传统房式粮仓和密肋房式粮仓墙板有限元对比分析★

乔浩乐 丁永刚 邵 浩

(河南工业大学土木建筑学院，河南 郑州 450001)



传统房式粮仓和密肋房式粮仓墙板有限元对比分析★

乔浩乐 丁永刚 邵 浩

(河南工业大学土木建筑学院，河南 郑州 450001)

采用通用有限元分析软件ABAQUS，建立了传统房式粮仓墙板和密肋房式粮仓墙板非线性有限元模型，通过数值模拟，得到了在粮食荷载作用下两种不同结构形式的内力分布与变形情况，指出在粮食荷载作用下密肋复合墙板中各个构件相互约束、协同工作，具有较好的组合作用，整个墙体受力性能好，各个材料性能得到了充分利用。

传统砌体砖墙，密肋复合墙板，有限元分析

0 引言

传统房式粮仓中的墙体多为粘土砖砌体结构，墙体的厚度主要由装粮高度决定，虽然该墙体结构目前应用最为广泛，但存在自重大，施工劳动量大，抗震性能差等缺点。密肋房式粮仓墙体主要由密肋复合墙板与边框柱、连接柱及暗梁组合而成，密肋复合墙板由密布的肋梁、肋柱及内嵌填充砌块组成，研究表明[1]密肋复合墙板结构具有自重较轻，抗震性能好，施工速度快，经济效益及社会效益明显等优点。本文采用ABAQUS有限元分析软件对两种不同结构形式的墙体进行了数值模拟，并对其分析结果进行了对比分析。

1 墙板模型介绍

1.1 传统房式粮仓墙板模型

图1为传统房式粮仓墙体模型尺寸示意图，烧结普通砖强度等级为MU10，水泥砂浆强度等级为M5，墙体平面尺寸为3.75 m×3.55 m，厚度为370 mm，其中圈梁尺寸为200 mm×370 mm，构造柱尺寸为300 mm×370 mm，混凝土强度等级为C30，纵向钢筋和箍筋均采用HRB400级。

1.2 密肋房式粮仓墙板模型

图2为密肋房式粮仓墙体模型尺寸示意图，平面尺寸为3.75 m×3.55 m，厚度为300 mm，边肋梁为200 mm×300 mm，边肋柱为300 mm×300 mm；其他肋梁和肋柱的尺寸均为150 mm×300 mm，混凝土强度等级为C30，纵向钢筋和箍筋均采用HRB400级。

2 有限元分析模型的建立

由于传统砌体砖墙和密肋复合墙板均由三种材料组成，其受力性能、构造处理和连接方式等均比较复杂，为了使模型便于分析，减少计算时间，本文假定墙体中肋格和填充砌块之间、砖砌体和外框架之间、钢筋与混凝土之间粘结性能良好，认为它们之间完全固结。

2.1 材料性能及本构关系

1)粘土砖。本文设计模型采用的砖砌体是由烧结粘土砖和水泥砂浆构成，取砖砌体质量密度为1 900 kg/m3。根据烧结粘土砖和砂浆的强度及其相关参数[2]得到砖砌体的弹性模量E=5 342 MPa，泊松比v=0.17。

杨卫忠基于弹性损伤应力—应变模型，得到砌体的损伤单轴受压应力—应变关系，本文采用此模型确定砌体受压本构参数，见式(1)。

(1)

其中，η取1.633；fm为砌体轴心受压强度平均值；εm为fm对应的应变。

本文采用郑妮娜[4]简化的砌体受拉应力—应变关系曲线，在屈服阶段以前按直线计算，简化曲线方程如下：

(2)

本文采用该方程式来确定砌体受拉本构参数。

2)蒸压粉煤灰砌块。设定蒸压粉煤灰砌块质量密度为700 kg/m3，根据蒸压粉煤灰砌块的强度及其相关参数[2]得到该砌块的弹性模量E=3 868 MPa，泊松比v=0.2，根据上述砌体本构关系公式可计算出蒸压粉煤灰砌块受压和受拉本构参数。

3)混凝土。设两种房式粮仓墙体中的混凝土强度等级均为C30，取混凝土质量密度为2 500 kg/m3。取混凝土的弹性模量Ec=3.0×104N/mm2，泊松比vc=0.2。同时由规范[5]提供的混凝土受拉和受压本构关系，可得混凝土受压和受拉本构参数。

4)钢筋。有限元模型中肋格和外框架选用HRB400钢筋作为受力筋，其质量密度取7 800 kg/m3，弹性模量取2×105MPa，泊松比为0.3。

2.2 约束条件及加载方式

对于两个墙板模型，整个模型四边的边界条件均采用完全固定约束，而蒸压粉煤灰砌块与肋格、砖砌体与外框架之间的约束设置为绑定约束，钢筋则釆用Embeded region的方法嵌入模型中。

由文献[6]可知粮食荷载作用于房式粮仓墙板上时，应力分布图呈三角形，本次设计房式粮仓原型装粮高度取6 m，而两个有限元墙板模型高度设计为3.4 m，因此可以将施加在墙板上的荷载按照梯形来分布，荷载类型选择面荷载，荷载值从上至下依次增大。

3 有限元结果分析

图3，图4分别为两种墙板模型Mises应力云图，图5，图6分别为两种墙板模型的变形云图。

从图3，图4对比可知，在相同边界条件以及荷载作用下，密肋复合墙板所承受的最大应力值要比传统砌体砖墙的大。其中密肋复合墙板的最大应力主要集中在靠近板中心位置的肋格上，荷载主要由肋格承担，边肋梁和边肋柱承担荷载值较小，而传统砌体砖墙则不同，其最大应力主要集中出现在外框架上。出现这种现象的原因主要有：1)各材料弹性模量相差较大，在相同变形条件下，材料的弹性模量越大其所承担的应力值越大；2)两种墙板的结构体系不同，与传统砌体砖墙相比，密肋复合墙板内部肋格间距小且分布均匀，其墙体自身可承担大部分荷载。

从图5,图6对比可知，两种墙板的整体结构变形趋势是相似的，最大变形部位均出现在构件的几何中心处，密肋房式粮仓墙体的最大变形值为0.119 mm，传统平房仓墙体的最大变形值为0.128 mm。而模型中传统砌体砖墙的厚度要比密肋复合墙板的厚度大70 mm，但密肋复合墙板的最大变形值要小于传统砌体砖墙。影响墙板挠度变形的主要因素为墙板的刚度，对比两种不同类型的墙板结构形式，密肋复合墙板是由砌体和混凝土两种材料构成，随着粮仓结构跨度增大，密肋复合板结构的刚度就会比同等体积的粘土砖砌体大得多，所以与传统平房仓墙体相比，密肋房式粮仓对于大跨度的平房仓建筑有更多的优势。

4 结语

通过对有限元结果对比分析可知，在粮食荷载作用下，密肋复合墙板中砌块与肋格之间相互约束，协同工作，具有较好的组合作用。与传统平房仓墙体相比，密肋复合墙板受力更加均匀，整体受力性能更好，各个材料性能更能得到充分利用。

[1] 姚谦峰,黄 炜,田 洁,等.密肋复合墙体受力机理及抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2004(6)：88-89.

[2] 刘桂秋,施楚贤.砌体弹性模量的研究[A].砌体结构理论与新型墙材应用[C].中国工程建设标准化协会砌体结构专业委员会,2007:3.

[3] 李英民,韩 军,刘立平.ANSYS在砌体结构非线性有限元分析中的应用研究[J].重庆建筑大学学报,2006(5):90-96，105.

[4] 郑妮娜.装配式构造柱约束砌体结构抗震性能研究[D].重庆：重庆大学,2010.

[5] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

[6] 王振清.粮仓建筑基本理论与设计[M].郑州：河南科学技术出版社,2015.

[7] 潘晓明,孔 娟,杨 钊,等.统一弹塑性本构模型在ABAQUS中的开发与应用[J].岩土力学,2010(4):1092-1098.

[8] 安春辉.密肋房式粮仓在粮食侧压力作用下承力机理分析[D].郑州：河南工业大学,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★：国家自然科学基金：新型密肋房式粮仓结构散体物料侧压力承压机理研究(项目编号：51208180)

乔浩乐(1989- )，男，在读硕士

TU311.41

A