大,较薄的外叶墙不能很好地约束连接件扭曲,从而产生了应力突变现象.

连接件刚度与墙体挠度曲线见附录图S6,墙体挠度随连接件刚度的增大而减小,且幅度逐渐减小.但外叶墙为约束连接件扭曲导致应力增大,出现应力集中、突变现象,从而易引起外叶墙混凝土开裂.故在考虑墙体挠度控制的同时,要尽量避免出现混凝土开裂,合理选用连接件的直径、刚度.

由此可见,连接件的直径对“结构-隔热”一体化墙体影响较为显著.墙体挠度随连接件直径的增大而减小,但出现混凝土应力集中、突变现象,综合考虑选取连接件直径为10 mm的DW2试件较合适.

2.2 连接件间距的影响

同样地,工况2设计6组试件代号分别为BW1～6.6组试件连接件水平间距不同,其余参数均相同.内外叶墙厚度分别为150 mm、50 mm,连接件的直径为10 mm,竖直方向的间距为480 mm,保温板的厚度为70 mm.

BW1～6最大挠度值对比见附录图S7,随着连接件间距的增大,墙体的挠度逐渐增大,但增大的幅度较小.在连接件间距相对较小时,内外叶墙的挠度差很小,随着连接件间距的增大,两者的挠度差逐渐增大,但幅度仍很小.BW5和BW6水平方向挠度曲线见附录图S8,其中BW5内外叶墙挠度曲线基本重合,差别不大,BW6仅小范围区域有细微不同.可见,连接件的间距对“结构-隔热”一体化墙体挠度的影响较小.

根据有限元模拟结果,试件内叶墙的应力云图无显著差别,且与DW2内叶墙的应力云图类似,仅对外叶墙进行应力分析.BW1～6外叶墙应力云图如附录图S9所示,可以看出无显著差别,间距的改变对应力的影响相对较小.试件的应力云图显示应力分布特征整体相似,但随着连接件间距的增大,逐渐出现了局部突变、应力集中现象,但仍不明显.

试件水平方向应力曲线如附录图S10所示,其中图S10(a)为连接件间距相对较小的BW1～3,图S10(b)为连接件间距相对较大的BW4～6.6组试件应力曲线变化趋势基本相同,水平方向连接件处发生小范围突变,根据各试件内外叶墙曲线对比来看,内叶墙应力受影响较小,外叶墙应力受影响较大.随着连接件间距的增大,突变现象越明显,其值也越大.

由此可见,连接件的间距对“结构-隔热”一体化墙体力学性能的影响相对较小.连接件间距越大,墙体受粮食荷载所产生挠度越大,且会产生小范围应力集中、突变现象,尤其是外叶墙,但从整体来说,影响相对较小,故综合考虑选取连接件水平间距为400 mm的DW3试件较合适.

2.3 内外叶墙厚度的影响

同样,工况3设计8组试件代号分别为HW1～8.试件仅墙厚不同,其余参数均相同.连接件直径为10 mm,连接件水平、竖直方向间距分别为400 mm、480 mm,保温板的厚度为70 mm.其中HW1～3是“结构-隔热”一体化墙体,HW4～8是单层墙体.

经有限元模拟,将HW1～3内叶墙挠度值与其厚度相同的HW6～8对比,HW1～3外叶墙挠度值与其厚度相同的HW4～6对比,如图4所示.可见,墙厚对其挠度的影响较大,墙体越厚,挠度值越小.从挠度值来看,内叶墙越厚,对结构越有利,挠度值越小,也证明直接接触粮食荷载的内叶墙承受主要荷载.HW1～3内外叶墙挠度曲线与相同厚度的单层墙体挠度曲线相差不大,最大差仅为1.33%,且曲线无明显突变,表明墙体不具备组合性,内外叶墙分别单独受力.

墙体最大位移处的水平、竖直方向上的应力曲线如图5所示,其中水平方向经过连接件,竖直方向不经过.曲线在连接件位置处出现小范围应力突变,并且对外叶墙影响相对较大,但整体影响较小,且应力稍小于与外叶墙相同厚度的单层墙体的应力.当内外叶墙厚相同时,两端支座处内叶墙应力稍大于外叶墙,但跨中部位外叶墙应力稍大,这是由于连接件扭曲对外叶墙影响更大.

如图6所示,在3个试件中,HW3连接件扭曲最严重,应力集中现象对墙体产生危害,结合挠度曲线进一步证明“结构-隔热”一体化墙体内叶墙更厚对结构更有利的结论.故综合考虑选取内外叶墙厚度分别为150 mm、50 mm的HW1试件较合适.

2.4 保温板厚度的影响

同样,工况4设计4组试件代号分别为XW1～4.4组试件仅保温板厚度不同,其余参数均相同.内外叶墙厚度分别为150 mm、50 mm,连接件直径为10 mm,连接件水平、竖直方向间距为400 mm、480 mm.保温板为聚苯乙烯材料,不参与受力,只起保温隔热作用,故本模拟中保温板厚度的改变代表内外叶墙之间间距的改变.

4组试件内外叶墙挠度最大值对比如图S11所示,可见,内外叶墙挠度随保温板厚度的增大而逐渐增加,但幅度很小,内外叶墙之间的挠度差逐渐加大,但差值仍很小.这是由于保温板的厚度越大,连接件的长度越长,使其刚度降低,但并没有改变墙体的受力形式,墙体不具备组合特征,为普通受弯墙体构件的受力状态.四组试件的水平方向应力曲线见图S12.从整体来看,内外叶墙曲线基本重合,保温板厚度越大,墙体应力越大,但在保温板厚度较小时,其值的增加对应力的改变较小,当保温板厚度较大时,其值的增加对应力的改变略微增大,但整体影响仍较小.所有应力曲线均较为光滑,仅在连接件处出现小范围突变现象,外叶墙应力突变现象相对较为明显.

由此可见,保温板的厚度对“结构-隔热”一体化墙体力学性能的影响较小.保温板厚度越大,墙体整体挠度越大,应力越大,出现小范围应力突变现象,但整体影响较小.本文仅考虑力学性能认为选取保温板厚度为70 mm的XW2试件较合适.工程设计中,在满足当地对粮食储藏保温隔热性能要求的条件下,尽量设计较薄的保温板厚度,既能有较好的力学性能,又达到节约成本的目的.

3 结 论

为研究连接件的直径、间距、内外叶墙厚度及保温板厚度对“结构-隔热”一体化墙体力学性能的影响,本文通过有限元软件对其模拟分析,得到以下结论:

1)连接件的直径对“结构-隔热”一体化墙体影响较为显著,连接件的直径越大,墙体挠度越小,但出现混凝土应力集中、突变现象.连接件的间距对“结构-隔热”一体化墙体力学性能的影响相对较小.连接件间距越大,墙体挠度越大,对外叶墙产生小范围应力集中、突变现象,总体影响较小.连接件成本较高,单纯地通过增大连接件的直径、刚度来改善墙体的受弯性能不够经济,连接件间距的增大意味着总体数量减小、成本更小,故在设计连接件直径和间距时,需综合考虑力学性能和经济的平衡性,合理设计连接件的直径、间距.根据本文设计试件,建议选取连接件直径与水平间距分别为10 mm、400 mm.

2)墙厚对其挠度的影响较为显著,墙体越厚,挠度值越小.连接件处外叶墙出现应力集中、突变现象.内外叶墙分别单独受力,内叶墙在一定范围内越厚对结构越有利,连接件扭曲越小.根据本文设计试件,建议选取内外叶墙厚度分别为150 mm、50 mm.

3)在常用的使用范围内,保温板的厚度对墙体力学性能的影响较小.保温板越厚,墙体挠度越大,应力越大,并且出现应力突变现象.在满足保温隔热性能的前提下,应尽量设计较薄的保温板厚度.根据本文设计试件,建议选取保温板厚度为70 mm.

附录见电子版(DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.06.21.0002).