丁永刚 刘浩宇 郭呈周

摘 要：“结构-隔热”一体化墙体是一种新型的复合墙体，施工方便，隔热和气密性能优越，符合现代粮仓绿色储粮要求，能较好地弥补现有平房仓墙体的缺点。本文利用大型通用有限元软件ABAQUS建立了局部墙体和整体平房仓的模型，分析其在粮食水平荷载作用下的受力和变形特点。结果表明，墙体能有效保持整体性，内叶墙主要承受荷载，内、外叶墙的应力突变较小，计算时墙体的边界条件采用四边固结是较为准确的。

关键词：“结构-隔热”一体化墙体;平房仓;有限元分析

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）02-0107-05

Analysis of Mechanical Properties of "Structure-insulation"Integrated Wall in Flat Warehouse

Abstract： The “structure-insulation” integrated wall is a new type of composite wall， which is convenient in construction， superior in heat insulation and airtight performance， meets the requirements of modern granary green grain storage， and can well compensate for the shortcomings of existing warehouse walls. In this paper， the large-scale general finite element software ABAQUS was used to establish the model of the partial wall and the whole flat warehouse， and the characteristics of the force and deformation under the grain horizontal load were analyzed. The results show that the wall can effectively maintain its integrity. The inner and outer blade walls mainly bear loads. The stress mutation of the inner and outer blade walls is small. It is more accurate to use four-sided consolidation to calculate the boundary conditions of the wall.

Keywords： "structural-insulated" integrated wall;flat warehouse;finite element analysis

1 研究背景

近年來，我国民用建筑中许多新型节能复合墙体得到了广泛应用。但是，长期以来，粮仓中使用最为广泛的平房仓墙体变革缓慢，远不符合社会和市场对粮仓性能的要求[1，2]。传统平房仓墙体一般采用黏土砖砌体，黏土砖在生产过程中毁坏大量农田，施工过程中存在砌筑量大、人工成本高、施工质量难以控制等缺点，且由于其结构构造和材料特性，在粮食水平荷载作用下不能充分发挥砌体抗压能力强的材料特点，墙体底部及门窗洞口等处极易产生通缝，仓体气密性一般较差[3]。“结构-隔热”一体化墙体是一种新型的平房仓墙体，可以较好地解决上述黏土砖墙体的缺点。

“结构-隔热”一体化墙体主要由内叶墙、外叶墙、保温板和连接件组成，其构造如图1所示。内叶墙和外叶墙为现浇钢筋混凝土结构，连接件为空心棒状钢材，保温板使用XPS、EPS等建筑保温板材。图2给出了“结构-隔热”一体化墙体仓壁结构构造，在平房仓装粮线处设置一道连梁，抵抗下部墙体在粮食水平荷载作用下产生的弯矩，以防止装粮洞口产生变形。本文利用大型通用有限元软件ABAQUS建立了局部墙体和整体平房仓的模型，分析了其在粮食水平荷载作用下的受力和变形特点。

2 “结构-隔热”一体化墙体有限元分析模型

2.1 材料本构关系

“结构-隔热”一体化墙体中混凝土材料采用损伤塑性模型。根据文献研究可知[4-6]，本构关系采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[7]中单轴应力应变曲线法的计算方法;钢筋材料的本构关系采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[7]中有屈服点钢筋单调加载的应力-应变曲线。混凝土的受拉和受压应力-应变关系如图3所示。

2.2 有限元分析模型设计分析

模型以某粮库平房仓为原型进行改造设计，装粮高度为7.2m，排架柱轴间距4m，柱截面尺寸为400mm×600mm，内叶墙厚150mm，外叶墙厚50mm，连接件直径为10mm。墙体模拟过程中仅加载粮食水平荷载，荷载值根据《粮食平房仓设计规范》（GB 50320—2014）[8]规定计算，其计算公式为：

[ph=kγs]                               （1）

式中，[k]为粮食水平荷载系数;[γ]为粮食重度;[s]为粮食顶面至计算截面的距离。粮食水平荷载分布形式如图4所示。

板状结构使用壳单元模拟可使建立模型较为简单，能很好地节省计算机运行空间和计算速度，精度较高。但是，“结构-隔热”一体化墙体存在连接件，且连接件的长度较短，使用梁单元模拟时有较大误差;而连接件使用实体单元，内、外叶墙使用壳单元时，连接件和两侧墙体的连接处难以准确计算，故本文构件均采用实体单元。局部墙体模型尺寸为3.6m×7.2m，模拟过程中其边界条件设置为四边固结。使用实体单元建立平房仓整仓时，单元格过多，需要耗费计算机极大的内存空间和较长的计算时间，需要对计算模型进行简化。平房仓结构和粮食水平荷载呈双轴对称，根据结构力学知识，选用平房仓结构的1/4来作为计算模型，檐墙和山墙中柱取原仓柱截面宽度1/2，即200mm×600mm。设置边界条件时，檐墙中柱选择约束U1、RU2、UR3;山墙中柱选择约束U2、UR1、UR3;屋盖中间截面选择约束U3、UR2、UR3。综合考虑各种单元的计算精度和效率，混凝土构件网格划分为二次缩减积分六面体单元，即C3D20R;连接件网格划分为二次减缩积分四面体单元，即C3D10R;钢筋单元采用桁架单元T3D2。各构件的有限元分析模型如图5所示。

3 “结构-隔热”一体化墙体有限元计算结果分析

图6给出了局部墙体的变形云图，内、外叶墙的变形状态相同，最大变形点均为跨中靠近基础的三分点处。提取内、外叶墙变形最大处水平和竖直方向的变形值，变形曲线如图7所示。从图7可知，在水平和竖直方向，内、外叶墙变形曲线光滑且几乎重合，这说明在粮食水平荷载作用下，连接件未对墙体变形造成影响，且能够很好地起到连接作用。

图8给出了局部墙体的混凝土Mises应力云图，内、外叶墙受力状态相似，但外叶墙应力分布稍有突变，最大应力点均为两侧支座靠近底部三分点处。提取内、外叶墙水平和竖直方向的应力曲线，如图9所示。从图9可以看出，內叶墙应力远大于外叶墙，说明墙体以内叶墙受力为主，外叶墙受力较小;内、外叶墙的应力曲线均出现突变，突变位置和连接件位置相同，说明连接件在一定程度上会造成两侧墙体的应力集中，但其应变值较小，且未改变墙体的受力形态。

图10给出了平房仓整体的Mises应力云图，应力最大处为山墙柱脚处，排架柱柱脚和中部应力整体较大;装连线处连梁以下墙体应力明显，跨中应力较大，装粮线以上墙体应力较小。图11截取了檐墙第3柱间墙体的内叶墙和外叶墙应力，由于在整仓中“结构-隔热”一体化墙体边界条件并非理想状态，支座处有不同程度的变形，其应力分布部分并非完美对称，但整体应力分布特征相似，最大应力及其位置和局部墙体相同。

图12给出了平房仓结构的变形云图，结构最大位移出现在山墙中柱柱顶处，檐墙柱位移较小，这是由于山墙顶端没有任何约束，而双T板屋架对檐墙顶部有水平方向约束。檐墙排架柱下部约束较强，在建模过程中，边界条件设置为固结，上部构造为铰接特征，柱整体呈现反向弯曲现象，其反弯点较低，距底部支座约为2.85m，这是由于粮食侧压力呈三角形，上部荷载较小，下部荷载较大。平房仓檐墙最大位移出现在每个柱间的跨中，且处于同一水平位置，距底部2.4m，这与上文中墙体局部模拟的位置相同。

提取平房仓檐墙各柱间最大挠度处及檐墙中部排架柱竖直方向的挠度曲线，如图13所示。在7.2m左右处，墙体变形曲线斜率变化显著，这说明装粮线处的连梁对

墙体转角有明显的约束作用。图14给出了檐墙和山墙第3柱距及局部墙体的竖直方向挠度。从图14可以看出，各墙体变形曲线规律相同，挠度偏差较小。檐墙第3柱间墙体最大位移和排架柱的位移差为0.525mm，与局部墙体最大挠度0.508mm进行对比，其差值占局部墙体挠度的3.33%，山墙第3柱间墙体和排架柱的最大位移差为0.536mm，占局部墙体挠度值的5.51%，其挠度偏差较小。由此可见，平房仓中，“结构-隔热”一体化墙体计算边界条件使用四边固结是较为准确的。

4 结语

“结构-隔热”一体化墙体是一种新型的平房仓墙体，在粮食水平荷载作用下，连接件能够较好地连接内、外叶墙，保持墙体的整体性;墙体主要由内叶墙承受荷载，外叶墙受力较小，主要承担维护作用;连接件会对两侧墙体造成局部应力突变，但影响较小;通过局部墙体和整仓的有限元对比，墙体的边界条件可以简化为四边固结。综合来说，“结构-隔热”一体化墙体具有良好的力学性能，其隔热和气密性能优于传统墙体，在平房仓中具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]王荣帅，安铎，荆纪东.新型平房仓建设综述[J].粮食流通技术，2008（6）：8-10.

[2]牛亚利，张京津.近年来粮食平房仓仓型特点优化[J].现代食品，2018（8）：163-171，175.

[3]张来林，李昭，丁永刚，等.我国新建粮仓气密性差的原因分析及解决措施[J].粮油食品科技，2018（4）：59-62.

[4]杨飞，董新勇，周沈华，等.ABAQUS混凝土塑性损伤因子计算方法及应用研究[J].四川建筑，2017（6）：173-177.

[5]刘巍，徐明，陈忠范.ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数标定及验证[J].工业建筑，2014（S1）：167-171，213.

[6]张劲，王庆扬，胡守营，等.ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数验证[J].建筑结构，2008（8）：127-130.

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.粮食平房仓设计规范：GB 50320—2014[S].北京：中国计划出版社，2014.