地下糧倉(cāng)鋼板-混凝土組合倉(cāng)壁節(jié)點(diǎn)抗彎性能有限元分析

孟慶婷 張 昊

河南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院（450001）

0 引言

地下糧倉(cāng)因其低溫、節(jié)地、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被視為一種理想倉(cāng)型[1]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究[2-4]，但在地下水位較高的復(fù)雜地質(zhì)條件下建設(shè)地下糧倉(cāng)時(shí)，仍存在基坑開(kāi)挖、支護(hù)降水、濕作業(yè)工作量大，施工周期長(zhǎng)，污染環(huán)境等問(wèn)題。為了推動(dòng)裝配式地下糧倉(cāng)發(fā)展，文章針對(duì)以上問(wèn)題提出一種裝配式鋼板-混凝土組合節(jié)點(diǎn)體系，如圖1 所示，它是采用鋼板作為內(nèi)襯材料，混凝土與內(nèi)側(cè)鋼板通過(guò)栓釘連接，倉(cāng)壁預(yù)制塊與工字鋼、傳力鋼板和防水鋼板通過(guò)焊接而形成的整體，既能防水又能承受土壓力。

我國(guó)裝配式地下結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在盾構(gòu)隧道、車(chē)站等工程中[5-8]，在地下糧倉(cāng)工程中的應(yīng)用較少。節(jié)點(diǎn)是裝配式結(jié)構(gòu)的薄弱部位，關(guān)系到裝配式地下糧倉(cāng)的承載能力和穩(wěn)定性。為探究鋼板-混凝土組合節(jié)點(diǎn)的受力性能，利用有限元軟件ABAQUS 建立了3 個(gè)組合節(jié)點(diǎn)模型，模型1 帶有2 個(gè)傳力鋼板，模型2 帶有3 個(gè)傳力鋼板，模型3 帶有4 個(gè)傳力鋼板；對(duì)組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗彎性能模擬。

圖1 構(gòu)件示意圖

1 模型建立

1.1 創(chuàng)建部件

根據(jù)U型鋼板、工字鋼、傳力鋼板、防水鋼板、混凝土、內(nèi)側(cè)鋼板的實(shí)際尺寸創(chuàng)建部件。

1.2 材料屬性

模擬采用兩種不同性質(zhì)的材料，分別為混凝土和鋼板；根據(jù)兩種材料的彈性、塑性參數(shù)創(chuàng)建屬性，并將屬性賦予各個(gè)部件。

1.3 裝配

將帶有材料屬性的部件按照構(gòu)件形式進(jìn)行裝配，使其成為一個(gè)完整的裝配式鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

1.4 邊界條件和荷載

模型的邊界條件參照簡(jiǎn)支梁的支撐形式，構(gòu)件左邊控制x、y、z 方向的位移，右邊控制y 向的位移。荷載施加在混凝土面上，加載方式為Pressure，逐級(jí)加載，幅值為50 kN，如圖2 所示。

圖2 模型加載示意圖

1.5 網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格模塊，對(duì)各個(gè)部件種下種子，劃分網(wǎng)格，單元形狀選用六面體。由于模型的節(jié)點(diǎn)是關(guān)鍵部位，因此節(jié)點(diǎn)附近的網(wǎng)格可以適當(dāng)加密。在確保精確度的前提下，遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)的位置可以適當(dāng)減小網(wǎng)格密度，以便減小計(jì)算難度。

2 結(jié)果分析

2.1 彎矩-位移曲線

模型建立完成后提交作業(yè)進(jìn)行分析，然后點(diǎn)擊結(jié)果，進(jìn)入視圖化模塊，取節(jié)點(diǎn)跨中處，查看其位移隨荷載增大的變化情況。由于模型中施加的荷載為Pressure，因此處理數(shù)據(jù)時(shí)，要將荷載換算成節(jié)點(diǎn)跨中處的彎矩值。三個(gè)抗彎模型節(jié)點(diǎn)跨中處測(cè)點(diǎn)的彎矩-位移曲線如圖3 所示。

由圖3 可以看出，模型1 在初期加載時(shí)的彎矩和位移呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，在彎矩值約為200 kN·m時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)，接著繼續(xù)加壓，兩者還是線性關(guān)系，但變化速度較加載初期緩慢，當(dāng)彎矩值為225 kN·m 左右時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，由此可知，模型1 的最大彎矩值約為225 kN·m，節(jié)點(diǎn)處最大位移約為1.4 mm；模型2 的彎矩-位移曲線變化與模型1較為相似，加載初期兩條曲線重合，曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)后，模型2 的曲線變化速度快于模型1，直至彎矩值約為250 kN·m 時(shí)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，由此可知，模型2 的最大彎矩值約為250 kN·m，節(jié)點(diǎn)處最大位移約為1.6 mm；模型3 的彎矩-位移曲線在加載前期一直為線性增長(zhǎng)，在彎矩值約為275 kN·m 時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，可認(rèn)為模型3 的最大彎矩值約為275 kN·m，節(jié)點(diǎn)處最大位移約為3.25 mm。

2.2 傳力鋼板個(gè)數(shù)與節(jié)點(diǎn)承載力的關(guān)系式

由圖3 可知，模型1、模型 2、模型 3 的最大彎矩值分別為 225 kN·m、250 kN·m、275 kN·m。根據(jù)彎矩值-傳力鋼板個(gè)數(shù)曲線擬合出的函數(shù)關(guān)系式為:y=25x+175，其中，x 為傳力鋼板個(gè)數(shù)，y 為彎矩值。擬合曲線如圖4 所示。

3 結(jié)論

文章以某地下糧倉(cāng)為研究背景，利用有限元軟件ABAQUS 建立了3 個(gè)組合節(jié)點(diǎn)模型，對(duì)裝配式鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，旨在為裝配式地下糧倉(cāng)的設(shè)計(jì)提供參考。結(jié)果表明，模型1 能承受的最大彎矩值約為225 kN·m，模型2 能承受的最大彎矩值約為250 kN·m，模型3 能承受的最大彎矩值約為275 kN·m；在加載的過(guò)程中，三個(gè)模型的彎矩-位移曲線變化趨勢(shì)基本一致，都經(jīng)歷了彈性→塑性→屈服的階段；傳力鋼板個(gè)數(shù)與節(jié)點(diǎn)承載力的關(guān)系式為:y=25x+175。

圖4 承載力與傳力鋼板個(gè)數(shù)擬合曲線