喬浩樂 丁永剛 邵 浩

(河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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傳統(tǒng)房式糧倉和密肋房式糧倉墻板有限元對比分析★

喬浩樂 丁永剛 邵 浩

(河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001)

采用通用有限元分析軟件ABAQUS，建立了傳統(tǒng)房式糧倉墻板和密肋房式糧倉墻板非線性有限元模型，通過數(shù)值模擬，得到了在糧食荷載作用下兩種不同結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)力分布與變形情況，指出在糧食荷載作用下密肋復(fù)合墻板中各個構(gòu)件相互約束、協(xié)同工作，具有較好的組合作用，整個墻體受力性能好，各個材料性能得到了充分利用。

傳統(tǒng)砌體磚墻，密肋復(fù)合墻板，有限元分析

0 引言

傳統(tǒng)房式糧倉中的墻體多為粘土磚砌體結(jié)構(gòu)，墻體的厚度主要由裝糧高度決定，雖然該墻體結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用最為廣泛，但存在自重大，施工勞動量大，抗震性能差等缺點(diǎn)。密肋房式糧倉墻體主要由密肋復(fù)合墻板與邊框柱、連接柱及暗梁組合而成，密肋復(fù)合墻板由密布的肋梁、肋柱及內(nèi)嵌填充砌塊組成，研究表明[1]密肋復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)具有自重較輕，抗震性能好，施工速度快，經(jīng)濟(jì)效益及社會效益明顯等優(yōu)點(diǎn)。本文采用ABAQUS有限元分析軟件對兩種不同結(jié)構(gòu)形式的墻體進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對其分析結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 墻板模型介紹

1.1 傳統(tǒng)房式糧倉墻板模型

圖1為傳統(tǒng)房式糧倉墻體模型尺寸示意圖，燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級為MU10，水泥砂漿強(qiáng)度等級為M5，墻體平面尺寸為3.75 m×3.55 m，厚度為370 mm，其中圈梁尺寸為200 mm×370 mm，構(gòu)造柱尺寸為300 mm×370 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，縱向鋼筋和箍筋均采用HRB400級。

1.2 密肋房式糧倉墻板模型

圖2為密肋房式糧倉墻體模型尺寸示意圖，平面尺寸為3.75 m×3.55 m，厚度為300 mm，邊肋梁為200 mm×300 mm，邊肋柱為300 mm×300 mm；其他肋梁和肋柱的尺寸均為150 mm×300 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，縱向鋼筋和箍筋均采用HRB400級。

2 有限元分析模型的建立

由于傳統(tǒng)砌體磚墻和密肋復(fù)合墻板均由三種材料組成，其受力性能、構(gòu)造處理和連接方式等均比較復(fù)雜，為了使模型便于分析，減少計(jì)算時間，本文假定墻體中肋格和填充砌塊之間、磚砌體和外框架之間、鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能良好，認(rèn)為它們之間完全固結(jié)。

2.1 材料性能及本構(gòu)關(guān)系

1)粘土磚。本文設(shè)計(jì)模型采用的磚砌體是由燒結(jié)粘土磚和水泥砂漿構(gòu)成，取磚砌體質(zhì)量密度為1 900 kg/m3。根據(jù)燒結(jié)粘土磚和砂漿的強(qiáng)度及其相關(guān)參數(shù)[2]得到磚砌體的彈性模量E=5 342 MPa，泊松比v=0.17。

楊衛(wèi)忠基于彈性損傷應(yīng)力—應(yīng)變模型，得到砌體的損傷單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，本文采用此模型確定砌體受壓本構(gòu)參數(shù)，見式(1)。

(1)

其中，η取1.633；fm為砌體軸心受壓強(qiáng)度平均值；εm為fm對應(yīng)的應(yīng)變。

本文采用鄭妮娜[4]簡化的砌體受拉應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，在屈服階段以前按直線計(jì)算，簡化曲線方程如下：

(2)

本文采用該方程式來確定砌體受拉本構(gòu)參數(shù)。

2)蒸壓粉煤灰砌塊。設(shè)定蒸壓粉煤灰砌塊質(zhì)量密度為700 kg/m3，根據(jù)蒸壓粉煤灰砌塊的強(qiáng)度及其相關(guān)參數(shù)[2]得到該砌塊的彈性模量E=3 868 MPa，泊松比v=0.2，根據(jù)上述砌體本構(gòu)關(guān)系公式可計(jì)算出蒸壓粉煤灰砌塊受壓和受拉本構(gòu)參數(shù)。

3)混凝土。設(shè)兩種房式糧倉墻體中的混凝土強(qiáng)度等級均為C30，取混凝土質(zhì)量密度為2 500 kg/m3。取混凝土的彈性模量Ec=3.0×104N/mm2，泊松比vc=0.2。同時由規(guī)范[5]提供的混凝土受拉和受壓本構(gòu)關(guān)系，可得混凝土受壓和受拉本構(gòu)參數(shù)。

4)鋼筋。有限元模型中肋格和外框架選用HRB400鋼筋作為受力筋，其質(zhì)量密度取7 800 kg/m3，彈性模量取2×105MPa，泊松比為0.3。

2.2 約束條件及加載方式

對于兩個墻板模型，整個模型四邊的邊界條件均采用完全固定約束，而蒸壓粉煤灰砌塊與肋格、磚砌體與外框架之間的約束設(shè)置為綁定約束，鋼筋則釆用Embeded region的方法嵌入模型中。

由文獻(xiàn)[6]可知糧食荷載作用于房式糧倉墻板上時，應(yīng)力分布圖呈三角形，本次設(shè)計(jì)房式糧倉原型裝糧高度取6 m，而兩個有限元墻板模型高度設(shè)計(jì)為3.4 m，因此可以將施加在墻板上的荷載按照梯形來分布，荷載類型選擇面荷載，荷載值從上至下依次增大。

3 有限元結(jié)果分析

圖3，圖4分別為兩種墻板模型Mises應(yīng)力云圖，圖5，圖6分別為兩種墻板模型的變形云圖。

從圖3，圖4對比可知，在相同邊界條件以及荷載作用下，密肋復(fù)合墻板所承受的最大應(yīng)力值要比傳統(tǒng)砌體磚墻的大。其中密肋復(fù)合墻板的最大應(yīng)力主要集中在靠近板中心位置的肋格上，荷載主要由肋格承擔(dān)，邊肋梁和邊肋柱承擔(dān)荷載值較小，而傳統(tǒng)砌體磚墻則不同，其最大應(yīng)力主要集中出現(xiàn)在外框架上。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要有：1)各材料彈性模量相差較大，在相同變形條件下，材料的彈性模量越大其所承擔(dān)的應(yīng)力值越大；2)兩種墻板的結(jié)構(gòu)體系不同，與傳統(tǒng)砌體磚墻相比，密肋復(fù)合墻板內(nèi)部肋格間距小且分布均勻，其墻體自身可承擔(dān)大部分荷載。

從圖5,圖6對比可知，兩種墻板的整體結(jié)構(gòu)變形趨勢是相似的，最大變形部位均出現(xiàn)在構(gòu)件的幾何中心處，密肋房式糧倉墻體的最大變形值為0.119 mm，傳統(tǒng)平房倉墻體的最大變形值為0.128 mm。而模型中傳統(tǒng)砌體磚墻的厚度要比密肋復(fù)合墻板的厚度大70 mm，但密肋復(fù)合墻板的最大變形值要小于傳統(tǒng)砌體磚墻。影響墻板撓度變形的主要因素為墻板的剛度，對比兩種不同類型的墻板結(jié)構(gòu)形式，密肋復(fù)合墻板是由砌體和混凝土兩種材料構(gòu)成，隨著糧倉結(jié)構(gòu)跨度增大，密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)的剛度就會比同等體積的粘土磚砌體大得多，所以與傳統(tǒng)平房倉墻體相比，密肋房式糧倉對于大跨度的平房倉建筑有更多的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

通過對有限元結(jié)果對比分析可知，在糧食荷載作用下，密肋復(fù)合墻板中砌塊與肋格之間相互約束，協(xié)同工作，具有較好的組合作用。與傳統(tǒng)平房倉墻體相比，密肋復(fù)合墻板受力更加均勻，整體受力性能更好，各個材料性能更能得到充分利用。

[1] 姚謙峰,黃 煒,田 潔,等.密肋復(fù)合墻體受力機(jī)理及抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2004(6)：88-89.

[2] 劉桂秋,施楚賢.砌體彈性模量的研究[A].砌體結(jié)構(gòu)理論與新型墻材應(yīng)用[C].中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會砌體結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會,2007:3.

[3] 李英民,韓 軍,劉立平.ANSYS在砌體結(jié)構(gòu)非線性有限元分析中的應(yīng)用研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2006(5):90-96，105.

[4] 鄭妮娜.裝配式構(gòu)造柱約束砌體結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].重慶：重慶大學(xué),2010.

[5] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] 王振清.糧倉建筑基本理論與設(shè)計(jì)[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社,2015.

[7] 潘曉明,孔 娟,楊 釗,等.統(tǒng)一彈塑性本構(gòu)模型在ABAQUS中的開發(fā)與應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2010(4):1092-1098.

[8] 安春輝.密肋房式糧倉在糧食側(cè)壓力作用下承力機(jī)理分析[D].鄭州：河南工業(yè)大學(xué),2015.

On finite element comparison analysis of barn wall slabs of traditional house style barns and dense rib house-style barns★

Qiao Haole Ding Yonggang Shao Hao

(CollegeofArchitecture,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450001,China)

The paper established respectively nonlinear finite element models to analyze the traditional warehouse wall and multi-ribbed warehouse wall by using the finite element analysis software ABAQUS, and got the internal force distribution and deformation of two different structure forms under grain load though the numerical simulation. Point out under grain load, each component of multi-ribbed composite wall can restrict each other and work together. The whole wall has a good combination of action and the prosperity of each material has been fully utilized.

traditional warehouse wall, multi-ribbed composite wall, finite element analysis

1009-6825(2016)16-0021-03

2016-03-23★：國家自然科學(xué)基金：新型密肋房式糧倉結(jié)構(gòu)散體物料側(cè)壓力承壓機(jī)理研究(項(xiàng)目編號：51208180)

喬浩樂(1989- )，男，在讀碩士

TU311.41

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