地下糧倉鋼板-混凝土組合倉壁節點抗彎性能有限元分析

孟慶婷 張 昊

河南工業大學土木工程學院（450001）

0 引言

地下糧倉因其低溫、節地、綠色環保等優點被視為一種理想倉型[1]，國內外學者對其進行了大量研究[2-4]，但在地下水位較高的復雜地質條件下建設地下糧倉時，仍存在基坑開挖、支護降水、濕作業工作量大，施工周期長，污染環境等問題。為了推動裝配式地下糧倉發展，文章針對以上問題提出一種裝配式鋼板-混凝土組合節點體系，如圖1 所示，它是采用鋼板作為內襯材料，混凝土與內側鋼板通過栓釘連接，倉壁預制塊與工字鋼、傳力鋼板和防水鋼板通過焊接而形成的整體，既能防水又能承受土壓力。

我國裝配式地下結構主要應用在盾構隧道、車站等工程中[5-8]，在地下糧倉工程中的應用較少。節點是裝配式結構的薄弱部位，關系到裝配式地下糧倉的承載能力和穩定性。為探究鋼板-混凝土組合節點的受力性能，利用有限元軟件ABAQUS 建立了3 個組合節點模型，模型1 帶有2 個傳力鋼板，模型2 帶有3 個傳力鋼板，模型3 帶有4 個傳力鋼板；對組合節點進行了抗彎性能模擬。

圖1 構件示意圖

1 模型建立

1.1 創建部件

根據U型鋼板、工字鋼、傳力鋼板、防水鋼板、混凝土、內側鋼板的實際尺寸創建部件。

1.2 材料屬性

模擬采用兩種不同性質的材料，分別為混凝土和鋼板；根據兩種材料的彈性、塑性參數創建屬性，并將屬性賦予各個部件。

1.3 裝配

將帶有材料屬性的部件按照構件形式進行裝配，使其成為一個完整的裝配式鋼板-混凝土組合結構。

1.4 邊界條件和荷載

模型的邊界條件參照簡支梁的支撐形式，構件左邊控制x、y、z 方向的位移，右邊控制y 向的位移。荷載施加在混凝土面上，加載方式為Pressure，逐級加載，幅值為50 kN，如圖2 所示。

圖2 模型加載示意圖

1.5 網格劃分

在網格模塊，對各個部件種下種子，劃分網格，單元形狀選用六面體。由于模型的節點是關鍵部位，因此節點附近的網格可以適當加密。在確保精確度的前提下，遠離節點的位置可以適當減小網格密度，以便減小計算難度。

2 結果分析

2.1 彎矩-位移曲線

模型建立完成后提交作業進行分析，然后點擊結果，進入視圖化模塊，取節點跨中處，查看其位移隨荷載增大的變化情況。由于模型中施加的荷載為Pressure，因此處理數據時，要將荷載換算成節點跨中處的彎矩值。三個抗彎模型節點跨中處測點的彎矩-位移曲線如圖3 所示。

由圖3 可以看出，模型1 在初期加載時的彎矩和位移呈線性增長關系，在彎矩值約為200 kN·m時出現第一個拐點，接著繼續加壓，兩者還是線性關系，但變化速度較加載初期緩慢，當彎矩值為225 kN·m 左右時，開始出現下降趨勢，由此可知，模型1 的最大彎矩值約為225 kN·m，節點處最大位移約為1.4 mm；模型2 的彎矩-位移曲線變化與模型1較為相似，加載初期兩條曲線重合，曲線出現第一個拐點后，模型2 的曲線變化速度快于模型1，直至彎矩值約為250 kN·m 時出現下降趨勢，由此可知，模型2 的最大彎矩值約為250 kN·m，節點處最大位移約為1.6 mm；模型3 的彎矩-位移曲線在加載前期一直為線性增長，在彎矩值約為275 kN·m 時開始出現下降趨勢，可認為模型3 的最大彎矩值約為275 kN·m，節點處最大位移約為3.25 mm。

2.2 傳力鋼板個數與節點承載力的關系式

由圖3 可知，模型1、模型 2、模型 3 的最大彎矩值分別為 225 kN·m、250 kN·m、275 kN·m。根據彎矩值-傳力鋼板個數曲線擬合出的函數關系式為:y=25x+175，其中，x 為傳力鋼板個數，y 為彎矩值。擬合曲線如圖4 所示。

3 結論

文章以某地下糧倉為研究背景，利用有限元軟件ABAQUS 建立了3 個組合節點模型，對裝配式鋼板-混凝土結構進行了有限元分析，旨在為裝配式地下糧倉的設計提供參考。結果表明，模型1 能承受的最大彎矩值約為225 kN·m，模型2 能承受的最大彎矩值約為250 kN·m，模型3 能承受的最大彎矩值約為275 kN·m；在加載的過程中，三個模型的彎矩-位移曲線變化趨勢基本一致，都經歷了彈性→塑性→屈服的階段；傳力鋼板個數與節點承載力的關系式為:y=25x+175。

圖4 承載力與傳力鋼板個數擬合曲線