裝配式地下糧倉鋼-混組合倉壁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有限元分析

王振清，揣 君，王錄民，梁醒培，劉永超，侯支龍

·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

裝配式地下糧倉鋼-混組合倉壁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有限元分析

王振清1，揣 君1※，王錄民1，梁醒培1，劉永超2，侯支龍1

（1. 河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，鄭州，450001；2. 鄭州工大糧安科技有限公司，鄭州，450001）

地下糧倉是構(gòu)建綠色儲(chǔ)糧新體系的重要技術(shù)支撐，結(jié)合工程實(shí)際提出了一種新型裝配式鋼板-混凝土組合地下糧倉。為了建立適用于裝配式地下糧倉的有限元模型以模擬分析組合倉壁節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，并通過有限元分析指導(dǎo)組合倉壁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)的開展，基于工程設(shè)計(jì)的鋼板-混凝土組合倉壁及連接接頭，采用ANSYS軟件建立了倉壁及其節(jié)點(diǎn)1∶1足尺試件的有限元模型，模擬分析了無接頭、有接頭試件的受彎和受壓性能，并開展倉壁節(jié)點(diǎn)抗彎、抗壓試驗(yàn)對(duì)有限元模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)果表明：試件的鋼板和混凝土由栓釘連接為一體，試驗(yàn)過程中二者未見剝離可共同工作，建模時(shí)鋼板和混凝土共用結(jié)點(diǎn)以及接頭鋼板之間假定為剛性連接是適用的；同類試件撓度曲線、軸壓荷載-位移曲線的試驗(yàn)結(jié)果與其有限元模擬結(jié)果基本一致，無接頭試件和有接頭試件彎曲跨中位移、軸壓最大位移的試驗(yàn)值與對(duì)應(yīng)的模擬值，相對(duì)誤差分別在4%和10%以內(nèi)；試驗(yàn)過程中試件未發(fā)生明顯破壞和過大變形，應(yīng)力總體上未超過工程設(shè)計(jì)允許值，數(shù)值模擬結(jié)果精度滿足工程所需；有接頭試件力學(xué)性能與無接頭試件相近，設(shè)計(jì)的倉壁及其節(jié)點(diǎn)是安全、可靠的，其結(jié)構(gòu)計(jì)算可以采用等同原理，即該裝配式倉壁可等效為現(xiàn)澆一體的無接頭倉壁。建立的倉壁節(jié)點(diǎn)有限元模型適用于新型裝配式地下糧倉，研究結(jié)果為裝配式地下糧倉有限元建模分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算提供參考，為組合倉壁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的開展提供指導(dǎo)。

力學(xué)性能；有限元分析；節(jié)點(diǎn)；地下糧倉；鋼板-混凝土組合倉壁；節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

0 引 言

糧食安全事關(guān)國計(jì)民生，確保糧食安全是中國農(nóng)業(yè)政策的基本目標(biāo)之一。為了保障國家糧食安全，中國建立了糧食儲(chǔ)備制度，實(shí)施糧食儲(chǔ)備戰(zhàn)略[1]。糧食安全涉及數(shù)量安全和品質(zhì)安全2個(gè)方面，地下糧倉（簡稱地下倉）是構(gòu)建中國綠色生態(tài)儲(chǔ)糧體系的重要技術(shù)支撐[2]，有利于大幅提升國家儲(chǔ)備糧的品質(zhì)。與地上糧倉相比，地下倉可以充分利用地下空間，具有恒溫、節(jié)能、節(jié)地、綠色、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)[3]，是目前糧食行業(yè)的重要研究課題之一。近年來，大直徑鋼筋混凝土地下倉成為現(xiàn)代地下倉的典型代表，取得了不少研究成果[4-9]，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代地下倉的研究。然而，大直徑鋼筋混凝土地下倉采用的是傳統(tǒng)的現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)施工前需要深基坑開挖、支護(hù)和降水，并存在防水抗?jié)B難、濕作業(yè)周期長、抗浮配重等未能較好解決的問題[10]。針對(duì)上述問題提出了一種裝配式鋼-混地下糧倉（簡稱裝配式地下倉），它是利用內(nèi)層鋼板形成封閉防水抗?jié)B層，基于逆作法施工實(shí)現(xiàn)倉壁預(yù)制塊與基坑支護(hù)合并，縮短了濕作業(yè)施工周期，降低建設(shè)成本，支護(hù)樁與倉壁連接既能承重又能夠抗拔。該裝配式地下倉是全新技術(shù)體系，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)于裝配式鋼板-混凝土組合構(gòu)件在隧道襯砌、礦井井壁、組合結(jié)構(gòu)等類似工程領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量研究[11-23]。姚直書等[12]對(duì)雙層鋼板混凝土復(fù)合井壁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，表明通過鋼板與混凝土的相互約束，改善了各自的力學(xué)特性，使井壁豎向承載力顯著提高，井壁結(jié)構(gòu)中的混凝土完全處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度提高了1.73～1.92倍。徐敏[13]利用ANSYS軟件對(duì)雙層鋼板混凝土井壁進(jìn)行了力學(xué)特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。聶建國等[14-15]開展了鋼板-混凝土組合簡支梁的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明若合理地配置栓釘連接件，鋼板和鋼筋混凝土可以形成組合截面共同工作。張厚美等[16]開展了盾構(gòu)隧道管片接頭荷載試驗(yàn)研究，并對(duì)彎接頭和直接頭足尺試件進(jìn)行了對(duì)比，表明彎接頭接縫的受力和變形規(guī)律與直接頭是相同的，僅從評(píng)價(jià)接縫抗彎剛度角度出發(fā)，用直接頭代替彎接頭是合適的。吳麗麗等[17]對(duì)簡支鋼板-混凝土組合板試件進(jìn)行受彎性能試驗(yàn)，對(duì)組合板試件的破壞形態(tài)、鋼板與混凝土應(yīng)變發(fā)展情況、裂縫發(fā)展情況及組合板承載能力進(jìn)行了研究。楊悅等[18]開展了鋼板混凝土組合板受彎性能試驗(yàn)，表明按完全抗剪連接設(shè)計(jì)的試件破壞形態(tài)與適筋梁相似，具有良好的受彎承載能力和延性。裝配式技術(shù)和組合結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[24-25]已經(jīng)發(fā)布實(shí)施，為工程實(shí)踐和應(yīng)用提供指導(dǎo)。裝配式技術(shù)和組合結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域的研究應(yīng)用越來越普遍，但兩者在地下倉中的研究應(yīng)用罕見報(bào)道，相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法仍未建立。目前裝配式建筑是中國大力推行的環(huán)保節(jié)約型建筑結(jié)構(gòu)體系，可靠的節(jié)點(diǎn)連接是裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，裝配式節(jié)點(diǎn)及其性能決定著整體結(jié)構(gòu)的可靠性與計(jì)算模型[26-27]，是裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

本文基于工程應(yīng)用設(shè)計(jì)了裝配式地下倉鋼板-混凝土組合倉壁（簡稱組合倉壁）及其新型干式連接節(jié)點(diǎn)，開展了組合倉壁及其節(jié)點(diǎn)抗彎、抗壓性能的有限元模擬；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了組合倉壁及節(jié)點(diǎn)足尺試件的力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)試并對(duì)比分析了能夠反映有、無接頭試件剛度的指標(biāo)參數(shù)-撓度和位移量。通過研究，驗(yàn)證了有限元模擬分析的有效性。研究為裝配式地下倉的有限元精細(xì)建模模擬、結(jié)構(gòu)計(jì)算和工程設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 試件設(shè)計(jì)

該文以河南某工程項(xiàng)目大直徑鋼筋混凝土地下糧倉（試驗(yàn)倉）為結(jié)構(gòu)原型，綜合考慮設(shè)計(jì)、施工、造價(jià)等多方面因素，提出了新型裝配式地下倉，結(jié)構(gòu)方案詳見文獻(xiàn)[10]。設(shè)計(jì)倉容約5 000 t（以小麥計(jì)），倉內(nèi)徑25 m，組合倉壁高約20 m，厚度0.31 m。倉頂覆土厚1.5 m；倉底板為漏斗狀，頂標(biāo)高-21 m，底標(biāo)高-28 m。組合倉壁周圍均布36根鋼樁，型號(hào)為HW400×400×13×21。

該裝配式地下倉為地下薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，在外部水土壓力下，空倉狀態(tài)是最不利工況；由柱殼理論可知，倉壁主要是環(huán)向受力，沿倉壁高度方向的豎向接頭受力較大，易發(fā)生破壞，影響著整倉的受力性能和計(jì)算模型，因此重點(diǎn)開展豎向接頭的相關(guān)研究。由經(jīng)典土壓力公式計(jì)算外部水土壓力，倉壁底部最大荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為300 kN/m；按照無接頭均質(zhì)模型計(jì)算，倉壁需承受環(huán)向最大軸力設(shè)計(jì)值4 895 kN，除倉壁上下兩端（與倉頂板、倉底板連接環(huán)梁位置）所需承受的最大彎矩設(shè)計(jì)值255 kN·m外，其余部位彎矩設(shè)計(jì)值均小于50 kN·m。目前受試驗(yàn)條件限制開展組合倉壁的整環(huán)足尺試驗(yàn)較難實(shí)現(xiàn)；縮尺模型自身存在很大近似性，且滿足相似比的試驗(yàn)材料不易選取；另外，弧形試件對(duì)加載裝置要求較高，邊界條件難以滿足；在保證試件受力狀態(tài)與工程實(shí)際基本相符的前提下，采用平直試件代替實(shí)際的弧形試件。

綜上，參考《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)裝配施工可操作性設(shè)計(jì)了組合倉壁及其節(jié)點(diǎn)。組合倉壁由內(nèi)側(cè)鋼板-混凝土預(yù)制塊拼裝而成，組合倉壁的材料內(nèi)層為Q345型鋼板，厚10 mm；外層為鋼筋混凝土，厚300 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，兩者通過圓柱頭栓釘連接為一體，見圖1a。定義左右預(yù)制塊之間沿倉壁高度的接頭為豎向接頭，采用“喇叭形”空腔接頭（便于逆作法施工和基坑支護(hù)一體化），其組成是兩塊U型包邊鋼板、止水鋼板、傳力鋼板、鋼樁翼緣板，通過焊縫連接為一體，如圖1b。基于工程設(shè)計(jì)了無接頭、有接頭試件，其幾何尺寸及構(gòu)造如圖1所示。

圖1 試件尺寸及構(gòu)造（單位：mm）

2 有限元分析

2.1 模型建立

試件材料主要是2種不同性質(zhì)的鋼板和混凝土，兩者通過焊接在鋼板上的栓釘連接在一起，栓釘規(guī)格、間距的選取參照了規(guī)范[25]和文獻(xiàn)[15]，以保證鋼板和混凝土能夠變形協(xié)調(diào)，共同工作。建模時(shí)鋼板和混凝土接觸面上共用節(jié)點(diǎn)處理,并且鋼板和混凝土之間存在一個(gè)接觸面，二者之間是面-面接觸，非點(diǎn)和線接觸，在接觸面上共用結(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)鋼板和混凝土在接觸面上的變形協(xié)調(diào)。有接頭試件的接頭構(gòu)造較復(fù)雜，U型鋼板和混凝土的空間關(guān)系不易處理，是建模難點(diǎn)，假定鋼板間的連接為剛性連接。混凝土采用Solid185實(shí)體單元，鋼板采用Shell63殼單元，單元特性符合試件的力學(xué)性能要求[26]，接頭鋼板和混凝土的空間關(guān)系也得到了有效處理。建立坐標(biāo)系：以試件長度方向?yàn)檩S，厚度方向?yàn)檩S，寬度方向?yàn)檩S。采用有限元軟件ANSYS按圖1分別建立無接頭、有接頭試件的有限元模型，主要網(wǎng)格尺寸均為0.05 m，接頭處網(wǎng)格加密，如圖2所示。無接頭試驗(yàn)件模型共有6 160個(gè)單元，有接頭試件模型共有8 460個(gè)單元。其中，模型簡化了混凝土內(nèi)部栓釘和頂部配置的抗裂鋼筋網(wǎng)。

a. 無接頭試件 a. Specimen without jointsb. 有接頭試件b. Specimen with a joint

2.2 材料性能

用于制作試件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，與試件同時(shí)澆筑并在相同條件下養(yǎng)護(hù)30 d的立方體試塊測(cè)得的混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為39.55 MPa，彈性模量為3.25×104MPa。試件中鋼材型號(hào)為Q345，實(shí)測(cè)材料性能見表1。

表1 鋼板材料性能

2.3 受彎模擬與分析

受彎試件采用兩點(diǎn)對(duì)稱加載，圖3為加載示意圖。施加的單點(diǎn)荷載最大值為270 kN，通過加載梁轉(zhuǎn)化為均布荷載作用在試件上，梁寬0.2 m，依此定義邊界條件和施加荷載，求解得到受彎模擬結(jié)果。模型的邊界條件為左支座處所有節(jié)點(diǎn)施加向、向位移及轉(zhuǎn)動(dòng)約束；右支座處所有節(jié)點(diǎn)施加向位移約束及向、向轉(zhuǎn)動(dòng)約束；此外，還對(duì)左、右支座沿試件寬度方向的正中間節(jié)點(diǎn)施加向位移約束。

無接頭、有接頭受彎試件的編號(hào)分別定義為SC-M1、SC-M2。SC-M1和SC-M2的向（厚度方向）變形云圖如圖4a、圖4b所示，向（長度方向）的正應(yīng)力云圖如圖4c、圖4d所示。由圖4a、圖4b可見無接頭、有接頭試件變形趨勢(shì)基本相同，均為彎曲變形，跨中撓度最大，符合兩點(diǎn)彎曲變形規(guī)律。SC-M1、SC-M2跨中最大撓度模擬值分別為0.7 、0.57 mm，有接頭試件較前者小18.6%，表明有接頭試件的抗彎剛度大于前者，設(shè)計(jì)的接頭較無接頭區(qū)域（組合倉壁）具有足夠的抗彎剛度。從圖4c、圖4d可見無接頭、有接頭試件的向正應(yīng)力分布差異明顯，其向正應(yīng)力均是上部受壓下部受拉，但是有接頭試件接頭區(qū)域的應(yīng)力分布比較復(fù)雜，顯然接頭的存在改變了試件的應(yīng)力分布狀態(tài)。受彎試件混凝土最大正應(yīng)力與鋼板最大等效應(yīng)力見表2。

圖3 受彎試件加載示意圖

圖4 受彎試件Y向變形云圖和X向正應(yīng)力云圖

由表2可知混凝土最大壓應(yīng)力和鋼板等效應(yīng)力均未超過設(shè)計(jì)值，混凝土最大拉應(yīng)力超過了設(shè)計(jì)值，但僅是局部點(diǎn)超限。實(shí)際上試件底鋼板上有大量栓釘，有限元模型未考慮栓釘分散應(yīng)力的作用；另外，當(dāng)模擬得到的混凝土拉應(yīng)力超過其設(shè)計(jì)值時(shí)，通過配置一定量鋼筋使結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求[27]，工程應(yīng)用時(shí)底部可配置鋼筋網(wǎng)。

表2 受彎試件最大應(yīng)力

2.4 受壓模擬與分析

上文所述裝配式地下倉環(huán)向最大軸力設(shè)計(jì)值為4 895 kN，偏于工程安全最大加載值取5 000 kN，受壓試件采用軸壓加載方式，加載示意圖見圖 5，加載板轉(zhuǎn)化為均布荷載作用在試件底部；以此定義邊界條件、施加荷載和求解。模型的邊界條件為下端支座處所有節(jié)點(diǎn)施加向、向、向位移約束及向、向轉(zhuǎn)動(dòng)約束；上端支座處所有節(jié)點(diǎn)施加向、向位移約束及轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

無接頭、有接頭受壓試件編號(hào)定義為SC-N1、SC-N2。SC-N1和SC-N2的向（軸向）變形云圖和正應(yīng)力云圖 S如圖6所示。從圖6a、圖6b可看出兩試件主要變形均為軸向壓縮，伴隨彎曲變形，且變形趨勢(shì)大致相同，符合軸壓加載變形規(guī)律，受壓加載模擬與倉壁實(shí)際受力相似。SC-N1、SC-N2軸向最大位移模擬值分別是1.03、1.01 mm，有、無接頭試件相差1.94%，表明有接頭試件的抗壓剛度相近于無接頭，即設(shè)計(jì)的接頭與無接頭區(qū)域（組合倉壁）具有匹配的抗壓剛度。由圖6c、圖6d可見，受壓試件的軸向正應(yīng)力分布明顯有差異，最值位置也不同；接頭鋼板致使接頭區(qū)域的軸向正應(yīng)力分布變得復(fù)雜，接頭的存在明顯影響了試件的軸向正應(yīng)力分布狀態(tài)，其混凝土及鋼板最大應(yīng)力見表3。

圖5 受壓試件加載示意圖

a. SC-N1變形云圖a. SC-N1 deformation nephogram b. SC-N2變形云圖b.SC-N2 deformation nephogram c. SC-N1應(yīng)力云圖c.SC-N1 stress nephogram d. SC-N2應(yīng)力云圖d. SC-N2 stress nephogram

由表3和圖6可知有接頭試件僅在局部角點(diǎn)和邊界點(diǎn)應(yīng)力超過了允許值，是因試件兩端邊界模擬軸向加載產(chǎn)生的，實(shí)際工程并不會(huì)出現(xiàn)，其他均滿足要求。

表3 受壓試件最大應(yīng)力

注：（）內(nèi)注明的是應(yīng)力的方向。

Note: () The deformation of the stress is indicated.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)概況

為了驗(yàn)證裝配式地下倉組合倉壁及接頭有限元模型的適用性和結(jié)果的有效性，特別是鋼板與混凝土共用節(jié)點(diǎn)的假設(shè)，鋼板之間焊縫連接的剛接處理，是否合理及滿足工程要求，在有限元模擬分析的基礎(chǔ)上開展了節(jié)點(diǎn)抗彎、抗壓試驗(yàn)。按照?qǐng)D1制作兩組共6個(gè)1∶1試件，每組無接頭試件1個(gè)、有接頭試件2個(gè)，分別用于抗彎和抗壓試驗(yàn)。試件制作時(shí)鋼構(gòu)件全部在鋼構(gòu)工廠加工，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)支模、綁筋、澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)30 d；接頭焊接完全模擬工程施工現(xiàn)場(chǎng)立焊，如圖7a所示，試驗(yàn)加載與有限元模擬條件一致。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖7b、圖7c所示。

a. 試件接頭焊接現(xiàn)場(chǎng) a. Welding site of the specimen’s jointb. 抗彎試驗(yàn)b. Flexural experimentc. 抗壓試驗(yàn)c. Compressive experiment

3.2 測(cè)試方案

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備選用兩臺(tái)東華DH3816N采集儀（每臺(tái)60通道），DSDAH信號(hào)采集和分析系統(tǒng)，測(cè)試儀器YHD-50/100型位移計(jì)和鋼板、混凝土應(yīng)變片。

抗彎試驗(yàn)選用兩臺(tái)液壓伺服壓力加載系統(tǒng)，單個(gè)壓力試驗(yàn)機(jī)可加載最大壓力值為50 t，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和采集加載數(shù)據(jù)。為了考察有無接頭試件的抗彎剛度，實(shí)測(cè)試件純彎段(接頭區(qū)域)的撓度值，由兩點(diǎn)彎曲公式近似計(jì)算加載值（取0.5m，彎矩大于50kN·m），同時(shí)考慮分級(jí)加載和測(cè)量精度，每個(gè)加載點(diǎn)的最大加載值為270 kN，分9級(jí)加載，每級(jí)加載速度為30 kN/min。抗彎試驗(yàn)有接頭、無接頭試件的豎向位移測(cè)點(diǎn)位置一致，如圖8a。

抗壓試驗(yàn)采用液壓伺服剪壓長柱加載系統(tǒng)，試驗(yàn)機(jī)可提供最大壓力值為1 200 t，實(shí)際工程倉壁內(nèi)力主要是環(huán)向軸力，依據(jù)環(huán)向最大軸力設(shè)計(jì)值模擬加載，偏安全取最大加載值為5 000 kN，分25級(jí)加載，加載速度2 kN/s。有、無接頭試件位移測(cè)點(diǎn)布置相同，如圖8b。

注：C1～C32為抗彎試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)編號(hào)。YW1～YW24和XW2～XW8為抗壓試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)編號(hào)。

3.3 抗彎試驗(yàn)驗(yàn)證分析

前期對(duì)空倉工況下的組合倉壁進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)組合倉壁接頭處截面的抗彎剛度與非接頭處截面的抗彎剛度比達(dá)到一定數(shù)值（大于1.0）時(shí)，有接頭的組合倉壁的臨界屈曲荷載不小于無接頭的組合倉壁，同時(shí)剛度和強(qiáng)度也能滿足要求。在此基礎(chǔ)上，先由兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)獲得其抗彎剛度（彈性階段）。抗彎加載從0至270 kN，試件沒有出現(xiàn)明顯裂縫，焊縫完好無損，鋼板和混凝土之間未見剝離脫開，能夠協(xié)同工作；卸載后試件恢復(fù)原狀，試件未產(chǎn)生塑性變形，并具有足夠強(qiáng)度。

撓度是反映抗彎剛度的主要指標(biāo)。以試件豎向位移測(cè)點(diǎn)C1、C2、C3的平均值作為跨中撓度，抗彎試件的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線見圖9；由圖9可知隨著荷載的增大，跨中撓度基本上呈線性增大，表明試件在加載過程中處于彈性變形階段，沒有發(fā)生塑性變形。

圖9 抗彎試件荷載-跨中撓度關(guān)系

依據(jù)模擬值和試驗(yàn)值，繪制抗彎試件撓度曲線如圖 10所示，因試件加載不均勻、焊接變形等原因，撓度曲線存在偏差，但跨中撓度十分接近；抗彎試件跨中最大撓度試驗(yàn)值見表4，與模擬值相比，無接頭試件相對(duì)誤差為1.45%，有接頭試件相對(duì)誤差為9.61%和0。對(duì)比表明試驗(yàn)值與有限元模擬結(jié)果相對(duì)誤差較小，基本吻合，建模時(shí)的假定是合理的，所建立有限元模型是適用的，模擬分析指導(dǎo)了試驗(yàn)順利開展。

a. 無接頭試件 a. Specimen without jointsb. 有接頭試件 b. Specimen with a joint

表4 抗彎試驗(yàn)試件跨中撓度

3.4 抗壓試驗(yàn)驗(yàn)證分析

抗壓試驗(yàn)從0加載至倉壁環(huán)向軸力設(shè)計(jì)值（偏于安全）5 000 kN，試件沒有出現(xiàn)明顯裂縫，焊縫完好無損，鋼板和混凝土未見剝離脫開，能夠協(xié)同工作，卸載后能夠恢復(fù)原狀；表明試件處于彈性變形階段，未出現(xiàn)塑性屈服，具有足夠的強(qiáng)度。

以試件底端和頂端測(cè)點(diǎn)的位移差值作為試件縱向壓縮總變形量，擬合平均位移差繪制各抗壓試件荷載-變形曲線如圖11。由圖11可見隨著荷載增大，試件總壓縮變形呈線性增大，表明試件始終處于彈性變形階段。沿試件高度以每層鋼板和混凝土兩側(cè)共6個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移平均值減去頂端6個(gè)測(cè)點(diǎn)位移平均值作為此位置的縱向壓縮變形量，由此得到最后一級(jí)荷載時(shí)不同高度測(cè)點(diǎn)的荷載-位移關(guān)系有限元模擬與試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線如圖12，可見抗壓試件模擬所得的荷載-位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。抗壓試件軸向最大位移試驗(yàn)值見表5，試驗(yàn)值與模擬值相比，無接頭試件相對(duì)誤差為3.74%，有接頭試件相對(duì)誤差為3.06%和3.81%，表明建立有限元模型是適用的。

圖11 抗壓試件的荷載-變形關(guān)系

a.無接頭試件 a. Specimen without jointsb. 有接頭試件b. Specimen with a joint

表5 抗壓試件軸向最大位移

4 結(jié) 論

利用ANSYS軟件建立了裝配式地下糧倉鋼-混組合倉壁及其節(jié)點(diǎn)1∶1足尺試件的有限元模型，模擬并對(duì)比分析了無接頭、有接頭試件的受彎和受壓性能，通過與節(jié)點(diǎn)抗彎、抗壓試驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1）試驗(yàn)過程中鋼板和混凝土未見剝離，二者能夠協(xié)同工作，同類試件撓度曲線、軸壓荷載-位移曲線的試驗(yàn)結(jié)果與其有限元模擬結(jié)果基本一致，表明建模時(shí)鋼板和混凝土共用結(jié)點(diǎn)以及接頭鋼板之間采用剛性連接的假設(shè)是合適的。

2）無接頭試件和有接頭試件彎曲跨中位移、軸壓最大位移的試驗(yàn)值與對(duì)應(yīng)的模擬值，相對(duì)誤差分別在4%和10%以內(nèi)；表明建立的裝配式鋼板-混凝土組合倉壁節(jié)點(diǎn)有限元模型是適用的，為裝配式地下糧倉鋼-混組合倉壁及其節(jié)點(diǎn)的數(shù)值建模提供了有效方法。

3）無接頭試件與有接頭試件跨中最大撓度模擬值分別為0.7 、0.57 mm，有接頭試件較前者小18.6%；軸向最大位移模擬值分別為1.03 、1.01 mm，兩者相差1.94%。表明基于組合倉壁接頭處截面的抗彎剛度與非接頭處截面的抗彎剛度比達(dá)到一定數(shù)值（大于1.0）設(shè)計(jì)的接頭，其力學(xué)性能與無接頭相近，裝配式鋼板-混凝土組合倉壁可以等效為現(xiàn)澆一體的無接頭倉壁，即可以采用等同原理進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

4）試件設(shè)計(jì)與制作基于實(shí)際工程，有限元模擬結(jié)果指導(dǎo)了組合倉壁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的順利開展，試驗(yàn)過程中未發(fā)生整體破壞，在外部水土壓力作用下處于彈性階段；設(shè)計(jì)的裝配式地下糧倉鋼板-混凝土組合倉壁及節(jié)點(diǎn)是一種可靠的、可施工操作的連接方式，其承載力高、剛度大，偏于工程安全。

5）與無接頭的組合倉壁相比，有接頭的組合倉壁豎向接頭改變了應(yīng)力分布狀態(tài)，局部出現(xiàn)應(yīng)力過大，是其薄弱部位，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以加強(qiáng)。

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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，王錄民，梁醒培，劉永超，侯支龍. 裝配式地下糧倉鋼-混組合倉壁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有限元分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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

國家科技部糧食公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201413007，201513001-03）；省屬高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2016QNJH23）

王振清，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閮?chǔ)倉結(jié)構(gòu)和綠色儲(chǔ)糧新體系。Email：hnzzwzhq@163.com

揣 君，博士生，主要研究方向?yàn)榈叵录Z倉設(shè)計(jì)。Email：chuai-jun@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.035

TU249.2

A

1002-6819(2019)-24-0298-09