移动式环保公厕车防震抗风安全性研究

赵斌 严巾堪 卢志超 张道坤

(山东中车华腾环保科技有限公司 济南 250061)

0 引言

随着“厕所革命”的推进和公共卫生事业的发展，厕所不再仅仅作为能解决个人生理需求的固定地点，其也在向着多元化、层次化、智能化、景观化的方向发展。目前公共卫生间样式也由以前单一的固定式重力冲水厕所发展出了各种各样的形式，如独立式公厕、附建式公厕、移动式公厕、地下公厕等。

移动式环保公厕车可以重复且较为方便地整体移动到指定的工作地点，其占地面积小、机动性强的特点使其广泛应用于受地形限制的旅游景区、大型室外文娱活动、体育赛事现场等区域[1]。由于移动式环保公厕车工作范围广、环境复杂，且没有地基固定，这就对其抗地震能力、抗风载倾覆能力要求特别高。研究其在不同地震载荷、风力载荷条件下的静强度状况，确保其在工作环境下安全可靠运行具有极其重要的意义。随着有限元技术的发展，也让不同工况下模型的多方位仿真分析成为可能[2-7]。

基于目前移动式环保公厕的使用形式，本文选取较为常见的半挂移动式环保公厕车作为研究对象，分析其在不同地震载荷、不同风载荷及综合工况条件下整体架构的静强度变化，从而为该类型移动式公厕车的极限工作条件及安全分析提供参考。

1 几何模型

1.1 模型描述

移动环保公厕车由车辆底架、上部框架及装置、泵站、污物箱及水箱等组成。底架采用13 000 mm×3 000 mm×1 470/970 mm半挂车，框架采用底梁结构，主框架材料为12#槽钢，立面结构主框架采用40 mm×60 mm方钢焊接，整车质量约15 000 kg。

为简化计算，泵站、污物箱、水箱模型简化为质点，位于其对应位置处。简化后模型如图1所示。其中，厕所车前进方向为X轴，垂直路面竖立方向为Z轴，垂直前进水平方向为Y轴。

图1 移动式环保公厕车简化几何模型

1.2 材料参数

车厢各部件材料主要有两种，钢架结构为Q-235型钢(12#槽钢及40 mm×60 mm的方钢)，外面包络壳体为碳化木材，厚度为10 mm，两种材料的主要力学性能如表1所示。

表1 材料力学性能[8]

1.3 网格模型

模型采用实体单元进行网格划分，共划分188 121个单元，共计757 194个节点。移动式环保公厕车网格模型如图2所示。

图2 移动式环保公厕车网格模型

1.4 约束与载荷

车体轮胎及支撑采用位移约束。考虑移动环保公厕车自身的重量引起的载荷。

1.4.1 风载

根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[9]的规定，风压计算按照以下公式进行：

式中，w0为基本风压；ρ为空气密度；v0为基本风速。

由于移动式环保公厕车为矩形结构，依据标准GB 50009—2012的规定，该车的风载加载可按图3进行，CW为风载系数。

图3 风载施加示意

1.4.2 地震载荷

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[10]，考虑移动公厕的实际使用条件，设计考虑地震烈度为6～10度。

2 结果与讨论

2.1 风载对移动式环保公厕车强度性能的影响

由于移动式环保公厕车工作时，每天承受不同风级载荷的作用。考虑常规使用环境可能经受的风级及可忽略情况，分析了6～12级风载情况下对移动式环保公厕车应力和变形的影响。利用ANASYS Workbench软件分别分析的风载工况如表2所示。有限元模型施加载荷情况如图4所示。

表2 移动式环保公厕车承受风载工况

图4 受12级风载时车体载荷与约束施加

分别对表2中5种风载工况进行仿真分析，分析结果如图5所示。

图5 风载工况下，移动公厕车变形及应力比较

从图5可以看出，随着风载增大，移动式环保公厕车变形及应力都逐渐增大，并且趋势一致。随着风载增大，移动式环保公厕整体变形及应力并不是线性变化。一方面移动公厕车承受载荷增大，另一方面对框架结合部位的冲击和破坏越来越严重，公厕车框架发生不可恢复性变形，从而造成移动公厕整体变形超过线性增加，让整体框架承受越来越大的破坏。在承受10级及以下风载情况下，变形基本都在0.6 mm以下，对车体各部分影响不大，可以在风载消失后自主恢复，故此时不需要再另行专门检查或加固。但是当承受风级超过12级以后，变形超过0.75 mm，甚至达到1.2 mm，此时情况下，即使应力未超过框架基材的许用应力，也需要在风载过后对车体进行整体强度检查，甚至进行局部加固，以确保移动式环保公厕车的安全使用。

图6展示了受12级风载工况下，车体装配体与车体钢架结构的变形云图，最大变形量为0.753 mm，发生于车体外敷碳化木板上。图7所示为受12级风载工况下，车体装配体与车体钢架结构的应力云图，最大应力值为24.509 MPa，发生在钢架结构下支架的弯折处。整体结构的变形与应力均较小，最大应力值远小于碳化木板的抗压应力值和Q235钢的屈服极限，符合强度及刚度要求；但由于变形相对较大，风载过后仍需对车体结构进行检查，确保安全使用。

(a)车体装配体

(b)车体钢架

(a)车体装配体

(b)车体钢架

2.2 地震载荷对移动式环保公厕车强度性能的影响

移动式环保公厕车工作环境下，也有可能承受不同程度的地震载荷。轻微地震载荷对公厕车影响较小，不再仔细分析；这里主要考虑6～10级地震载荷情况下对移动式环保公厕车应力和变形的影响。利用ANASYS Workbench软件分别分析的地震载荷工况如表3所示。有限元施加载荷情况(地震烈度9度时载荷施加)如图8所示。

表3 移动式环保公厕车承受地震载荷工况

注：g为重力加速度，约9.8 m/s2。

图8 地震荷载(烈度9度)工况下车体载荷及约束施加

分别对表3中5种地震载荷工况进行仿真分析，分析结果如图9所示。

图9 地震载荷对移动公厕车强度性能影响

观察图9可以发现，随着地震载荷的增大，移动式环保公厕车的变形及应力值都逐渐增大，并且随着载荷的持续变大，其变形和应力加大的斜率也在不断变大。在载荷较小的范围内变化时，虽然车体变形及应力都会增大，但是对车体内部结构破坏较小，变形恢复较快。由图中可以发现，在9级烈度以下时，车体变形很小，承受这种程度的载荷不会对车体内部结构产生影响。但是当地震烈度达到9度并再次增加时，车体变形严重，并且应力急剧增大，车体承受此种载荷后，必须对车体进行检查、修复和加固，保证使用安全。当承受10级烈度地震载荷时，变形达2.34 mm，应力91.108 MPa，已经超过碳化木板的抗压应力值，故此时移动式环保厕所车体会被破坏。

图10展示了9级烈度地震载荷工况下，车体的变形云图，最大变形量为1.137 3 mm，发生于车体侧面外敷碳化木板上。图11所示为受地震载荷工况下，车体的应力云图，最大应力值为36.321 MPa，发生在车桥轴与轮胎交接处。整体结构的最大应力值小于碳化木板的抗压应力值和Q235钢的屈服极限，符合强度及刚度要求。

图10 受地震载荷工况下车体变形云图

图11 地震荷载工况下车体应力云图

2.3 风载与地震载荷共同作用的复合工况对移动式环保公厕车强度安全性能影响

图12展示了受风载(12级)和地震载荷(9级烈度)共同作用的工况下，车体的变形云图，最大变形量为1.546 mm，发生于车体迎风面外敷碳化木板上。图13所示为受风载和地震载荷共同作用的工况下，车体的应力云图，最大应力值为60.194 MPa，发生在公厕车车桥支架弯折处。此时整体结构变形很大，而且应力值也非常大，已经接近于碳化木板的抗压应力值，此时虽然理论上移动式环保公厕车车体仍是安全的，但是已经达到使用的极限，需要进行完全的安全检查及加固。分析结果表明，当地震载荷与风载同时作用于移动式环保公厕车上时，会产生比单一载荷作用大的多的变形和应力值，从而更容易造成车体的损坏。

图12 受风载和地震载荷共同作用的工况下，车体变形云图

图13 受风载和地震载荷共同作用的工况下，车体等效应力云图

3 结论

利用有限元仿真的方法，分别分析了不同风载和不同地震载荷作用下对移动式环保公厕车变形和应力的影响，并研究了风载与地震载荷同时作用时车体的变形状况，对于移动式环保公厕车的使用环境的选择、安全检查的合理安排等具有显著的指导意义。通过分析得到结论如下：

(1)承受风载条件下，载荷10级及以下时，车体变形较小，此时不需要再另行专门检查或加固。承受风载超过12级以后，车体变形很大，需要在风载过后对车体进行整体强度安全检查和局部加固。

(2)承受地震载荷条件下，在9级烈度以下时，车体变形很小，不会对车体内部结构产生影响。当地震烈度达到9度并再次增加时，车体变形严重，并且应力急剧增大，必须对车体进行安全检查、修复和加固。

(3)当地震载荷与风载同时作用于移动式环保公厕车上时，会产生比单一载荷作用大的多的变形和应力值，更容易造成车体的损坏。