装配式陶粒生态围挡板的设计及结构试验研究

赵可昕，杨永民

（1.华南理工大学，广东 广州 510225；2.仲恺农业工程学院，广东 广州 510225；3.仲恺农业工程学院 建筑节能可持续发展研究所，广东 广州 510225）

0 引 言

在城市进行施工时，为了维护城市容貌，同时阻止市民进入施工现场影响施工及保护市民安全，施工现场都会设置围墙进行围闭[1-3]。常见的围闭方式根据工期的长短及施工条件可分为砖砌围墙、PVC 围挡、彩钢围挡、泡沫夹芯板围档等[4-9]。现有的施工围墙往往只起到围闭隔离的作用，而且外观单调，影响城市的整体容貌。随着城市的发展，人民对生活环境的要求越来越高，有人提出在围墙上种植花卉植物，提高城市绿化面积[10-12]。

本文根据生态围墙的结构和功能，将围墙设计成不同类型的构件，采用装配的方式进行组合。生态围墙的各构件主体由陶粒生态混凝土制作而成，具有足够的强度与耐久性，可长期使用，而且通过构件的拆装，可对生态围墙实行整体移除、搬运，实现生态围墙的循环使用，一方面，不会产生建筑垃圾；另一方面，可节约成本。同时生态围墙上的植物是直接种植生长在主体构件上的，不需要另外安装用于植物植或摆放的支架，拆装搬运时可以直接跟随构件一同进行，再次应用时也基本不需要重复栽种。

1 装配式陶粒生态围挡板的设计

1.1 设计要求

高度：一般路段的围挡高度不得低于1.8 m，市区主要路段的围挡高度不得低于2.5 m。抗风稳定性：不低于0.95 kPa。

1.2 结构设计与说明

装配式陶粒生态围挡结构由主体结构、灌溉系统、除尘系统、照明系统组成。主体结构由墙体基座、种植墙体构件、立柱、顶盖拼装组合而成。种植墙体构件是由陶粒生态混凝土浇筑而成的多孔板体，构件两侧面各设有一列突起柱体，突起柱体长50 mm，宽50 mm，高比构件高度从两端各小8～10 cm，安装时与立柱嵌套；种植墙体构件的正面均布有植物种植孔，植物种植孔深入构件；植物种植孔倾斜向下，与构件正面呈约60°夹角，植物种植孔为直径不小于30 mm 的圆孔或面积相当的其他形状的孔洞。

1.3 陶粒生态围挡板结构有限元分析

陶粒生态围挡墙体作为整个结构中迎风面积最大的构件，也是主要承受风压的构件，而且由于采用的是轻质陶粒混凝土，也是整个结构中强度最低的部位，其结构承受能力是否达标是整个生态围墙中关键，为此结合陶粒生态混凝土的性能特点，对生态围挡体进行ABAQUS 有限元分析，以验算生态围挡墙体的结构承载能力能否满足要求。

1.3.1 计算工况及边界条件

计算的结构为陶粒混凝土墙，开有多孔，实体模型如图1所示，几何尺寸如图2 所示。陶粒混凝土墙受到风压荷载为0.95 kPa，在计算分析中，边界条件假定为：陶粒混凝土墙和地面固接。

图1 陶粒混凝土墙板

图2 陶粒混凝土墙板构件尺寸

1.3.2 材料参数及单元划分

成型制备了3 组陶粒生态混凝土，平均抗压强度为7.1 MPa，平均抗折强度为2.7 MPa。弹性模量取20.0 GPa、泊松比取0.23[13-14]，受压及受拉本构模型[14]按式（1）进行。

计算中混凝土采用C3D10 实体TET 单元，典型单元网格划分如图3 所示。

图3 计算单元网格划分

1.3.3 风荷载计算

施加风荷载0.95 kPa 的计算结果如图4 所示。

图4 陶粒生态混凝土围挡板强度验算

从图4 可以看出，陶粒混凝土墙的最大主应力（拉应力）为0.083 MPa，小于陶粒混凝土的抗拉强度（以抗压强度的1/8，约0.890 MPa 来估计），符合强度的要求，整个构件处于弹性状态，且均未达到陶粒混凝土的抗拉强度。

1.3.4 挠度验算（见图5）

从图5 可以看出，陶粒混凝土墙的最大侧向位移为0.04823 mm，陶粒混凝土墙的悬臂长度为750 mm，则计算长度l0=1500 mm（不大于7 m），验算符合GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中关于受弯构件挠度的规定（普通构件≤l0/200=3.75 mm，重要构件≤l0/250=3.00 mm）。

图5 陶粒生态混凝土围挡板挠度验算

2 陶粒生态围挡板结构试验及分析

2.1 陶粒生态围挡板制备

按照前节设计的结构，制作了3 块陶粒生态围挡板，生态围挡板长1500 mm，高750 mm，厚150 mm，所用陶粒为600级，筒压强度为6.5 MPa，采用P·O42.5R 级水泥，骨料采用粒径10～16 mm 的单粒级陶粒，表观密度为0.51 g/cm3，以矿粉、硅灰混合而成的生态混凝土专用掺合料，采用普通自来水。以水胶比0.28，设计孔隙率20%，制作时所用陶粒生态混凝土强度为5.5 MPa。采用自落式搅拌机进行生态混凝土的制作，往搅拌机中加料，加料顺序为陶粒+水泥+掺合料，空搅拌30 s，然后缓慢加入水，搅拌180 s，卸料，人工稍加拌和，分层装入模具中，每层入料后，用捣棒压实，最后用抹子将多余的混凝土刮去，并对端部进行精加工，自然养护24 h 后脱模，用抹灰砂浆对生态围挡板前后两表面进行抹面，浇水养护7 d 后，进行植物栽种，见图6。

图6 陶粒生态混凝土围挡板

2.2 试验设计

根据设计要求，陶粒生态围挡板需要承受不低于0.95 kPa的风载荷，为方便试验，试验简化为对构件施加均布载荷，试验陶粒生态围挡板的承载极限。试验方案设计参照GB 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》及GB 50010—2010。

试验方法如下：试验时将生态围挡构件平放，下方两端放置两钢锟作为支点，钢锟与生态围挡边缘相距100 mm，然后通过在构件平台上均匀放置砝码或重物施加压力，使得构件能均匀受力。

参照GB 50152—2012，加载时应符合以下要求：（1）在达到使用状态试验荷载值（Qs）前，每级加载不宜大于0.20Qs；超过Qs后，每级加载值不宜大于0.1Qs；（2）接近开裂荷载计算值Qc时，每级加载值不宜大于0.05Qs；试样开裂后，每级加载值取0.1Qs；（3）加载到承载能力极限状态的试验阶段时，每级加载值不应大于承载力动态荷载设计值Qd的0.05 倍；（4）每级加载完成后的持荷时间不少于5～10 min；（5）每级加压后观察疏散平台构件是否出现裂纹，待存在以下情况之一应停止加载：①出现试验标志（裂纹出现且宽度大于0.2 mm）时；②加压级别达到动态荷载设计值Qd；（6）卸载时，每级卸载值不宜大于承载力试验荷载值的40%。

分级加载时，试验荷载的实测值按以下原则确定：（1）在持荷时间完成后出现试验标志时，取该级荷载值作为试验荷载实测值；（2）在加载过程中出现试验标志时，取前一级荷载值作为试验荷载实测值；（3）在持荷过程中出现试验标志时，取该级荷载和前一级荷载的平均值作为试验荷载实测值。

2.3 承载能力试验

按陶粒生态围挡板尺寸及承载要求，生态围挡需承受0.95 kPa 均布载荷，换算成加载力为0.95 kPa×1.5 m×0.75 m=1.07 kN，约107 kg，即块均布极限载重不低于107 kg。试验的荷载分级及试验情况如表1 所示。

表1 试验荷载分级及结果

从表1 可以看出，生态围挡板在承载0.95 kPa 的均布荷载下，其结构仍保持完整，无裂纹出现，说明生态围挡板具有足够的结构强度抗抵风载。

在达到设计荷载后，继续加试生态围挡板进行均布加载，检测其极限载荷能力，试验结果如表2 所示。

表2 陶粒生态混凝土围挡板极限载荷

从表2 可以看出，生态围挡板的承载力可达到5.52 kN，远远大于抵抗风载的设计要求。与前节中有限元分析的结果对比，计算得到生态围挡板在风载作用下所产生的拉应力远低于构件自身的极限拉应力结果相一致。

3 结 论

（1）设计了陶粒生态混凝土浇筑而成的多孔板体作为装配式生态围挡的种植墙体构件，种植墙体构件的正面均布有植物种植孔，植物种植孔深入构件。

（2）通过ABAQUS 有限元软件对风荷载作用下的陶粒生态围挡板的风荷载和挠度进行了计算分析，陶粒混凝土墙的最大主应力（拉应力）为0.083 MPa，小于陶粒混凝土的抗拉强度，符合强度的要求。陶粒混凝土墙的最大侧向位移分别为0.04823 mm，陶粒混凝土墙的悬臂长度为750 mm，则计算长度l0=1500 mm 不大于7 m，符合规范中关于受弯构件挠度的规定。

（3）制作了3 块陶粒生态围挡板进行结构试验，生态围挡板在承载0.950 kPa 的均布荷载下，其结构仍保持完整，无裂纹出现，具有足够的结构强度抗抵风荷载。陶粒生态围挡板的承载力可达到5.52 kN，远远大于抵抗风荷载的设计要求，与有限元分析的结果相一致。