基于正交試驗的密肋房式糧倉墻板優化設計★

安春輝 宋紅領 丁永剛 喬浩樂 王秋慧

(1.河南工業大學土木建筑學院,河南 鄭州 450001； 2.河南工大設計研究院，河南 鄭州 450001)

·結構·抗震·

基于正交試驗的密肋房式糧倉墻板優化設計★

安春輝1宋紅領2丁永剛1喬浩樂1王秋慧1

(1.河南工業大學土木建筑學院,河南 鄭州 450001； 2.河南工大設計研究院，河南 鄭州 450001)

利用有限元數值模擬的方法對不同結構方案下的構件進行了有限元分析，通過正交試驗研究，了解不同參數對密肋房式糧倉結構受力性能的影響，并進行初步的優化設計。

密肋房式糧倉，正交試驗，數值模擬，參數分析

0 引言

由于密肋房式糧倉是將密肋復合板結構運用到傳統平房倉的倉壁中去，密肋復合板承受的是散體物料側壓力，由于以前對其大量的試驗研究及理論分析是基于豎向荷載及地震作用下進行的，所以對于散體物料側壓力作用下的密肋復合板的研究仍處于空白階段。

有限元分析是近年來發展比較快且應用范圍逐漸擴大，受到越來越多的科學工作者歡迎的一種數值仿真方法，因此本文采用有限元分析的方法對不同參數組成的密肋墻板進行分析，利用得到的數值模擬結果進行正交試驗分析，得到最適宜的幾何參數，使其滿足密肋房式糧倉使用要求以及經濟要求，掌握這種新型房式糧倉更多的受力特點。

1 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS有限元軟件對密肋框格進行數值模擬，ABAQUS致力于結構力學和相關領域的研究，尤其對于材料的非線性問題收斂性的解決有其獨到之處，所以近年來許多的專家學者用其進行磚混結構體系有限元分析。結構材料屬性的確定關系著每一個有限元分析結果的準確性，所以砌體結構本構關系是整個分析的決定性因素。

整個構件所用材料分別為：砌體材料：強度等級A10的蒸壓粉煤灰混凝土砌塊；鋼筋級別：HRRB400；混凝土強度等級：C30。鋼筋及混凝土作為土建領域最常用的建筑材料，其材料屬性的研究已經非常成熟，不再一一介紹，著重對于蒸壓粉煤灰混凝土砌塊的材料屬性的確定進行了研究。

大量的學者對于砌體的應力應變關系進行過研究，因為砌體結構受拉力作用的破壞形式接近于脆性材料，所以大多數應力應變關系并不適合進行非線性分析，對于有限元分析結果的收斂性是不利的。對一些砌體材料本構模型進行比較，采用楊衛忠得到砌體的損傷單軸受壓應力—應變關系[1]和鄭妮娜簡化的砌體受拉應力—應變關系[2]。

砌體受壓應力應變關系：

其中,η取1.633；fm為砌體軸心受壓強度平均值；εm為fm對應的應變。

砌體受拉應力應變關系：

其中,ftm為砌體軸心受壓強度平均值；εt為ftm對應的應變。

根據上述的砌體本構關系利用有限元軟件建立密肋框格有限元模型，構件四周采取完全固定的約束方法，采用約束模塊中的Tie約束模擬混凝土肋梁肋柱框格與蒸壓粉煤灰混凝土砌塊之間的連接,鋼筋則采用Embeded region的方法嵌入模型中，按照6 m高的堆糧高度施加荷載，有限元模型如圖1所示。

2 正交試驗設計

由于密肋復合墻板其獨特的結構構造，使其受力情況比較復雜很難通過理論計算分析出哪一個參數對其的影響比較大。如果采用試驗研究的方法，采用全面試驗設計方法工作量將非常大[3]。為了減少試驗次數，本文采用正交試驗設計方法進行試驗設計，考慮墻板厚度、水平框格間距和豎直框格間距三個因子對于密肋復合墻板在均布側壓力作用下抗剪能力的影響進行正交試驗。

正交設計方案中各因子的水平如表1所示。

表1 密肋復合墻板因素水平表 mm

本試驗按照單指標三因素三水平的正交試驗設計選擇試驗方案，根據密肋復合墻板因素水平表，確定試驗方案如表2所示。

表2 正交試驗方案 mm

在正常使用極限承載力范圍內，密肋復合墻板理想的破壞形式就是：先是墻板發生破壞，然后外部框架破壞，而內部密肋復合墻板則是先砌塊后混凝土，這樣的破壞形式才能很好地利用到密肋復合墻板的良好的抗震性能，達到多層抗震[4]。所以取砌塊中心處的等效剪切應力Mises應力值作為試驗結果進行正交分析，正交分析表見表3。

表3 正交分析表

3 試驗分析及結論

直接觀察試驗結果，第8號試驗結果較好，對應的試驗條件分別為350 mm厚墻板，水平框格間距850 mm，豎直框格間距750 mm，在此試驗條件下砌塊中心處所受Mises應力值最小，但同時框格表面積也相對較小，構件厚度相比傳統平房倉的370 mm磚墻變化不大，同時由于在此試驗條件下所得到的Mises應力值為2 313.64 Pa，遠遠小于砌塊的屈服應力，并沒有很好地利用到材料的性能，對材料的使用上是很大的浪費；第3號試驗產生的實驗結果，其砌塊中心處受到的Mises應力值為22 557.5 Pa，在所有的試驗方案中受到的Mises應力值最大，而且并沒有超過砌塊的屈服應力，能夠發揮一定的密肋復合板結構中各種材料的性能，但是對應的試驗條件下，構件厚度為250 mm，對于糧倉建筑由于其獨特的使用性，需要保證糧倉的保溫隔熱性能，250 mm厚的墻板不能很好地保證能起到保溫隔熱的作用。

極差分析中指出，可以采用同一個影響成分在不同的比重下，其極差值R作為體現各成分比重的變化對指標參數產生影響的強弱。這里的極差值指的是成分的平均抗壓強度兩極值之間的差值[5]。極差大就表示該因素的水平變動對試驗結果的影響大；極差小就表示該因素的水平變動對試驗結果的影響小。板厚的極差R=12 723.5，框格水平方向間距的極差R=4 894.10，框格豎直方向間距的極差R=5 194.55。從極差的數值能看出板厚的極差是其他因素極差的2倍～3倍。框格豎直方向間距的極差稍稍大于框格水平方向的極差。所以密肋復合墻板框格影響因素的主次順序為：板厚>框格豎直方向間距>框格水平方向間距。在試驗設計時選擇板厚遞增指數為一次50 mm，而框格間距一次100 mm，但是框格間距的影響程度仍然遠遠小于板厚對其受力情況的影響。但是只從糧倉的儲溫隔熱性能上看，密肋復合墻板的厚度并不能太小，如果墻板厚度過大，則會造成結構整體過于笨重，并不利于裝配構件的施工，也就沒有利用到其便利快速施工的優越性。因此結合試驗結果及其傳統平房倉的結構構造形式，初步擬定5號試驗方案選取的幾何尺寸。

[1] 楊衛忠,樊 濬.砌體受壓應力—應變關系[J].鄭州大學學報(工學版),2007(1):47-50.

[2] 劉桂秋.砌體結構基本受力性能的研究[D].長沙：湖南大學,2005.

[3] 陳 策,王鳳泰,趙紹才.正交試驗及其在軟件測試用例設計中的應用[J].計算機應用與軟件,2008(7):158-160.

[4] 田英俠,姚謙峰,周雪峰.密肋復合墻板框格與填充塊相互作用機理研究[J].西安工業大學學報,2007(6):578-582.

[5] 唐珊珊.基于正交試驗的密肋復合墻體優化設計研究[D].北京：北京交通大學,2007.

The optimization design of ribbed room granary wall based on orthogonal test★

An Chunhui1Song Hongling2Ding Yonggang1Qiao Haole1Wang Qiuhui1

(1.CivilEngineeringandBuildingSchool,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450001,China;2.DesignandResearchInstitute,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450001,China)

This paper made finite element analysis on components under different structure solution using finite element simulation method, through the orthogonal experiment, to understand the influence of different parameters to ribbed room granary stress performance, and made preliminary optimization design.

ribbed room granary, orthogonal experiment, numerical simulation, parameter analysis

2015-02-06★：國家自然科學基金(項目編號：51208180)

安春輝(1989- )，男，在讀碩士; 宋紅領(1982- )，男，碩士，工程師; 丁永剛(1978- )，男，碩士生導師，教授; 喬浩樂(1989- )，男，在讀碩士; 王秋慧(1990- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)13-0029-03

TU249.2

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