铝蜂窝结构在装配式卫生间中应用模拟分析

□□ 黎初猷

(中铁建设集团南方工程有限公司,广东 广州 511458)

引言

利用Abaqus进行数值模拟可以准确地预测和评估工程的性能。通过建立合适的数学模型和边界条件,Abaqus可以模拟各种物理现象,如结构力学、流体力学和热传导等,从而帮助工程技术人员深入了解系统的行为和响应。通过模拟可以获得结构的应力、应变和位移等参数的详细分析,并对其他关键指标进行预测,如疲劳寿命、变形情况和失效模式等。这些信息对于设计优化、安全评估和决策制定至关重要。

其次,Abaqus可以在虚拟环境中进行系统的测试和验证。在工程中,进行大规模试验或制造原型会非常昂贵、耗时且困难。而利用数值模拟,可以在计算机中重现环境下的负载和条件,并模拟不同设计、材料或操作参数的影响。通过对虚拟模型进行多种场景和条件的测试,可以有效评估设计的可行性,优化设计参数,并预测工程系统运行中的性能。

综上所述,利用Abaqus进行工程数值模拟对于提高设计效率、减少试验成本、优化设计参数以及评估系统性能具有重要意义。三亚中央商务区企业孵化基地项目位于三亚市迎宾路海旅免税城附近,占地面积为6 666.67 m2(约10亩),建筑总面积为41 656 m2,为独栋高端商务写字楼。整体设计营造出空中花园等休息交往空间,采用垂直绿化和屋顶绿化,充分利用自然采光与通风,与绿色生态建筑主题相契合。现以三亚中央商务区企业孵化基地项目为依托,为该项目配置全套装配式整体卫生间,并分析铝蜂窝结构在其中的应用

1 铝蜂窝结构材料

随着社会发展,正六边形蜂窝结构被广泛运用于现代航天航空工程,这种看似简单的造型却能承受超越材料本身数倍乃至数十倍的抗折和抗震系数,使其能发挥出最大强度。飞机、人造卫星和宇宙飞船内部已采用大量蜂窝结构。卫星外壳几乎全部采用蜂窝结构,故而又被称为“蜂窝式航天器”。

蜂窝结构的使用可以追溯到亿万年前,平整的六角形开口及封闭的六角菱形底盘,这样既坚固又省料。这种结构密合度最高、所需材料最少和可使用空间最大。因而拟使用铝蜂窝结构,通过复合聚氨酯在高温高压下聚合瓷砖作为该项目装配式整体卫生间的主体材料。蜂窝复合材料表面可与瓷砖、天然石、人造石等材料复合使用,如图1所示。这样便使得整体的外观和敲击感与普通实心墙体无异,能极大限度地提升卫生间的使用感受。

图1 铝蜂窝与聚氨酯复合材料

由于采用装配式技术及蜂窝结构,使得铝蜂窝复合瓷砖整体卫浴与传统施工整体卫浴在防渗漏、施工速度、设计与做工、吸声降噪、环保和维修等方面具有很强的优势。

1.1 防水底板

防水底板由多层复合防水结构组成,在装配式卫浴中应用其优异性表现如下:

(1)个性化定制。采用铝蜂窝结构,可以根据不同的户型、场地、面积和形状等要求,进行个性化定制,不受到尺寸与形状的制约。

(2)一体化模压框架配合铝蜂窝瓷砖材料复合型材使得防水底盘吸水率低,从而在杜绝渗漏方面具有独特的优势。

(3)高强度的静载承压能力:由于底部采用铝蜂窝结构的设计,经过试验测试,其静载承压可达到20 t·m-2。

(4)底板预制有1～3°的走水坡度,保证卫生间不积水,进一步为装配式整体卫浴的环境、卫生和抗渗漏等方面提供保障。

(5)底盘采用翻边设计可有效防水防漏,再配合防滑地板可保障使用者的安全。

1.2 墙板

卫生间墙面漏水、渗水和掉砖等问题是困扰卫生间墙面设计的主要问题,选择厚铝蜂窝与聚氨酯复合材料的墙面板材可以有效解决此类问题。该面板由铝型材结构、聚氨酯复合材料、铝芯蜂窝结构、聚氨酯复合材料和瓷砖五层构成,如图2所示。其具有快速安装、个性化定制、保温隔声、平整美观、防霉防渗和易于改造等特点,同时还具备良好的力学性能,如其单点吊挂力>800 kN。

图2 铝蜂窝结构墙板

2 数值模拟

利用Abaqus对装配式整体卫生间的防水底板和墙板进行有限元建模分析,有限元模型如图3所示。

图3 铝蜂窝复合材料有限元模型

由于材料结构第一层为瓷砖、二和四层为聚氨酯复合材料,均为匀质材料,采取壳单元进行建模,在装配完成后的整体模型中没有其厚度方向的体现。铝蜂窝夹芯结构采用铝为主体元素,其建模尺寸为100 mm×100 mm,厚度采取施工参数为20 mm,蜂窝结构胞体单元边长为2.75 mm,高为20 mm,厚度为0.05 mm,如图4所示。建模中所使用到的铝蜂窝板复合材料的力学性能参数见表1。

表1 铝蜂窝复合材料夹芯板力学性能

图4 铝蜂窝结构有限元模型

模拟过程设计如下:由于该模型包括防水底板和墙板,在施工中需要固定四周,并在底部铺设水泥砂浆和背胶。因此,模型的边界条件选择为四边完全固定,如图5所示。静载模拟时,防水底板采用20 t·m-2的均布荷载进行布置,墙板在中心位置、边缘位置和随机位置选择了3个单点为800 kN的集中力,以模拟使用过程中的重物放置和单点吊装情况。

图5 边界条件设定

2.1 地板静载模拟

该项目的装配式整体卫生间主要用于高档商业区,与普通家庭使用场景不同。在这种情况下,可能会出现更大的设备静置荷载、更多的使用人数和更高的循环频率。因此,在静力荷载模拟中,选择了20 t·m-2的均布荷载,并通过数值模拟分析获得该样板的应力分布、最大应力、位移分布和最大位移等关键参数。项目底板所采用的复合材料为四层匀质结构,其中第一层为瓷砖面层,第二层为聚氨酯复合材料层,第三层为铝蜂窝结构夹芯层,第四层为聚氨酯复合材料层。在使用中,需要特别关注的是面层是否会出现裂缝以及中间的铝蜂窝夹芯结构是否会破坏导致竖向刚度不足,进而导致表面塌陷,影响使用。而第四层的结构是否受损,并不会直接影响其结构强度,因而分析中不再考虑第四层的应力和位移分布情况。经过模拟,得到各层的应力分布云图和位移分布,如图6～图8所示。经过模拟得到材料结构的第一层、第二层、第三层的最大应力及最大位移情况见表2。

表2 底板模拟结果汇总

图6 均布荷载作用下瓷砖面层受力情况

图7 均布荷载作用下聚氨酯层受力情况

图8 均布荷载作用下铝蜂窝层受力情况

由数值模拟得到的应力Mises云图可知,应力分布情况为四周中部应力最大,这是因为选择模型四周均为完全约束导致的,这也是符合现场施工条件和力学分布的;而位移分布中可以发现中部位移最大,最大位移为9.25×10-5mm。在施工过程中,需要控制板材的挠度,一般要求板材的挠度≯1/400,计算见式(1)。经过验算,该结构的最大位移限值为0.05 mm,因而该结构的最大变形满足限值要求。

(1)

2.2 墙板集中荷载模拟

在模拟中,墙板的厚度选择为40 mm,其中铝蜂窝结构夹芯层的厚度为20 mm。进行墙板的力学模拟时,主要考虑了单点悬吊为80 kg时的情况,并得到墙板的最大应力、最大位移、应力分布和位移分布情况。考虑使用情况下悬吊点位置可能不在板的几何中心,因而在模拟中选择了3种不同的情况,并将得到的最大应力和最大位移进行对比,具体见表3。为更好地模拟使用情况,仍然选择四边完全固定作为墙板的约束条件,但为了模拟单点悬吊的情况,因而施加了一个800 kN的集中力。通过模拟获得材料各结构层的应力分布云图和位移分布,如图9～图14所示。经过模拟得到材料结构的第一层、第二层、第三层的最大应力及最大位移情况见表3。

表3 墙板模拟汇总

图9 集中力作用于边角处时瓷砖面层受力情况

图10 集中力作用于边角处时聚氨酯层受力情况

图12 集中力作用于中心处时瓷砖面层受力情况

图13 集中力作用于中心处时聚氨酯层受力情况

图14 集中力作用于中心处时铝蜂窝层受力情况

由数值模拟得到的应力Mises云图可知,应力分布情况为受荷位置处应力最大,并逐渐向四周递减,受到约束影响,在四边处受力情况类似简支梁受到集中力荷载作用下的分布,总体来看,其应力分布情况满足力学分布特征;而位移分布则是直接受荷位置处位移最大。根据两种不同的布置位置,可以得到最大的位移出现在中心受集中荷载处,这是因为在四周完全固定的情况下,其允许的竖向变形受到固定支座影响而不再发展,反之在中部由于其距离固定支座点最远,因而其竖向位移也会最大,模拟得到在800 kN作用力下最大位移为1.76×10-3mm,满足该结构的最大位移限值为0.05 mm的要求。

3 结论

针对三亚中央商务区企业孵化基地项目中装配式整体卫生间中采用的铝蜂窝-聚氨酯复合材料防水底板和墙体板材进行Abaqus数值模拟,充分考虑施工和使用情况,采用均布荷载模拟大型设备静置和集中荷载模拟单点吊挂重物的情况,其中分别考虑在模型中心处和边角处两种不同使用情况。经过有限元分析可以发现:

3.1 均布荷载作用处,其最大应力出现在四周中心处,最大位移出现在中心位置,模拟施加的荷载均未达到极限强度,并满足最大位移限值。

3.2 集中力作用处,其最大应力出现在施力位置,最大位移也在该位置,模拟施加的荷载均未达到其极限强度,并满足最大位移限值。

在进行模拟分析过程中,存在一定的简化,导致模拟数值结果可能与工程产生的应力和位移不同,主要原因在于两个方面:一是在测试防水底板是否满足20 t·mm-2时,选择整体进行均布荷载布置,但这种情景在工况中很难完全实现,属于极端情况模拟;二是在对墙板是否满足800 kN悬吊力时,使用情况应是局部的均布荷载,而非简化成作用于某一点的集中力,模拟时会造成产生的应力和位移偏大的情况。