地下粮仓钢板-混凝土组合仓壁节点抗弯性能有限元分析

孟庆婷 张 昊

河南工业大学土木工程学院（450001）

0 引言

地下粮仓因其低温、节地、绿色环保等优点被视为一种理想仓型[1]，国内外学者对其进行了大量研究[2-4]，但在地下水位较高的复杂地质条件下建设地下粮仓时，仍存在基坑开挖、支护降水、湿作业工作量大，施工周期长，污染环境等问题。为了推动装配式地下粮仓发展，文章针对以上问题提出一种装配式钢板-混凝土组合节点体系，如图1 所示，它是采用钢板作为内衬材料，混凝土与内侧钢板通过栓钉连接，仓壁预制块与工字钢、传力钢板和防水钢板通过焊接而形成的整体，既能防水又能承受土压力。

我国装配式地下结构主要应用在盾构隧道、车站等工程中[5-8]，在地下粮仓工程中的应用较少。节点是装配式结构的薄弱部位，关系到装配式地下粮仓的承载能力和稳定性。为探究钢板-混凝土组合节点的受力性能，利用有限元软件ABAQUS 建立了3 个组合节点模型，模型1 带有2 个传力钢板，模型2 带有3 个传力钢板，模型3 带有4 个传力钢板；对组合节点进行了抗弯性能模拟。

图1 构件示意图

1 模型建立

1.1 创建部件

根据U型钢板、工字钢、传力钢板、防水钢板、混凝土、内侧钢板的实际尺寸创建部件。

1.2 材料属性

模拟采用两种不同性质的材料，分别为混凝土和钢板；根据两种材料的弹性、塑性参数创建属性，并将属性赋予各个部件。

1.3 装配

将带有材料属性的部件按照构件形式进行装配，使其成为一个完整的装配式钢板-混凝土组合结构。

1.4 边界条件和荷载

模型的边界条件参照简支梁的支撑形式，构件左边控制x、y、z 方向的位移，右边控制y 向的位移。荷载施加在混凝土面上，加载方式为Pressure，逐级加载，幅值为50 kN，如图2 所示。

图2 模型加载示意图

1.5 网格划分

在网格模块，对各个部件种下种子，划分网格，单元形状选用六面体。由于模型的节点是关键部位，因此节点附近的网格可以适当加密。在确保精确度的前提下，远离节点的位置可以适当减小网格密度，以便减小计算难度。

2 结果分析

2.1 弯矩-位移曲线

模型建立完成后提交作业进行分析，然后点击结果，进入视图化模块，取节点跨中处，查看其位移随荷载增大的变化情况。由于模型中施加的荷载为Pressure，因此处理数据时，要将荷载换算成节点跨中处的弯矩值。三个抗弯模型节点跨中处测点的弯矩-位移曲线如图3 所示。

由图3 可以看出，模型1 在初期加载时的弯矩和位移呈线性增长关系，在弯矩值约为200 kN·m时出现第一个拐点，接着继续加压，两者还是线性关系，但变化速度较加载初期缓慢，当弯矩值为225 kN·m 左右时，开始出现下降趋势，由此可知，模型1 的最大弯矩值约为225 kN·m，节点处最大位移约为1.4 mm；模型2 的弯矩-位移曲线变化与模型1较为相似，加载初期两条曲线重合，曲线出现第一个拐点后，模型2 的曲线变化速度快于模型1，直至弯矩值约为250 kN·m 时出现下降趋势，由此可知，模型2 的最大弯矩值约为250 kN·m，节点处最大位移约为1.6 mm；模型3 的弯矩-位移曲线在加载前期一直为线性增长，在弯矩值约为275 kN·m 时开始出现下降趋势，可认为模型3 的最大弯矩值约为275 kN·m，节点处最大位移约为3.25 mm。

2.2 传力钢板个数与节点承载力的关系式

由图3 可知，模型1、模型 2、模型 3 的最大弯矩值分别为 225 kN·m、250 kN·m、275 kN·m。根据弯矩值-传力钢板个数曲线拟合出的函数关系式为:y=25x+175，其中，x 为传力钢板个数，y 为弯矩值。拟合曲线如图4 所示。

3 结论

文章以某地下粮仓为研究背景，利用有限元软件ABAQUS 建立了3 个组合节点模型，对装配式钢板-混凝土结构进行了有限元分析，旨在为装配式地下粮仓的设计提供参考。结果表明，模型1 能承受的最大弯矩值约为225 kN·m，模型2 能承受的最大弯矩值约为250 kN·m，模型3 能承受的最大弯矩值约为275 kN·m；在加载的过程中，三个模型的弯矩-位移曲线变化趋势基本一致，都经历了弹性→塑性→屈服的阶段；传力钢板个数与节点承载力的关系式为:y=25x+175。

图4 承载力与传力钢板个数拟合曲线