拱曲線形狀對(duì)窯洞結(jié)構(gòu)受力性能影響分析★

王飛劍 楊 斌 馬朝暉 萬(wàn) 佳

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025； 3.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

拱曲線形狀對(duì)窯洞結(jié)構(gòu)受力性能影響分析★

王飛劍1,2楊 斌1,2馬朝暉1,2萬(wàn) 佳3

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025； 3.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

通過(guò)對(duì)山西北部農(nóng)村地區(qū)農(nóng)居窯洞進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，歸納總結(jié)了北部地區(qū)典型的窯洞結(jié)構(gòu)特征，并采用有限元軟件，對(duì)不同拱曲線下窯洞結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行對(duì)比分析，得出不同拱曲線下窯洞結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為窯洞結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

窯洞，拱曲線，計(jì)算模型，受力性能

窯洞具有取材方便、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、保溫隔熱、冬暖夏涼的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段山西省北部農(nóng)村地區(qū)仍有相當(dāng)人群居住在窯洞中，該地區(qū)的窯洞多為土坯券筑獨(dú)立式窯洞，絕大多數(shù)窯洞由當(dāng)?shù)亟橙藨{經(jīng)驗(yàn)營(yíng)造，窯洞樣式具有明顯區(qū)域特征。窯洞的建造各具風(fēng)格，使用的材料也參差不齊，大部分窯洞建造使用年代久遠(yuǎn)，有些窯洞維護(hù)較差，這導(dǎo)致其安全性能和抗震性能普遍較差，直接危及到農(nóng)村居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此對(duì)窯洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性能評(píng)估十分必要。窯洞作為一種由拱傳力的結(jié)構(gòu)體系，其拱的曲線形狀對(duì)窯洞在荷載作用下的受力特性影響較大。文獻(xiàn)[1]～[3]的研究多集中在采光、保溫、歷史人文特性等建筑方面，針對(duì)拱曲線形狀的研究較少。通過(guò)實(shí)地調(diào)研，本文歸納總結(jié)山西北部地區(qū)典型農(nóng)居窯洞的特點(diǎn)，并采用ANSYS有限元軟件對(duì)比分析不同的拱曲線形狀對(duì)窯洞受力性能的影響。

1 農(nóng)居窯洞現(xiàn)狀調(diào)研

窯洞結(jié)構(gòu)在山西省北部地區(qū)分布廣泛，結(jié)構(gòu)體系基本相似，大多建于20世紀(jì)40年代～60年代，一般為石砌條形基礎(chǔ)，拱腿用原土摻稻草夯實(shí)，部分窯洞也采用石砌，拱頂用土坯或磚券筑，窯洞凈開(kāi)間為2.6 m～3 m，拱頂內(nèi)凈高2.6 m～2.9 m，為保溫及維護(hù)拱頂，拱頂一般覆土20 cm～60 cm，屋頂較重。窯洞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及尺寸圖如圖1所示。

2 典型窯洞受力分析

數(shù)值計(jì)算的方法經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展主要有連續(xù)介質(zhì)數(shù)

值方法和非連續(xù)介質(zhì)數(shù)值方法兩大類(lèi)。目前較為常用的有：有限單元法(顯式和隱式)、離散單元法、無(wú)網(wǎng)格法等方法。本文采用有限元法，由窯洞結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)建立有限元模型，按照計(jì)算要求選擇合適的網(wǎng)格劃分尺寸，在施加荷載和確定邊界條件后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。

2.1 農(nóng)居窯洞結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

采用ANSYS有限元計(jì)算軟件，該軟件擁有強(qiáng)大的前處理器(PREP7)、后處理器(POST1，POST26)和強(qiáng)大的非線性動(dòng)力分析功能。數(shù)值模型采用的單元類(lèi)型為Solid65單元，Solid65單元的特性為三維實(shí)體單元，Solid65單元定義為八節(jié)點(diǎn)的各向同性單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，專(zhuān)門(mén)為抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料研發(fā)，如混凝土、巖石等。Solid65單元的特別之處就是它能夠模擬開(kāi)裂，Solid65單元可以使用彈性或彈塑性本構(gòu)關(guān)系來(lái)描述其受壓的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，其中屈服準(zhǔn)則采用米澤斯屈服準(zhǔn)則或Drucker Prager屈服準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[4]詳細(xì)對(duì)比了兩種準(zhǔn)則與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提出了Solid65(Mises+William-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則)模型更適合模擬土坯砌體受力過(guò)程。材料參數(shù)采用文獻(xiàn)[5]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果，土坯砌塊密度為2 010 kg/m3，彈性模量為4.8×107Pa，泊松比為0.3，抗壓強(qiáng)度為0.55 MPa。

2.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

通過(guò)實(shí)地調(diào)研，選取兩種典型拱曲線窯洞進(jìn)行模擬分析，圖2為落地拋物線型窯洞，圖3為典型半圓拱曲線型窯洞。

土坯砌體結(jié)構(gòu)是由砌塊和泥漿砌筑而成，兩種材料都是由粘土材料制成，但是兩者的制作方式不同，導(dǎo)致兩者的力學(xué)性能也相差較大。因此，砌體結(jié)構(gòu)的有限元建模有兩種方法:一種是分離式建模，即將砌塊和泥漿分開(kāi)建模；第二種是整體建模，即將砌塊和泥漿看作同一種材料和單元，這樣對(duì)建模、劃分單元和計(jì)算比較有利和方便。本文采用第二種建模方式。有限元模型如圖4所示，網(wǎng)格劃分如圖5所示。

2.3 結(jié)果分析探討

兩種不同拱曲線形狀的窯洞在自重和豎向荷載下的受力云圖如圖6所示，從圖6中可以看出，半圓形拱曲線窯洞在拱頂存在受拉應(yīng)力區(qū)域，在拱頂沿45°方向向窯頂面擴(kuò)展，這對(duì)于以土坯為承重結(jié)構(gòu)的窯洞來(lái)說(shuō)是極為不利的，土坯材料受壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于受拉強(qiáng)度，在存在拉應(yīng)力的區(qū)域極容易開(kāi)裂形成細(xì)微裂縫，當(dāng)窯洞頂面在雨雪天氣排水不利的條件下，水沿著這些細(xì)微的裂縫滲透到土坯中，土坯受到水分浸潤(rùn)后，承載能力會(huì)迅速下降，對(duì)窯洞

結(jié)構(gòu)極為不利；拋物線拱曲線型窯洞在豎向荷載下未出現(xiàn)受拉應(yīng)力區(qū)域，壓應(yīng)力隨著窯洞高度從高到低逐漸變大，這種曲線形狀對(duì)窯洞結(jié)構(gòu)在豎向荷載下較為有利。

圖7為兩種不同曲線窯洞在豎向荷載下xz向剪應(yīng)力云圖，從圖7中可以看出，半圓形拱曲線窯洞僅在沿半圓型拱位置有剪應(yīng)力分布，拋物線拱曲線型窯洞在拱腳位置的剪應(yīng)力分布較大，這會(huì)產(chǎn)生較大的水平推力，水平推力對(duì)拱結(jié)構(gòu)較為不利，在拱腿位置應(yīng)采取一定的措施，如加厚覆土厚度等方式。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩種不同拱曲線型窯洞分析，拋物線拱曲線型窯洞更為接近拱結(jié)構(gòu)的合理拱軸線懸鏈線，所以在豎向荷載下受力性能更佳，在雨雪天氣下不容易發(fā)生滲水導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，但是拋物線拱曲線型窯洞在拱腿底部位置存在剪應(yīng)力，窯洞拱腳外部局部易受拉開(kāi)裂，而水平推力較半圓型拱曲線型窯洞大，應(yīng)加厚拱腳部位覆土厚度，或采用其他方式加固。

[1] 王崇恩,李 穎,朱向東.層樓式石碹窯洞空間組合方式探析——以太原店頭村郭家東西院及紫竹林寺為例[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,44(5):641-645.

[2] 李媛昕.太原店頭古村石碹窯洞建筑營(yíng)造技術(shù)分析[D].太原：太原理工大學(xué),2013.

[3] 唐 楓.太原晉源區(qū)店頭石碹窯洞古村落研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2011.

[4] 阿肯江,托呼提,亓國(guó)慶.基于Solid65和Solid45有限單元的素夯土墻體數(shù)值建模及計(jì)算分析[J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,25(4):492-498.

[5] 叢欣峰,阿肯江,托呼提,等.土坯砌體軸心受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].工程抗震與加固改造,2015,37(1):95-99.

The analysis of arch curve shape impact for cave structure mechanical properties★

Wang Feijian1,2Yang Bin1,2Ma Zhaohui1,2Wan Jia3

(1.EarthquakeAdministrationofShanxiProvince,Taiyuan030021,China;2.TaiyuanContinentalRiftDynamicsNationalFieldScientificObservationandResearchStation,Taiyuan030025,China;3.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Based on investigation of rural cave dwellings in rural areas of northern Shanxi, the characteristics of the typical cave structure in the northern area are summarized. And through use the finite element software to analyze the mechanical performance of the cave structure under different arch curves, weak parts of different arch curves are found, which could provide the basis for the safety evaluation of the cave structure.

cave, arch curve, calculation model, mechanical property

1009-6825(2017)01-0042-02

2016-10-24 ★:地震應(yīng)急青年重點(diǎn)任務(wù)(項(xiàng)目編號(hào)：CEA_EDEM-201604)

王飛劍(1990- )，男，助理工程師

TU311.3

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