基于正交试验的密肋房式粮仓墙板优化设计★

安春辉 宋红领 丁永刚 乔浩乐 王秋慧

(1.河南工业大学土木建筑学院,河南 郑州 450001； 2.河南工大设计研究院，河南 郑州 450001)

·结构·抗震·

基于正交试验的密肋房式粮仓墙板优化设计★

安春辉1宋红领2丁永刚1乔浩乐1王秋慧1

(1.河南工业大学土木建筑学院,河南 郑州 450001； 2.河南工大设计研究院，河南 郑州 450001)

利用有限元数值模拟的方法对不同结构方案下的构件进行了有限元分析，通过正交试验研究，了解不同参数对密肋房式粮仓结构受力性能的影响，并进行初步的优化设计。

密肋房式粮仓，正交试验，数值模拟，参数分析

0 引言

由于密肋房式粮仓是将密肋复合板结构运用到传统平房仓的仓壁中去，密肋复合板承受的是散体物料侧压力，由于以前对其大量的试验研究及理论分析是基于竖向荷载及地震作用下进行的，所以对于散体物料侧压力作用下的密肋复合板的研究仍处于空白阶段。

有限元分析是近年来发展比较快且应用范围逐渐扩大，受到越来越多的科学工作者欢迎的一种数值仿真方法，因此本文采用有限元分析的方法对不同参数组成的密肋墙板进行分析，利用得到的数值模拟结果进行正交试验分析，得到最适宜的几何参数，使其满足密肋房式粮仓使用要求以及经济要求，掌握这种新型房式粮仓更多的受力特点。

1 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS有限元软件对密肋框格进行数值模拟，ABAQUS致力于结构力学和相关领域的研究，尤其对于材料的非线性问题收敛性的解决有其独到之处，所以近年来许多的专家学者用其进行砖混结构体系有限元分析。结构材料属性的确定关系着每一个有限元分析结果的准确性，所以砌体结构本构关系是整个分析的决定性因素。

整个构件所用材料分别为：砌体材料：强度等级A10的蒸压粉煤灰混凝土砌块；钢筋级别：HRRB400；混凝土强度等级：C30。钢筋及混凝土作为土建领域最常用的建筑材料，其材料属性的研究已经非常成熟，不再一一介绍，着重对于蒸压粉煤灰混凝土砌块的材料属性的确定进行了研究。

大量的学者对于砌体的应力应变关系进行过研究，因为砌体结构受拉力作用的破坏形式接近于脆性材料，所以大多数应力应变关系并不适合进行非线性分析，对于有限元分析结果的收敛性是不利的。对一些砌体材料本构模型进行比较，采用杨卫忠得到砌体的损伤单轴受压应力—应变关系[1]和郑妮娜简化的砌体受拉应力—应变关系[2]。

砌体受压应力应变关系：

其中,η取1.633；fm为砌体轴心受压强度平均值；εm为fm对应的应变。

砌体受拉应力应变关系：

其中,ftm为砌体轴心受压强度平均值；εt为ftm对应的应变。

根据上述的砌体本构关系利用有限元软件建立密肋框格有限元模型，构件四周采取完全固定的约束方法，采用约束模块中的Tie约束模拟混凝土肋梁肋柱框格与蒸压粉煤灰混凝土砌块之间的连接,钢筋则采用Embeded region的方法嵌入模型中，按照6 m高的堆粮高度施加荷载，有限元模型如图1所示。

2 正交试验设计

由于密肋复合墙板其独特的结构构造，使其受力情况比较复杂很难通过理论计算分析出哪一个参数对其的影响比较大。如果采用试验研究的方法，采用全面试验设计方法工作量将非常大[3]。为了减少试验次数，本文采用正交试验设计方法进行试验设计，考虑墙板厚度、水平框格间距和竖直框格间距三个因子对于密肋复合墙板在均布侧压力作用下抗剪能力的影响进行正交试验。

正交设计方案中各因子的水平如表1所示。

表1 密肋复合墙板因素水平表 mm

本试验按照单指标三因素三水平的正交试验设计选择试验方案，根据密肋复合墙板因素水平表，确定试验方案如表2所示。

表2 正交试验方案 mm

在正常使用极限承载力范围内，密肋复合墙板理想的破坏形式就是：先是墙板发生破坏，然后外部框架破坏，而内部密肋复合墙板则是先砌块后混凝土，这样的破坏形式才能很好地利用到密肋复合墙板的良好的抗震性能，达到多层抗震[4]。所以取砌块中心处的等效剪切应力Mises应力值作为试验结果进行正交分析，正交分析表见表3。

表3 正交分析表

3 试验分析及结论

直接观察试验结果，第8号试验结果较好，对应的试验条件分别为350 mm厚墙板，水平框格间距850 mm，竖直框格间距750 mm，在此试验条件下砌块中心处所受Mises应力值最小，但同时框格表面积也相对较小，构件厚度相比传统平房仓的370 mm砖墙变化不大，同时由于在此试验条件下所得到的Mises应力值为2 313.64 Pa，远远小于砌块的屈服应力，并没有很好地利用到材料的性能，对材料的使用上是很大的浪费；第3号试验产生的实验结果，其砌块中心处受到的Mises应力值为22 557.5 Pa，在所有的试验方案中受到的Mises应力值最大，而且并没有超过砌块的屈服应力，能够发挥一定的密肋复合板结构中各种材料的性能，但是对应的试验条件下，构件厚度为250 mm，对于粮仓建筑由于其独特的使用性，需要保证粮仓的保温隔热性能，250 mm厚的墙板不能很好地保证能起到保温隔热的作用。

极差分析中指出，可以采用同一个影响成分在不同的比重下，其极差值R作为体现各成分比重的变化对指标参数产生影响的强弱。这里的极差值指的是成分的平均抗压强度两极值之间的差值[5]。极差大就表示该因素的水平变动对试验结果的影响大；极差小就表示该因素的水平变动对试验结果的影响小。板厚的极差R=12 723.5，框格水平方向间距的极差R=4 894.10，框格竖直方向间距的极差R=5 194.55。从极差的数值能看出板厚的极差是其他因素极差的2倍～3倍。框格竖直方向间距的极差稍稍大于框格水平方向的极差。所以密肋复合墙板框格影响因素的主次顺序为：板厚>框格竖直方向间距>框格水平方向间距。在试验设计时选择板厚递增指数为一次50 mm，而框格间距一次100 mm，但是框格间距的影响程度仍然远远小于板厚对其受力情况的影响。但是只从粮仓的储温隔热性能上看，密肋复合墙板的厚度并不能太小，如果墙板厚度过大，则会造成结构整体过于笨重，并不利于装配构件的施工，也就没有利用到其便利快速施工的优越性。因此结合试验结果及其传统平房仓的结构构造形式，初步拟定5号试验方案选取的几何尺寸。

[1] 杨卫忠,樊 濬.砌体受压应力—应变关系[J].郑州大学学报(工学版),2007(1):47-50.

[2] 刘桂秋.砌体结构基本受力性能的研究[D].长沙：湖南大学,2005.

[3] 陈 策,王凤泰,赵绍才.正交试验及其在软件测试用例设计中的应用[J].计算机应用与软件,2008(7):158-160.

[4] 田英侠,姚谦峰,周雪峰.密肋复合墙板框格与填充块相互作用机理研究[J].西安工业大学学报,2007(6):578-582.

[5] 唐珊珊.基于正交试验的密肋复合墙体优化设计研究[D].北京：北京交通大学,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★：国家自然科学基金(项目编号：51208180)

安春辉(1989- )，男，在读硕士; 宋红领(1982- )，男，硕士，工程师; 丁永刚(1978- )，男，硕士生导师，教授; 乔浩乐(1989- )，男，在读硕士; 王秋慧(1990- )，女，在读硕士

1009-6825(2015)13-0029-03

TU249.2

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