桂淳希 占雪芳 宁亚林 胡浩林 胡煜颉 刘亚莉

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

0 引言

混凝土是土木工程中用量最大、用途最广泛的一种建筑材料，混凝土抗压强度高，但抗拉强度很低。为了增加混凝土的抗拉强度，法国约瑟夫·莫尼尔(Joseph Monier)于1849年通过在混凝土中加入钢筋与之共同工作来改善混凝土力学性质，发明了钢筋混凝土。但由于钢筋混凝土具有自重大，跨度小，消耗大的缺点，随着建筑物使用功能日益提高的需求,要求大跨度、大荷载、大开间、隔墙可以任意分隔结构体系,现浇空心楼板结构在这种背景下诞生。现浇空心楼盖技术的新兴更新了传统的理念,最大限度地降低了生产、运输及施工的劳动强度,大大提高了生产效率,降低了能耗。

1 概述

国外对于空心楼板研究较早，空心板是由井式板演变而来的，它起源于德国，由前联邦德国工程师MULLER Leopold首先提出，当时被称为“B-Z体系”，源自德文的蜂巢式混凝土空心楼板[1，2]。G. Franz教授对这种板进行了试验研究，提出了在静力荷载作用下采用刚度等效的无梁楼盖计算法[3]。空心板填充塑料球的设计原理取自于工业生产的塑料球形体，这些球体和限位钢筋结合在一起与混凝土一起浇筑形成混凝土塑料球填充板,如图1所示。这种板在结构受力上可以类比传统空心板，受力简单，传力明确。AG Cobiax Technologies[4]对填充塑料球现浇空心板进行研究，并于2006年获得了Cobiax空心板技术专利。混凝土塑料填充结构板是一种对环境无害的可持续性材料，在空心板内插入塑料球对生态有益的技术，有毒的环境污染物排放量将减少20%且初级能源需求仅为22%，同时也有利于创建可持续发展的房地产业[5]。

从生态学和环保学的角度来考虑，在一幢建筑的整个使用周期内，最大的能源消耗就是建筑材料，尤其是混凝土天花板，它是迄今为止建筑物中最大的能源消耗者，因此混凝土塑料球填充板的研发很大意义上节约了资源和能源。填充球空心板产品是由100%回收塑料制造而成，通过环保处理能够方便拆除并进行回收利用，且使用此项技术材料将节省达到35%。天花板负载的填充球空心板技术相比于昂贵、繁重的环保建材存在众多优势，比如：很大程度地减轻了天花板的重量，优化了建筑的整个建筑结构，这不仅节约了材料和成本，还对生态有一定的保护，能够减少建筑垃圾的生成[6]。但是现有国内的空心楼板没有球形模盒，因此本项目采用大型分析软件ANSYS研究对楼板中加入具有形变能力的塑料球的新型混凝土塑料填充结构板进行静力分析。

2 模型概述

2.1 模型建立

以工程中应用的混凝土塑料球填充单向板为例，其尺寸为5 m×1.9 m×0.023 m。塑料球采用的泊松比为0.38的高密度聚氯乙烯塑料材料。内部塑料球球体直径为180 mm，沿纵向和横向不等量布置，形成27×10的单层球体方阵，球沿纵向和横向间距分别为6 mm与10 mm。建模忽略限位钢筋作用，直接将混凝土浇筑在球形模型上，如图2所示。板底四角用固定支座支承，板顶面施加面荷载。建模时混凝土采用Solid147单元，球采用Solid185单元，对于板内部应用绑定接触，采用自由网格划分建立模型。

2.2 材料特性

空心板填充塑料球采用高密度聚氯乙烯(High Density Polyethylene，HDPE)材料。HDPE无毒、无味、无臭，密度为0.940 g/cm3～0.976 g/cm3，它是在齐格勒催化剂催化下，低压条件下聚合的产物。因HDPE的低密度特性，能够减轻结构自重。同时，HDPE能抗强氧化剂(浓硝酸)、酸碱盐以及有机溶剂(四氯化碳)的腐蚀和溶解。HDPE还具有不吸湿，良好的防水蒸气性，其防潮防渗特性对于其作为屋面板材料具有突出优势。其材料基本特性见表1。

表1 材料特性

3 模型结果

通过建立混凝土塑料球填充板有限元模型，考虑该结构材料和几何非线性，用大型分析软件ANSYS对其进行静力分析。球与混凝土采用接触面连接，通过改变对模型施加的面荷载，得出混凝土板的承载能力，同时计算出面荷载—位移曲线、应力和变形云图。

3.1 面荷载—变形曲线关系

查建筑结构荷载规范[7]得知屋面的荷载标准值2.0 kN/m2，相当于在混凝土塑料球填充单向板上施加了一个大小为19 kN的面荷载，计算出该屋面处于弹性阶段，其各项应力非常小。为了获得该板的最大承载力，通过不断提高施加屋面荷载，最终当面荷载为1 087.3 kN时，结构趋于破坏。其面荷载—变形曲线如图3所示。

由图3可知，当面荷载小于1 087.3 kN时面荷载与变形成正比，说明此时的混凝土塑料球填充板模型处于弹性受力状态。当面荷载达到1 087.3 kN时，曲线出现转折点，变形发生突变，此时板出现塑性破坏，最大位移为3.890 2 mm。

3.2 应力与变形云图

当面荷载达到1 087.3 kN时，结构出现塑性性能，其应力和变形云图如图4,图5所示。

图4表明在面荷载作用下，其受力类似简支的普通混凝土单向板，应力最大分布在跨中。图5表明，在面荷载作用下，塑料球的变形分布较均匀。

4 结语

通过利用ANSYS对混凝土塑料球填充板的静力分析，计算得到了该板面荷载—变形关系以及其应力和变形云图。通过分析结果得到以下重要结论：

1)通过不断提高施加屋面荷载，得到了该板的最大承载力为1 087.3 kN，其承载能力比同尺寸的普通空心板大。如此大的承载能力甚至可以作为结构的主体受力构件。

2)混凝土塑料球填充板面荷载—变形曲线关系表明面荷载在达到极限值前，该板处于弹性受力状态，面荷载—变形成正比，但在面荷载达到1 087.3 kN时混凝土塑料球填充板达到最大承载状态，混凝土板破坏。

3)在面荷载作用下，混凝土塑料球填充板的受力类似于简支的普通混凝土空心板，其跨中应力和变形最大。但塑料球变形小且分布均匀。

混凝土塑料球填充板的有限元分析初步确定了其在工程中作为屋面板的合理性。在大型工程中使用混凝土塑料球填充板代替普通混凝土板能够在满足同样承载力的前提下减轻结构自重，节约了近30%的成本。且混凝土塑料球填充板可以采用先铺垫预制球模型再浇筑混凝土的方式施工，施工方便，工期短。