移動式環保公廁車防震抗風安全性研究

趙斌 嚴巾堪 盧志超 張道坤

(山東中車華騰環?？萍加邢薰?濟南 250061)

0 引言

隨著“廁所革命”的推進和公共衛生事業的發展，廁所不再僅僅作為能解決個人生理需求的固定地點，其也在向著多元化、層次化、智能化、景觀化的方向發展。目前公共衛生間樣式也由以前單一的固定式重力沖水廁所發展出了各種各樣的形式，如獨立式公廁、附建式公廁、移動式公廁、地下公廁等。

移動式環保公廁車可以重復且較為方便地整體移動到指定的工作地點，其占地面積小、機動性強的特點使其廣泛應用于受地形限制的旅游景區、大型室外文娛活動、體育賽事現場等區域[1]。由于移動式環保公廁車工作范圍廣、環境復雜，且沒有地基固定，這就對其抗地震能力、抗風載傾覆能力要求特別高。研究其在不同地震載荷、風力載荷條件下的靜強度狀況，確保其在工作環境下安全可靠運行具有極其重要的意義。隨著有限元技術的發展，也讓不同工況下模型的多方位仿真分析成為可能[2-7]。

基于目前移動式環保公廁的使用形式，本文選取較為常見的半掛移動式環保公廁車作為研究對象，分析其在不同地震載荷、不同風載荷及綜合工況條件下整體架構的靜強度變化，從而為該類型移動式公廁車的極限工作條件及安全分析提供參考。

1 幾何模型

1.1 模型描述

移動環保公廁車由車輛底架、上部框架及裝置、泵站、污物箱及水箱等組成。底架采用13 000 mm×3 000 mm×1 470/970 mm半掛車，框架采用底梁結構，主框架材料為12#槽鋼，立面結構主框架采用40 mm×60 mm方鋼焊接，整車質量約15 000 kg。

為簡化計算，泵站、污物箱、水箱模型簡化為質點，位于其對應位置處。簡化后模型如圖1所示。其中，廁所車前進方向為X軸，垂直路面豎立方向為Z軸，垂直前進水平方向為Y軸。

圖1 移動式環保公廁車簡化幾何模型

1.2 材料參數

車廂各部件材料主要有兩種，鋼架結構為Q-235型鋼(12#槽鋼及40 mm×60 mm的方鋼)，外面包絡殼體為碳化木材，厚度為10 mm，兩種材料的主要力學性能如表1所示。

表1 材料力學性能[8]

1.3 網格模型

模型采用實體單元進行網格劃分，共劃分188 121個單元，共計757 194個節點。移動式環保公廁車網格模型如圖2所示。

圖2 移動式環保公廁車網格模型

1.4 約束與載荷

車體輪胎及支撐采用位移約束?？紤]移動環保公廁車自身的重量引起的載荷。

1.4.1 風載

根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[9]的規定，風壓計算按照以下公式進行：

式中，w0為基本風壓；ρ為空氣密度；v0為基本風速。

由于移動式環保公廁車為矩形結構，依據標準GB 50009—2012的規定，該車的風載加載可按圖3進行，CW為風載系數。

圖3 風載施加示意

1.4.2 地震載荷

根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[10]，考慮移動公廁的實際使用條件，設計考慮地震烈度為6～10度。

2 結果與討論

2.1 風載對移動式環保公廁車強度性能的影響

由于移動式環保公廁車工作時，每天承受不同風級載荷的作用?？紤]常規使用環境可能經受的風級及可忽略情況，分析了6～12級風載情況下對移動式環保公廁車應力和變形的影響。利用ANASYS Workbench軟件分別分析的風載工況如表2所示。有限元模型施加載荷情況如圖4所示。

表2 移動式環保公廁車承受風載工況

圖4 受12級風載時車體載荷與約束施加

分別對表2中5種風載工況進行仿真分析，分析結果如圖5所示。

圖5 風載工況下，移動公廁車變形及應力比較

從圖5可以看出，隨著風載增大，移動式環保公廁車變形及應力都逐漸增大，并且趨勢一致。隨著風載增大，移動式環保公廁整體變形及應力并不是線性變化。一方面移動公廁車承受載荷增大，另一方面對框架結合部位的沖擊和破壞越來越嚴重，公廁車框架發生不可恢復性變形，從而造成移動公廁整體變形超過線性增加，讓整體框架承受越來越大的破壞。在承受10級及以下風載情況下，變形基本都在0.6 mm以下，對車體各部分影響不大，可以在風載消失后自主恢復，故此時不需要再另行專門檢查或加固。但是當承受風級超過12級以后，變形超過0.75 mm，甚至達到1.2 mm，此時情況下，即使應力未超過框架基材的許用應力，也需要在風載過后對車體進行整體強度檢查，甚至進行局部加固，以確保移動式環保公廁車的安全使用。

圖6展示了受12級風載工況下，車體裝配體與車體鋼架結構的變形云圖，最大變形量為0.753 mm，發生于車體外敷碳化木板上。圖7所示為受12級風載工況下，車體裝配體與車體鋼架結構的應力云圖，最大應力值為24.509 MPa，發生在鋼架結構下支架的彎折處。整體結構的變形與應力均較小，最大應力值遠小于碳化木板的抗壓應力值和Q235鋼的屈服極限，符合強度及剛度要求；但由于變形相對較大，風載過后仍需對車體結構進行檢查，確保安全使用。

(a)車體裝配體

(b)車體鋼架

(a)車體裝配體

(b)車體鋼架

2.2 地震載荷對移動式環保公廁車強度性能的影響

移動式環保公廁車工作環境下，也有可能承受不同程度的地震載荷。輕微地震載荷對公廁車影響較小，不再仔細分析；這里主要考慮6～10級地震載荷情況下對移動式環保公廁車應力和變形的影響。利用ANASYS Workbench軟件分別分析的地震載荷工況如表3所示。有限元施加載荷情況(地震烈度9度時載荷施加)如圖8所示。

表3 移動式環保公廁車承受地震載荷工況

注：g為重力加速度，約9.8 m/s2。

圖8 地震荷載(烈度9度)工況下車體載荷及約束施加

分別對表3中5種地震載荷工況進行仿真分析，分析結果如圖9所示。

圖9 地震載荷對移動公廁車強度性能影響

觀察圖9可以發現，隨著地震載荷的增大，移動式環保公廁車的變形及應力值都逐漸增大，并且隨著載荷的持續變大，其變形和應力加大的斜率也在不斷變大。在載荷較小的范圍內變化時，雖然車體變形及應力都會增大，但是對車體內部結構破壞較小，變形恢復較快。由圖中可以發現，在9級烈度以下時，車體變形很小，承受這種程度的載荷不會對車體內部結構產生影響。但是當地震烈度達到9度并再次增加時，車體變形嚴重，并且應力急劇增大，車體承受此種載荷后，必須對車體進行檢查、修復和加固，保證使用安全。當承受10級烈度地震載荷時，變形達2.34 mm，應力91.108 MPa，已經超過碳化木板的抗壓應力值，故此時移動式環保廁所車體會被破壞。

圖10展示了9級烈度地震載荷工況下，車體的變形云圖，最大變形量為1.137 3 mm，發生于車體側面外敷碳化木板上。圖11所示為受地震載荷工況下，車體的應力云圖，最大應力值為36.321 MPa，發生在車橋軸與輪胎交接處。整體結構的最大應力值小于碳化木板的抗壓應力值和Q235鋼的屈服極限，符合強度及剛度要求。

圖10 受地震載荷工況下車體變形云圖

圖11 地震荷載工況下車體應力云圖

2.3 風載與地震載荷共同作用的復合工況對移動式環保公廁車強度安全性能影響

圖12展示了受風載(12級)和地震載荷(9級烈度)共同作用的工況下，車體的變形云圖，最大變形量為1.546 mm，發生于車體迎風面外敷碳化木板上。圖13所示為受風載和地震載荷共同作用的工況下，車體的應力云圖，最大應力值為60.194 MPa，發生在公廁車車橋支架彎折處。此時整體結構變形很大，而且應力值也非常大，已經接近于碳化木板的抗壓應力值，此時雖然理論上移動式環保公廁車車體仍是安全的，但是已經達到使用的極限，需要進行完全的安全檢查及加固。分析結果表明，當地震載荷與風載同時作用于移動式環保公廁車上時，會產生比單一載荷作用大的多的變形和應力值，從而更容易造成車體的損壞。

圖12 受風載和地震載荷共同作用的工況下，車體變形云圖

圖13 受風載和地震載荷共同作用的工況下，車體等效應力云圖

3 結論

利用有限元仿真的方法，分別分析了不同風載和不同地震載荷作用下對移動式環保公廁車變形和應力的影響，并研究了風載與地震載荷同時作用時車體的變形狀況，對于移動式環保公廁車的使用環境的選擇、安全檢查的合理安排等具有顯著的指導意義。通過分析得到結論如下：

(1)承受風載條件下，載荷10級及以下時，車體變形較小，此時不需要再另行專門檢查或加固。承受風載超過12級以后，車體變形很大，需要在風載過后對車體進行整體強度安全檢查和局部加固。

(2)承受地震載荷條件下，在9級烈度以下時，車體變形很小，不會對車體內部結構產生影響。當地震烈度達到9度并再次增加時，車體變形嚴重，并且應力急劇增大，必須對車體進行安全檢查、修復和加固。

(3)當地震載荷與風載同時作用于移動式環保公廁車上時，會產生比單一載荷作用大的多的變形和應力值，更容易造成車體的損壞。