趙可昕，楊永民

（1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510225；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510225；3.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 建筑節(jié)能可持續(xù)發(fā)展研究所，廣東 廣州 510225）

0 引 言

在城市進行施工時，為了維護城市容貌，同時阻止市民進入施工現(xiàn)場影響施工及保護市民安全，施工現(xiàn)場都會設(shè)置圍墻進行圍閉[1-3]。常見的圍閉方式根據(jù)工期的長短及施工條件可分為磚砌圍墻、PVC 圍擋、彩鋼圍擋、泡沫夾芯板圍檔等[4-9]?，F(xiàn)有的施工圍墻往往只起到圍閉隔離的作用，而且外觀單調(diào)，影響城市的整體容貌。隨著城市的發(fā)展，人民對生活環(huán)境的要求越來越高，有人提出在圍墻上種植花卉植物，提高城市綠化面積[10-12]。

本文根據(jù)生態(tài)圍墻的結(jié)構(gòu)和功能，將圍墻設(shè)計成不同類型的構(gòu)件，采用裝配的方式進行組合。生態(tài)圍墻的各構(gòu)件主體由陶粒生態(tài)混凝土制作而成，具有足夠的強度與耐久性，可長期使用，而且通過構(gòu)件的拆裝，可對生態(tài)圍墻實行整體移除、搬運，實現(xiàn)生態(tài)圍墻的循環(huán)使用，一方面，不會產(chǎn)生建筑垃圾；另一方面，可節(jié)約成本。同時生態(tài)圍墻上的植物是直接種植生長在主體構(gòu)件上的，不需要另外安裝用于植物植或擺放的支架，拆裝搬運時可以直接跟隨構(gòu)件一同進行，再次應(yīng)用時也基本不需要重復(fù)栽種。

1 裝配式陶粒生態(tài)圍擋板的設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

高度：一般路段的圍擋高度不得低于1.8 m，市區(qū)主要路段的圍擋高度不得低于2.5 m?？癸L(fēng)穩(wěn)定性：不低于0.95 kPa。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與說明

裝配式陶粒生態(tài)圍擋結(jié)構(gòu)由主體結(jié)構(gòu)、灌溉系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、照明系統(tǒng)組成。主體結(jié)構(gòu)由墻體基座、種植墻體構(gòu)件、立柱、頂蓋拼裝組合而成。種植墻體構(gòu)件是由陶粒生態(tài)混凝土澆筑而成的多孔板體，構(gòu)件兩側(cè)面各設(shè)有一列突起柱體，突起柱體長50 mm，寬50 mm，高比構(gòu)件高度從兩端各小8～10 cm，安裝時與立柱嵌套；種植墻體構(gòu)件的正面均布有植物種植孔，植物種植孔深入構(gòu)件；植物種植孔傾斜向下，與構(gòu)件正面呈約60°夾角，植物種植孔為直徑不小于30 mm 的圓孔或面積相當(dāng)?shù)钠渌螤畹目锥础?/p>

1.3 陶粒生態(tài)圍擋板結(jié)構(gòu)有限元分析

陶粒生態(tài)圍擋墻體作為整個結(jié)構(gòu)中迎風(fēng)面積最大的構(gòu)件，也是主要承受風(fēng)壓的構(gòu)件，而且由于采用的是輕質(zhì)陶?；炷?，也是整個結(jié)構(gòu)中強度最低的部位，其結(jié)構(gòu)承受能力是否達標(biāo)是整個生態(tài)圍墻中關(guān)鍵，為此結(jié)合陶粒生態(tài)混凝土的性能特點，對生態(tài)圍擋體進行ABAQUS 有限元分析，以驗算生態(tài)圍擋墻體的結(jié)構(gòu)承載能力能否滿足要求。

1.3.1 計算工況及邊界條件

計算的結(jié)構(gòu)為陶?；炷翂?，開有多孔，實體模型如圖1所示，幾何尺寸如圖2 所示。陶?；炷翂κ艿斤L(fēng)壓荷載為0.95 kPa，在計算分析中，邊界條件假定為：陶?；炷翂偷孛婀探?。

圖1 陶粒混凝土墻板

圖2 陶?；炷翂Π鍢?gòu)件尺寸

1.3.2 材料參數(shù)及單元劃分

成型制備了3 組陶粒生態(tài)混凝土，平均抗壓強度為7.1 MPa，平均抗折強度為2.7 MPa。彈性模量取20.0 GPa、泊松比取0.23[13-14]，受壓及受拉本構(gòu)模型[14]按式（1）進行。

計算中混凝土采用C3D10 實體TET 單元，典型單元網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 計算單元網(wǎng)格劃分

1.3.3 風(fēng)荷載計算

施加風(fēng)荷載0.95 kPa 的計算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 陶粒生態(tài)混凝土圍擋板強度驗算

從圖4 可以看出，陶?；炷翂Φ淖畲笾鲬?yīng)力（拉應(yīng)力）為0.083 MPa，小于陶?；炷恋目估瓘姸龋ㄒ钥箟簭姸鹊?/8，約0.890 MPa 來估計），符合強度的要求，整個構(gòu)件處于彈性狀態(tài)，且均未達到陶?；炷恋目估瓘姸?。

1.3.4 撓度驗算（見圖5）

從圖5 可以看出，陶?；炷翂Φ淖畲髠?cè)向位移為0.04823 mm，陶粒混凝土墻的懸臂長度為750 mm，則計算長度l0=1500 mm（不大于7 m），驗算符合GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于受彎構(gòu)件撓度的規(guī)定（普通構(gòu)件≤l0/200=3.75 mm，重要構(gòu)件≤l0/250=3.00 mm）。

圖5 陶粒生態(tài)混凝土圍擋板撓度驗算

2 陶粒生態(tài)圍擋板結(jié)構(gòu)試驗及分析

2.1 陶粒生態(tài)圍擋板制備

按照前節(jié)設(shè)計的結(jié)構(gòu)，制作了3 塊陶粒生態(tài)圍擋板，生態(tài)圍擋板長1500 mm，高750 mm，厚150 mm，所用陶粒為600級，筒壓強度為6.5 MPa，采用P·O42.5R 級水泥，骨料采用粒徑10～16 mm 的單粒級陶粒，表觀密度為0.51 g/cm3，以礦粉、硅灰混合而成的生態(tài)混凝土專用摻合料，采用普通自來水。以水膠比0.28，設(shè)計孔隙率20%，制作時所用陶粒生態(tài)混凝土強度為5.5 MPa。采用自落式攪拌機進行生態(tài)混凝土的制作，往攪拌機中加料，加料順序為陶粒+水泥+摻合料，空攪拌30 s，然后緩慢加入水，攪拌180 s，卸料，人工稍加拌和，分層裝入模具中，每層入料后，用搗棒壓實，最后用抹子將多余的混凝土刮去，并對端部進行精加工，自然養(yǎng)護24 h 后脫模，用抹灰砂漿對生態(tài)圍擋板前后兩表面進行抹面，澆水養(yǎng)護7 d 后，進行植物栽種，見圖6。

圖6 陶粒生態(tài)混凝土圍擋板

2.2 試驗設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，陶粒生態(tài)圍擋板需要承受不低于0.95 kPa的風(fēng)載荷，為方便試驗，試驗簡化為對構(gòu)件施加均布載荷，試驗陶粒生態(tài)圍擋板的承載極限。試驗方案設(shè)計參照GB 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》及GB 50010—2010。

試驗方法如下：試驗時將生態(tài)圍擋構(gòu)件平放，下方兩端放置兩鋼錕作為支點，鋼錕與生態(tài)圍擋邊緣相距100 mm，然后通過在構(gòu)件平臺上均勻放置砝碼或重物施加壓力，使得構(gòu)件能均勻受力。

參照GB 50152—2012，加載時應(yīng)符合以下要求：（1）在達到使用狀態(tài)試驗荷載值（Qs）前，每級加載不宜大于0.20Qs；超過Qs后，每級加載值不宜大于0.1Qs；（2）接近開裂荷載計算值Qc時，每級加載值不宜大于0.05Qs；試樣開裂后，每級加載值取0.1Qs；（3）加載到承載能力極限狀態(tài)的試驗階段時，每級加載值不應(yīng)大于承載力動態(tài)荷載設(shè)計值Qd的0.05 倍；（4）每級加載完成后的持荷時間不少于5～10 min；（5）每級加壓后觀察疏散平臺構(gòu)件是否出現(xiàn)裂紋，待存在以下情況之一應(yīng)停止加載：①出現(xiàn)試驗標(biāo)志（裂紋出現(xiàn)且寬度大于0.2 mm）時；②加壓級別達到動態(tài)荷載設(shè)計值Qd；（6）卸載時，每級卸載值不宜大于承載力試驗荷載值的40%。

分級加載時，試驗荷載的實測值按以下原則確定：（1）在持荷時間完成后出現(xiàn)試驗標(biāo)志時，取該級荷載值作為試驗荷載實測值；（2）在加載過程中出現(xiàn)試驗標(biāo)志時，取前一級荷載值作為試驗荷載實測值；（3）在持荷過程中出現(xiàn)試驗標(biāo)志時，取該級荷載和前一級荷載的平均值作為試驗荷載實測值。

2.3 承載能力試驗

按陶粒生態(tài)圍擋板尺寸及承載要求，生態(tài)圍擋需承受0.95 kPa 均布載荷，換算成加載力為0.95 kPa×1.5 m×0.75 m=1.07 kN，約107 kg，即塊均布極限載重不低于107 kg。試驗的荷載分級及試驗情況如表1 所示。

表1 試驗荷載分級及結(jié)果

從表1 可以看出，生態(tài)圍擋板在承載0.95 kPa 的均布荷載下，其結(jié)構(gòu)仍保持完整，無裂紋出現(xiàn)，說明生態(tài)圍擋板具有足夠的結(jié)構(gòu)強度抗抵風(fēng)載。

在達到設(shè)計荷載后，繼續(xù)加試生態(tài)圍擋板進行均布加載，檢測其極限載荷能力，試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 陶粒生態(tài)混凝土圍擋板極限載荷

從表2 可以看出，生態(tài)圍擋板的承載力可達到5.52 kN，遠遠大于抵抗風(fēng)載的設(shè)計要求。與前節(jié)中有限元分析的結(jié)果對比，計算得到生態(tài)圍擋板在風(fēng)載作用下所產(chǎn)生的拉應(yīng)力遠低于構(gòu)件自身的極限拉應(yīng)力結(jié)果相一致。

3 結(jié) 論

（1）設(shè)計了陶粒生態(tài)混凝土澆筑而成的多孔板體作為裝配式生態(tài)圍擋的種植墻體構(gòu)件，種植墻體構(gòu)件的正面均布有植物種植孔，植物種植孔深入構(gòu)件。

（2）通過ABAQUS 有限元軟件對風(fēng)荷載作用下的陶粒生態(tài)圍擋板的風(fēng)荷載和撓度進行了計算分析，陶?；炷翂Φ淖畲笾鲬?yīng)力（拉應(yīng)力）為0.083 MPa，小于陶?；炷恋目估瓘姸龋蠌姸鹊囊?。陶?；炷翂Φ淖畲髠?cè)向位移分別為0.04823 mm，陶?；炷翂Φ膽冶坶L度為750 mm，則計算長度l0=1500 mm 不大于7 m，符合規(guī)范中關(guān)于受彎構(gòu)件撓度的規(guī)定。

（3）制作了3 塊陶粒生態(tài)圍擋板進行結(jié)構(gòu)試驗，生態(tài)圍擋板在承載0.950 kPa 的均布荷載下，其結(jié)構(gòu)仍保持完整，無裂紋出現(xiàn)，具有足夠的結(jié)構(gòu)強度抗抵風(fēng)荷載。陶粒生態(tài)圍擋板的承載力可達到5.52 kN，遠遠大于抵抗風(fēng)荷載的設(shè)計要求，與有限元分析的結(jié)果相一致。