王振清,揣 君,王录民,梁醒培,刘永超,侯支龙
·农产品加工工程·
装配式地下粮仓钢-混组合仓壁节点力学性能有限元分析
王振清1,揣 君1※,王录民1,梁醒培1,刘永超2,侯支龙1
(1. 河南工业大学土木建筑学院,郑州,450001;2. 郑州工大粮安科技有限公司,郑州,450001)
地下粮仓是构建绿色储粮新体系的重要技术支撑,结合工程实际提出了一种新型装配式钢板-混凝土组合地下粮仓。为了建立适用于装配式地下粮仓的有限元模型以模拟分析组合仓壁节点的力学性能,并通过有限元分析指导组合仓壁节点力学性能试验的开展,基于工程设计的钢板-混凝土组合仓壁及连接接头,采用ANSYS软件建立了仓壁及其节点1∶1足尺试件的有限元模型,模拟分析了无接头、有接头试件的受弯和受压性能,并开展仓壁节点抗弯、抗压试验对有限元模拟结果进行验证分析。结果表明:试件的钢板和混凝土由栓钉连接为一体,试验过程中二者未见剥离可共同工作,建模时钢板和混凝土共用结点以及接头钢板之间假定为刚性连接是适用的;同类试件挠度曲线、轴压荷载-位移曲线的试验结果与其有限元模拟结果基本一致,无接头试件和有接头试件弯曲跨中位移、轴压最大位移的试验值与对应的模拟值,相对误差分别在4%和10%以内;试验过程中试件未发生明显破坏和过大变形,应力总体上未超过工程设计允许值,数值模拟结果精度满足工程所需;有接头试件力学性能与无接头试件相近,设计的仓壁及其节点是安全、可靠的,其结构计算可以采用等同原理,即该装配式仓壁可等效为现浇一体的无接头仓壁。建立的仓壁节点有限元模型适用于新型装配式地下粮仓,研究结果为装配式地下粮仓有限元建模分析、结构计算提供参考,为组合仓壁节点试验的开展提供指导。
力学性能;有限元分析;节点;地下粮仓;钢板-混凝土组合仓壁;节点试验
粮食安全事关国计民生,确保粮食安全是中国农业政策的基本目标之一。为了保障国家粮食安全,中国建立了粮食储备制度,实施粮食储备战略[1]。粮食安全涉及数量安全和品质安全2个方面,地下粮仓(简称地下仓)是构建中国绿色生态储粮体系的重要技术支撑[2],有利于大幅提升国家储备粮的品质。与地上粮仓相比,地下仓可以充分利用地下空间,具有恒温、节能、节地、绿色、环保的优点[3],是目前粮食行业的重要研究课题之一。近年来,大直径钢筋混凝土地下仓成为现代地下仓的典型代表,取得了不少研究成果[4-9],极大地推动了现代地下仓的研究。然而,大直径钢筋混凝土地下仓采用的是传统的现浇整体式结构,整体结构施工前需要深基坑开挖、支护和降水,并存在防水抗渗难、湿作业周期长、抗浮配重等未能较好解决的问题[10]。针对上述问题提出了一种装配式钢-混地下粮仓(简称装配式地下仓),它是利用内层钢板形成封闭防水抗渗层,基于逆作法施工实现仓壁预制块与基坑支护合并,缩短了湿作业施工周期,降低建设成本,支护桩与仓壁连接既能承重又能够抗拔。该装配式地下仓是全新技术体系,国内外许多学者对于装配式钢板-混凝土组合构件在隧道衬砌、矿井井壁、组合结构等类似工程领域的应用开展了大量研究[11-23]。姚直书等[12]对双层钢板混凝土复合井壁进行了试验研究,表明通过钢板与混凝土的相互约束,改善了各自的力学特性,使井壁竖向承载力显著提高,井壁结构中的混凝土完全处于三向受压应力状态,其抗压强度提高了1.73~1.92倍。徐敏[13]利用ANSYS软件对双层钢板混凝土井壁进行了力学特性分析及优化设计。聂建国等[14-15]开展了钢板-混凝土组合简支梁的试验研究,试验表明若合理地配置栓钉连接件,钢板和钢筋混凝土可以形成组合截面共同工作。张厚美等[16]开展了盾构隧道管片接头荷载试验研究,并对弯接头和直接头足尺试件进行了对比,表明弯接头接缝的受力和变形规律与直接头是相同的,仅从评价接缝抗弯刚度角度出发,用直接头代替弯接头是合适的。吴丽丽等[17]对简支钢板-混凝土组合板试件进行受弯性能试验,对组合板试件的破坏形态、钢板与混凝土应变发展情况、裂缝发展情况及组合板承载能力进行了研究。杨悦等[18]开展了钢板混凝土组合板受弯性能试验,表明按完全抗剪连接设计的试件破坏形态与适筋梁相似,具有良好的受弯承载能力和延性。装配式技术和组合结构相关技术标准与规范[24-25]已经发布实施,为工程实践和应用提供指导。装配式技术和组合结构在工程领域的研究应用越来越普遍,但两者在地下仓中的研究应用罕见报道,相应的设计计算方法仍未建立。目前装配式建筑是中国大力推行的环保节约型建筑结构体系,可靠的节点连接是装配式结构设计的关键,装配式节点及其性能决定着整体结构的可靠性与计算模型[26-27],是装配式结构设计的关键问题。
本文基于工程应用设计了装配式地下仓钢板-混凝土组合仓壁(简称组合仓壁)及其新型干式连接节点,开展了组合仓壁及其节点抗弯、抗压性能的有限元模拟;在此基础上,进行了组合仓壁及节点足尺试件的力学性能试验,测试并对比分析了能够反映有、无接头试件刚度的指标参数-挠度和位移量。通过研究,验证了有限元模拟分析的有效性。研究为装配式地下仓的有限元精细建模模拟、结构计算和工程设计应用提供了依据。
该文以河南某工程项目大直径钢筋混凝土地下粮仓(试验仓)为结构原型,综合考虑设计、施工、造价等多方面因素,提出了新型装配式地下仓,结构方案详见文献[10]。设计仓容约5 000 t(以小麦计),仓内径25 m,组合仓壁高约20 m,厚度0.31 m。仓顶覆土厚1.5 m;仓底板为漏斗状,顶标高-21 m,底标高-28 m。组合仓壁周围均布36根钢桩,型号为HW400×400×13×21。
该装配式地下仓为地下薄壁圆筒结构,在外部水土压力下,空仓状态是最不利工况;由柱壳理论可知,仓壁主要是环向受力,沿仓壁高度方向的竖向接头受力较大,易发生破坏,影响着整仓的受力性能和计算模型,因此重点开展竖向接头的相关研究。由经典土压力公式计算外部水土压力,仓壁底部最大荷载标准值取为300 kN/m;按照无接头均质模型计算,仓壁需承受环向最大轴力设计值4 895 kN,除仓壁上下两端(与仓顶板、仓底板连接环梁位置)所需承受的最大弯矩设计值255 kN·m外,其余部位弯矩设计值均小于50 kN·m。目前受试验条件限制开展组合仓壁的整环足尺试验较难实现;缩尺模型自身存在很大近似性,且满足相似比的试验材料不易选取;另外,弧形试件对加载装置要求较高,边界条件难以满足;在保证试件受力状态与工程实际基本相符的前提下,采用平直试件代替实际的弧形试件。
综上,参考《组合结构设计规范》和实际工程现场装配施工可操作性设计了组合仓壁及其节点。组合仓壁由内侧钢板-混凝土预制块拼装而成,组合仓壁的材料内层为Q345型钢板,厚10 mm;外层为钢筋混凝土,厚300 mm,混凝土强度等级为C40,两者通过圆柱头栓钉连接为一体,见图1a。定义左右预制块之间沿仓壁高度的接头为竖向接头,采用“喇叭形”空腔接头(便于逆作法施工和基坑支护一体化),其组成是两块U型包边钢板、止水钢板、传力钢板、钢桩翼缘板,通过焊缝连接为一体,如图1b。基于工程设计了无接头、有接头试件,其几何尺寸及构造如图1所示。
图1 试件尺寸及构造(单位:mm)
试件材料主要是2种不同性质的钢板和混凝土,两者通过焊接在钢板上的栓钉连接在一起,栓钉规格、间距的选取参照了规范[25]和文献[15],以保证钢板和混凝土能够变形协调,共同工作。建模时钢板和混凝土接触面上共用节点处理,并且钢板和混凝土之间存在一个接触面,二者之间是面-面接触,非点和线接触,在接触面上共用结点,可以实现钢板和混凝土在接触面上的变形协调。有接头试件的接头构造较复杂,U型钢板和混凝土的空间关系不易处理,是建模难点,假定钢板间的连接为刚性连接。混凝土采用Solid185实体单元,钢板采用Shell63壳单元,单元特性符合试件的力学性能要求[26],接头钢板和混凝土的空间关系也得到了有效处理。建立坐标系:以试件长度方向为轴,厚度方向为轴,宽度方向为轴。采用有限元软件ANSYS按图1分别建立无接头、有接头试件的有限元模型,主要网格尺寸均为0.05 m,接头处网格加密,如图2所示。无接头试验件模型共有6 160个单元,有接头试件模型共有8 460个单元。其中,模型简化了混凝土内部栓钉和顶部配置的抗裂钢筋网。
a. 无接头试件 a. Specimen without jointsb. 有接头试件b. Specimen with a joint
用于制作试件的混凝土强度等级为C40,与试件同时浇筑并在相同条件下养护30 d的立方体试块测得的混凝土抗压强度平均值为39.55 MPa,弹性模量为3.25×104MPa。试件中钢材型号为Q345,实测材料性能见表1。
表1 钢板材料性能
受弯试件采用两点对称加载,图3为加载示意图。施加的单点荷载最大值为270 kN,通过加载梁转化为均布荷载作用在试件上,梁宽0.2 m,依此定义边界条件和施加荷载,求解得到受弯模拟结果。模型的边界条件为左支座处所有节点施加向、向位移及转动约束;右支座处所有节点施加向位移约束及向、向转动约束;此外,还对左、右支座沿试件宽度方向的正中间节点施加向位移约束。
无接头、有接头受弯试件的编号分别定义为SC-M1、SC-M2。SC-M1和SC-M2的向(厚度方向)变形云图如图4a、图4b所示,向(长度方向)的正应力云图如图4c、图4d所示。由图4a、图4b可见无接头、有接头试件变形趋势基本相同,均为弯曲变形,跨中挠度最大,符合两点弯曲变形规律。SC-M1、SC-M2跨中最大挠度模拟值分别为0.7 、0.57 mm,有接头试件较前者小18.6%,表明有接头试件的抗弯刚度大于前者,设计的接头较无接头区域(组合仓壁)具有足够的抗弯刚度。从图4c、图4d可见无接头、有接头试件的向正应力分布差异明显,其向正应力均是上部受压下部受拉,但是有接头试件接头区域的应力分布比较复杂,显然接头的存在改变了试件的应力分布状态。受弯试件混凝土最大正应力与钢板最大等效应力见表2。
图3 受弯试件加载示意图
图4 受弯试件Y向变形云图和X向正应力云图
由表2可知混凝土最大压应力和钢板等效应力均未超过设计值,混凝土最大拉应力超过了设计值,但仅是局部点超限。实际上试件底钢板上有大量栓钉,有限元模型未考虑栓钉分散应力的作用;另外,当模拟得到的混凝土拉应力超过其设计值时,通过配置一定量钢筋使结构满足强度要求[27],工程应用时底部可配置钢筋网。
表2 受弯试件最大应力
上文所述装配式地下仓环向最大轴力设计值为4 895 kN,偏于工程安全最大加载值取5 000 kN,受压试件采用轴压加载方式,加载示意图见图 5,加载板转化为均布荷载作用在试件底部;以此定义边界条件、施加荷载和求解。模型的边界条件为下端支座处所有节点施加向、向、向位移约束及向、向转动约束;上端支座处所有节点施加向、向位移约束及转动约束。
无接头、有接头受压试件编号定义为SC-N1、SC-N2。SC-N1和SC-N2的向(轴向)变形云图和正应力云图 S如图6所示。从图6a、图6b可看出两试件主要变形均为轴向压缩,伴随弯曲变形,且变形趋势大致相同,符合轴压加载变形规律,受压加载模拟与仓壁实际受力相似。SC-N1、SC-N2轴向最大位移模拟值分别是1.03、1.01 mm,有、无接头试件相差1.94%,表明有接头试件的抗压刚度相近于无接头,即设计的接头与无接头区域(组合仓壁)具有匹配的抗压刚度。由图6c、图6d可见,受压试件的轴向正应力分布明显有差异,最值位置也不同;接头钢板致使接头区域的轴向正应力分布变得复杂,接头的存在明显影响了试件的轴向正应力分布状态,其混凝土及钢板最大应力见表3。
图5 受压试件加载示意图
a. SC-N1变形云图a. SC-N1 deformation nephogram b. SC-N2变形云图b.SC-N2 deformation nephogram c. SC-N1应力云图c.SC-N1 stress nephogram d. SC-N2应力云图d. SC-N2 stress nephogram
由表3和图6可知有接头试件仅在局部角点和边界点应力超过了允许值,是因试件两端边界模拟轴向加载产生的,实际工程并不会出现,其他均满足要求。
表3 受压试件最大应力
注:()内注明的是应力的方向。
Note: () The deformation of the stress is indicated.
为了验证装配式地下仓组合仓壁及接头有限元模型的适用性和结果的有效性,特别是钢板与混凝土共用节点的假设,钢板之间焊缝连接的刚接处理,是否合理及满足工程要求,在有限元模拟分析的基础上开展了节点抗弯、抗压试验。按照图1制作两组共6个1∶1试件,每组无接头试件1个、有接头试件2个,分别用于抗弯和抗压试验。试件制作时钢构件全部在钢构工厂加工,试验现场支模、绑筋、浇筑混凝土并养护30 d;接头焊接完全模拟工程施工现场立焊,如图7a所示,试验加载与有限元模拟条件一致。现场测试如图7b、图7c所示。
a. 试件接头焊接现场 a. Welding site of the specimen’s jointb. 抗弯试验b. Flexural experimentc. 抗压试验c. Compressive experiment
试验数据采集设备选用两台东华DH3816N采集仪(每台60通道),DSDAH信号采集和分析系统,测试仪器YHD-50/100型位移计和钢板、混凝土应变片。
抗弯试验选用两台液压伺服压力加载系统,单个压力试验机可加载最大压力值为50 t,计算机自动控制和采集加载数据。为了考察有无接头试件的抗弯刚度,实测试件纯弯段(接头区域)的挠度值,由两点弯曲公式近似计算加载值(取0.5m,弯矩大于50kN·m),同时考虑分级加载和测量精度,每个加载点的最大加载值为270 kN,分9级加载,每级加载速度为30 kN/min。抗弯试验有接头、无接头试件的竖向位移测点位置一致,如图8a。
抗压试验采用液压伺服剪压长柱加载系统,试验机可提供最大压力值为1 200 t,实际工程仓壁内力主要是环向轴力,依据环向最大轴力设计值模拟加载,偏安全取最大加载值为5 000 kN,分25级加载,加载速度2 kN/s。有、无接头试件位移测点布置相同,如图8b。
注:C1~C32为抗弯试验测点编号。YW1~YW24和XW2~XW8为抗压试验测点编号。
前期对空仓工况下的组合仓壁进行了数值模拟分析,研究发现当组合仓壁接头处截面的抗弯刚度与非接头处截面的抗弯刚度比达到一定数值(大于1.0)时,有接头的组合仓壁的临界屈曲荷载不小于无接头的组合仓壁,同时刚度和强度也能满足要求。在此基础上,先由两点弯曲试验获得其抗弯刚度(弹性阶段)。抗弯加载从0至270 kN,试件没有出现明显裂缝,焊缝完好无损,钢板和混凝土之间未见剥离脱开,能够协同工作;卸载后试件恢复原状,试件未产生塑性变形,并具有足够强度。
挠度是反映抗弯刚度的主要指标。以试件竖向位移测点C1、C2、C3的平均值作为跨中挠度,抗弯试件的荷载-跨中挠度关系曲线见图9;由图9可知随着荷载的增大,跨中挠度基本上呈线性增大,表明试件在加载过程中处于弹性变形阶段,没有发生塑性变形。
图9 抗弯试件荷载-跨中挠度关系
依据模拟值和试验值,绘制抗弯试件挠度曲线如图 10所示,因试件加载不均匀、焊接变形等原因,挠度曲线存在偏差,但跨中挠度十分接近;抗弯试件跨中最大挠度试验值见表4,与模拟值相比,无接头试件相对误差为1.45%,有接头试件相对误差为9.61%和0。对比表明试验值与有限元模拟结果相对误差较小,基本吻合,建模时的假定是合理的,所建立有限元模型是适用的,模拟分析指导了试验顺利开展。
a. 无接头试件 a. Specimen without jointsb. 有接头试件 b. Specimen with a joint
表4 抗弯试验试件跨中挠度
抗压试验从0加载至仓壁环向轴力设计值(偏于安全)5 000 kN,试件没有出现明显裂缝,焊缝完好无损,钢板和混凝土未见剥离脱开,能够协同工作,卸载后能够恢复原状;表明试件处于弹性变形阶段,未出现塑性屈服,具有足够的强度。
以试件底端和顶端测点的位移差值作为试件纵向压缩总变形量,拟合平均位移差绘制各抗压试件荷载-变形曲线如图11。由图11可见随着荷载增大,试件总压缩变形呈线性增大,表明试件始终处于弹性变形阶段。沿试件高度以每层钢板和混凝土两侧共6个测点的位移平均值减去顶端6个测点位移平均值作为此位置的纵向压缩变形量,由此得到最后一级荷载时不同高度测点的荷载-位移关系有限元模拟与试验得到的荷载-位移曲线如图12,可见抗压试件模拟所得的荷载-位移曲线与试验结果基本吻合。抗压试件轴向最大位移试验值见表5,试验值与模拟值相比,无接头试件相对误差为3.74%,有接头试件相对误差为3.06%和3.81%,表明建立有限元模型是适用的。
图11 抗压试件的荷载-变形关系
a.无接头试件 a. Specimen without jointsb. 有接头试件b. Specimen with a joint
表5 抗压试件轴向最大位移
利用ANSYS软件建立了装配式地下粮仓钢-混组合仓壁及其节点1∶1足尺试件的有限元模型,模拟并对比分析了无接头、有接头试件的受弯和受压性能,通过与节点抗弯、抗压试验的对比验证,得出以下结论:
1)试验过程中钢板和混凝土未见剥离,二者能够协同工作,同类试件挠度曲线、轴压荷载-位移曲线的试验结果与其有限元模拟结果基本一致,表明建模时钢板和混凝土共用结点以及接头钢板之间采用刚性连接的假设是合适的。
2)无接头试件和有接头试件弯曲跨中位移、轴压最大位移的试验值与对应的模拟值,相对误差分别在4%和10%以内;表明建立的装配式钢板-混凝土组合仓壁节点有限元模型是适用的,为装配式地下粮仓钢-混组合仓壁及其节点的数值建模提供了有效方法。
3)无接头试件与有接头试件跨中最大挠度模拟值分别为0.7 、0.57 mm,有接头试件较前者小18.6%;轴向最大位移模拟值分别为1.03 、1.01 mm,两者相差1.94%。表明基于组合仓壁接头处截面的抗弯刚度与非接头处截面的抗弯刚度比达到一定数值(大于1.0)设计的接头,其力学性能与无接头相近,装配式钢板-混凝土组合仓壁可以等效为现浇一体的无接头仓壁,即可以采用等同原理进行设计计算。
4)试件设计与制作基于实际工程,有限元模拟结果指导了组合仓壁节点试验的顺利开展,试验过程中未发生整体破坏,在外部水土压力作用下处于弹性阶段;设计的装配式地下粮仓钢板-混凝土组合仓壁及节点是一种可靠的、可施工操作的连接方式,其承载力高、刚度大,偏于工程安全。
5)与无接头的组合仓壁相比,有接头的组合仓壁竖向接头改变了应力分布状态,局部出现应力过大,是其薄弱部位,工程设计时应予以加强。
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Finite element analysis on mechanical properties of joint in precast steel plate-concrete composite wall of underground granary
Wang Zhenqing1, Chuai Jun1※, Wang Lumin1, Liang Xingpei1, Liu Yongchao2, Hou Zhilong1
(1.,,450001,; 2.,450001,)
The underground granary is an important technical development for building a new system of green grain storage. Compared to the overground granary, the underground granary can make full use of the underground space, which shows significant advantages such as low temperature, loss reduction, eco-friendly environment, land saving, energy saving and safety in grain storage. Currently, such technology is one of the important research interests in the food industry. A new type of underground granary consisting of precast steel plate-concrete composite walls was proposed, and the corresponding mechanical properties of its wall and joints were studied for guiding the design of it. Firstly, two different finite element models of the two pieces of precast steel plate-concrete composite walls with different connecting modes were established with ANSYS software. One model is assumed that the walls connect with a joint, which is modeled as a short steel plate, and another is assumed to be weld together directly without introducing a joint. Their bending and compression properties were simulated and analyzed. Also, in the finite element simulation, Solid 185 element was used to model the concrete part, Shell 63 element was used to model steel plates, and the rigid connection was assumed by arranging common nodes between adjacent elements on the interface of concrete and steel plate. Secondly, the corresponding joint experiments were carried out to verify the simulation results. In the experiment, the steel plate and concrete are connected by bolts in each piece of composite wall. The steel plates of the two composite walls are connected by welding them together with a short connecting steel plate, and thus their connections are assumed to be rigid as well. Practically, in order to simplify the finite element models, the effects of bolts and rebar reinforcements in the real steel plate-concrete composite wall were represented by rigid connection assumptions. Numerical results showed that, for the case of empty granary, which means no internal pressure was applied on the internal surface of the composite wall, the stress concentration occur in the steel plate-concrete composite wall under the external soil and water pressure, but the maximum stress not exceeded the design value, so the prefabricated steel plate-concrete composite wall is safe. During the tests, the separation of steel plate and concrete in each specimen not happened and they worked well as an entire element. Besides, the connecting plate between the two precast steel plate-concrete composite walls looked reliable and no obvious crack damage or excessive deformation. All welding lines kept intact. The numerical results of the maximum deflection along the whole span of the jointless and jointed specimens were 0.7mm and 0.57mm, respectively, and the latter was 18.6% smaller than the former. The numerical predictions of the maximum axial displacement of the jointless and jointed specimens were 1.03mm and 1.01mm, respectively, with a slight difference of 1.94%. Besides, it is observed that the difference between the numerical results and the experimental results was no more than 4% and 10% for the jointless and jointed specimens, respectively. From the comparison, it is concluded that the experimental results are basically same as the finite element results and the established finite element model is verified. Also, the results indicate that the assumption of rigid joint between the two steel plate-concrete composite walls is reasonable. More importantly, it is found that the mechanical properties of the steel plate-concrete composite wall with joint connection are similar to those without joint. Thus, in the practical engineering, the steel plate-concrete composite walls for the underground granary can be mechanically equivalent to the steel plate-concrete composite wall without joint connection. It provides guidance for the design and test of composite wall joint.
mechanical properties; finite element analysis; joint; underground granary; precast steel plate-concrete composite wall; joint experiment
王振清,揣 君,王录民,梁醒培,刘永超,侯支龙. 装配式地下粮仓钢-混组合仓壁节点力学性能有限元分析[J]. 农业工程学报,2019,35(24):298-306. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.035 http://www.tcsae.org
Wang Zhenqing, Chuai Jun, Wang Lumin, Liang Xingpei, Liu Yongchao, Hou Zhilong. Finite element analysis on mechanical properties of joint in precast steel plate-concrete composite wall of underground granary[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 298-306. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.035 http://www.tcsae.org
2019-10-04
2019-11-04
国家科技部粮食公益性行业科研专项(201413007,201513001-03);省属高校基本科研业务费专项资金项目(2016QNJH23)
王振清,教授,博士生导师,研究方向为储仓结构和绿色储粮新体系。Email:hnzzwzhq@163.com
揣 君,博士生,主要研究方向为地下粮仓设计。Email:chuai-jun@163.com
10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.035
TU249.2
A
1002-6819(2019)-24-0298-09