基于正交試驗(yàn)的密肋房式糧倉(cāng)墻板優(yōu)化設(shè)計(jì)★

安春輝 宋紅領(lǐng) 丁永剛 喬浩樂(lè) 王秋慧

(1.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院,河南 鄭州 450001； 2.河南工大設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450001)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

基于正交試驗(yàn)的密肋房式糧倉(cāng)墻板優(yōu)化設(shè)計(jì)★

安春輝1宋紅領(lǐng)2丁永剛1喬浩樂(lè)1王秋慧1

(1.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院,河南 鄭州 450001； 2.河南工大設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450001)

利用有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)方案下的構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析，通過(guò)正交試驗(yàn)研究，了解不同參數(shù)對(duì)密肋房式糧倉(cāng)結(jié)構(gòu)受力性能的影響，并進(jìn)行初步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

密肋房式糧倉(cāng)，正交試驗(yàn)，數(shù)值模擬，參數(shù)分析

0 引言

由于密肋房式糧倉(cāng)是將密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)運(yùn)用到傳統(tǒng)平房倉(cāng)的倉(cāng)壁中去，密肋復(fù)合板承受的是散體物料側(cè)壓力，由于以前對(duì)其大量的試驗(yàn)研究及理論分析是基于豎向荷載及地震作用下進(jìn)行的，所以對(duì)于散體物料側(cè)壓力作用下的密肋復(fù)合板的研究仍處于空白階段。

有限元分析是近年來(lái)發(fā)展比較快且應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，受到越來(lái)越多的科學(xué)工作者歡迎的一種數(shù)值仿真方法，因此本文采用有限元分析的方法對(duì)不同參數(shù)組成的密肋墻板進(jìn)行分析，利用得到的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，得到最適宜的幾何參數(shù)，使其滿足密肋房式糧倉(cāng)使用要求以及經(jīng)濟(jì)要求，掌握這種新型房式糧倉(cāng)更多的受力特點(diǎn)。

1 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS有限元軟件對(duì)密肋框格進(jìn)行數(shù)值模擬，ABAQUS致力于結(jié)構(gòu)力學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域的研究，尤其對(duì)于材料的非線性問(wèn)題收斂性的解決有其獨(dú)到之處，所以近年來(lái)許多的專家學(xué)者用其進(jìn)行磚混結(jié)構(gòu)體系有限元分析。結(jié)構(gòu)材料屬性的確定關(guān)系著每一個(gè)有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以砌體結(jié)構(gòu)本構(gòu)關(guān)系是整個(gè)分析的決定性因素。

整個(gè)構(gòu)件所用材料分別為：砌體材料：強(qiáng)度等級(jí)A10的蒸壓粉煤灰混凝土砌塊；鋼筋級(jí)別：HRRB400；混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C30。鋼筋及混凝土作為土建領(lǐng)域最常用的建筑材料，其材料屬性的研究已經(jīng)非常成熟，不再一一介紹，著重對(duì)于蒸壓粉煤灰混凝土砌塊的材料屬性的確定進(jìn)行了研究。

大量的學(xué)者對(duì)于砌體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行過(guò)研究，因?yàn)槠鲶w結(jié)構(gòu)受拉力作用的破壞形式接近于脆性材料，所以大多數(shù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系并不適合進(jìn)行非線性分析，對(duì)于有限元分析結(jié)果的收斂性是不利的。對(duì)一些砌體材料本構(gòu)模型進(jìn)行比較，采用楊衛(wèi)忠得到砌體的損傷單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系[1]和鄭妮娜簡(jiǎn)化的砌體受拉應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系[2]。

砌體受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：

其中,η取1.633；fm為砌體軸心受壓強(qiáng)度平均值；εm為fm對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

砌體受拉應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：

其中,ftm為砌體軸心受壓強(qiáng)度平均值；εt為ftm對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

根據(jù)上述的砌體本構(gòu)關(guān)系利用有限元軟件建立密肋框格有限元模型，構(gòu)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(yàn)設(shè)計(jì)

由于密肋復(fù)合墻板其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，使其受力情況比較復(fù)雜很難通過(guò)理論計(jì)算分析出哪一個(gè)參數(shù)對(duì)其的影響比較大。如果采用試驗(yàn)研究的方法，采用全面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法工作量將非常大[3]。為了減少試驗(yàn)次數(shù)，本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，考慮墻板厚度、水平框格間距和豎直框格間距三個(gè)因子對(duì)于密肋復(fù)合墻板在均布側(cè)壓力作用下抗剪能力的影響進(jìn)行正交試驗(yàn)。

正交設(shè)計(jì)方案中各因子的水平如表1所示。

表1 密肋復(fù)合墻板因素水平表 mm

本試驗(yàn)按照單指標(biāo)三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇試驗(yàn)方案，根據(jù)密肋復(fù)合墻板因素水平表，確定試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案 mm

在正常使用極限承載力范圍內(nèi)，密肋復(fù)合墻板理想的破壞形式就是：先是墻板發(fā)生破壞，然后外部框架破壞，而內(nèi)部密肋復(fù)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(fù)合墻板的良好的抗震性能，達(dá)到多層抗震[4]。所以取砌塊中心處的等效剪切應(yīng)力Mises應(yīng)力值作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交分析，正交分析表見(jiàn)表3。

表3 正交分析表

3 試驗(yàn)分析及結(jié)論

直接觀察試驗(yàn)結(jié)果，第8號(hào)試驗(yàn)結(jié)果較好，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)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(yàn)條件下砌塊中心處所受Mises應(yīng)力值最小，但同時(shí)框格表面積也相對(duì)較小，構(gòu)件厚度相比傳統(tǒng)平房倉(cāng)的370 mm磚墻變化不大，同時(shí)由于在此試驗(yàn)條件下所得到的Mises應(yīng)力值為2 313.64 Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于砌塊的屈服應(yīng)力，并沒(méi)有很好地利用到材料的性能，對(duì)材料的使用上是很大的浪費(fèi)；第3號(hào)試驗(yàn)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其砌塊中心處受到的Mises應(yīng)力值為22 557.5 Pa，在所有的試驗(yàn)方案中受到的Mises應(yīng)力值最大，而且并沒(méi)有超過(guò)砌塊的屈服應(yīng)力，能夠發(fā)揮一定的密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)中各種材料的性能，但是對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)條件下，構(gòu)件厚度為250 mm，對(duì)于糧倉(cāng)建筑由于其獨(dú)特的使用性，需要保證糧倉(cāng)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(gè)影響成分在不同的比重下，其極差值R作為體現(xiàn)各成分比重的變化對(duì)指標(biāo)參數(shù)產(chǎn)生影響的強(qiáng)弱。這里的極差值指的是成分的平均抗壓強(qiáng)度兩極值之間的差值[5]。極差大就表示該因素的水平變動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大；極差小就表示該因素的水平變動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(shù)值能看出板厚的極差是其他因素極差的2倍～3倍?？蚋褙Q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(fù)合墻板框格影響因素的主次順序?yàn)椋喊搴?框格豎直方向間距>框格水平方向間距。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)選擇板厚遞增指數(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于板厚對(duì)其受力情況的影響。但是只從糧倉(cāng)的儲(chǔ)溫隔熱性能上看，密肋復(fù)合墻板的厚度并不能太小，如果墻板厚度過(guò)大，則會(huì)造成結(jié)構(gòu)整體過(guò)于笨重，并不利于裝配構(gòu)件的施工，也就沒(méi)有利用到其便利快速施工的優(yōu)越性。因此結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及其傳統(tǒng)平房倉(cāng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，初步擬定5號(hào)試驗(yàn)方案選取的幾何尺寸。

[1] 楊衛(wèi)忠,樊 濬.砌體受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2007(1):47-50.

[2] 劉桂秋.砌體結(jié)構(gòu)基本受力性能的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2005.

[3] 陳 策,王鳳泰,趙紹才.正交試驗(yàn)及其在軟件測(cè)試用例設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2008(7):158-160.

[4] 田英俠,姚謙峰,周雪峰.密肋復(fù)合墻板框格與填充塊相互作用機(jī)理研究[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007(6):578-582.

[5] 唐珊珊.基于正交試驗(yàn)的密肋復(fù)合墻體優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].北京：北京交通大學(xué),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(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：51208180)

安春輝(1989- )，男，在讀碩士; 宋紅領(lǐng)(1982- )，男，碩士，工程師; 丁永剛(1978- )，男，碩士生導(dǎo)師，教授; 喬浩樂(lè)(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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