基于ANSYS的汪家窯遺址磚石結構主廊道的整體穩定性分析

郭今彪 初陽 陳崑

摘要：遺址是在一定歷史條件下產生的遺跡，作為歷史的產物，都必然打上時代的印記，反映當時的自然生態狀況和社會的經濟、科技、文化等狀況，具有重要的歷史價值，社會價值，科學研究價值。本文運用ANSYS有限元軟件對汪家窯舊址主廊道部分進行數值模擬，分析了該廊道在自然工況和暴雨工況下的整體穩定性情況，反映其變形、位移及應力變化，為其治理方案提供依據，并提出設計中的薄弱點，且提出對其重點治理，從而使實際工程做到可靠、安全和耐久。

關鍵字：遺址;汪家窯舊址主廊道;ANSYS軟件;穩定性

1、引言

許多亞洲國家的古建筑中，窯址磚石古建筑占有重要的地位，窯爐遺址是歷史的產物，古代科學技術遺產的寶庫，是人們利用當時所能得到的材料和所掌握的技術創造出來的，反映了其產生時代人們認識自然、利用自然的程度，是那個時代科學技術與生產力發展水平的標志，不僅能夠給人類提供重要的、有價值的知識和信息，為科學技術史的研究提供了實物資料，而且也為現代科技的發展提供參考和可借鑒的資料。但是由于自然的或人為的原因，許多窯址已嚴重破壞，有的甚至全部坍塌，狀況岌岌可危，由此，磚石結構古建筑的保護變得相當緊迫。目前國內外對窯址的研究也大多集中于窯址在地震作用下的結構動力特性和抗震性能的分析[1]上，國內對于窯址在傾斜狀態下的安全性與穩定性的研究卻明顯不足。近年來，隨著計算機科學技術的發展應用，有限元分析得到了快速的發展，經歷了由簡單到復雜，由二維分析到三維分析的發展過程[2]，砌體的有限元分析也從剛開始的線彈性分析過渡到了非線性的彈塑性分析。非線性問題包括：材料非線性問題、幾何非線性問題和接觸非線性問題[3]。非線性問題一直是力學領域里的復雜難題，有限元計算軟件的出現和發展為解決非線性類問題提供了重要的工具。

隨著計算機軟件及圖形學的發展，現在有了眾多的通用和專用有限元軟件，ANSYS軟件是最為通用有效的商用有限元軟件之一。它是融結構、熱、流體、電磁和聲學等于一體的大型通用有限元分析軟件，突破了目前許多軟件只適用于特定領域和特定問題的限制，其強大而廣泛的分析功能（可解決單物理場、多物理場及耦合的線性、非線性問題等）是其它軟件不能比擬的，并且以其計算結果和實際結果的吻合性高，得到了各大院校和科研單位的一致信賴;它還可以和多種制圖軟件有效的連接，可把復雜的工程結構體輸入到ANSYS中進行有限元分析;同時，在ANSYS軟件中，參數化設計語言（APDL）是一個功能強大的解釋性語言，可用來自動完成一些通用性強的任務[4-5]。

2、工程地質概況

汪家窯遺址是修建于清末民初的一座民用圓形制式的磚窯，位于湖北省武漢市武昌青山區白玉山街道勝強村汪家咀的一處半島上，緊鄰嚴西湖，窯址一側即為嚴西湖部分坡岸，窯址為磚砌體結構，該遺址為清朝末年朱氏手工業者在此建造的汪家古窯，為當地燒制秦磚漢瓦所用，主體面積約30m2，大致為圓形，高度為4.2米，主廊道寬1.9m，高1.7m，上拱半徑0.5m，基本保存完好，能夠清楚觀察到窯址的具體形態，該遺址在廢棄后，長期無人使用和維護，在數十年的自然營力的影響下，窯址出現了嚴重的病害，主廊道部分發生一定的變形，例如：降雨對窯址本體的直接沖刷導致磚砌體產生貫穿性的結構裂縫，雜草、樹木、微生物等生物對窯址本體裸露磚塊表面產生嚴重的風化病害，窯址的穩定性受到嚴重的影響，因此亟需開展對于窯址本體進行一定的穩定性分析，為之后的設計加固措施提供一定的依據。

2.1 地層巖性

窯址所在地層為中更新統王家灣地層，其上部分為黃褐色粘土，含大量鐵錳質結核，中部為褐紅色網紋狀粘土，為沖洪積形成，呈硬塑-堅硬狀態，地基承載力較高。下部為粘土含角礫，局部為紅泥礫或礫卵石層，為沖擊或殘坡積，地基承載力亦較高。在窯址現場只出露中更新統王家灣地層的上部黃褐色粘土層。

2.2 氣象與水文特征

此地區降水充沛，多年平均降水量1284.0mm，最大年降水量2107.1mm，最大日降水量332.6mm。降雨集中在4～9月，年平均蒸發量為1391.7mm，絕對濕度年平均16.4毫巴，年平均相對濕度75.7%，濕度系數Ψw=0.903，本地區大氣影響深度da=3.0米，大氣影響急劇深度為1.35米。長江最高洪水位為29.73m（吳淞高程系統），最低枯水位8.87m。

與之毗鄰的嚴西湖多年平均無霜期245d，降水量1220mm，湖水pH值7.4。湖水依賴區間徑流和湖面降水補給，集水面積67.0平方公里，補給系數5.7。原屬北湖水系，曾與長江直接連通，自1955年建成武惠閘、1965年建成北湖閘后，成為受人為控制的水庫型湖泊。治理后，江湖隔離，非汛期湖水分別從武惠閘和北湖閘排入長江;汛期則由北湖泵站抽水排入長江。

3、主廊道有限元穩定性分析

為了研究汪家窯舊址主廊道部分的整體穩定性，本文利用有限元軟件ANSYS17.0建立非線性有限元磚砌體模型，由于砌體與磚接觸面之間的黏結滑移關系研究目前尚不成熟，因此接觸面的黏附強度難以獲得，為了計算方便，仿真模型采用將砌體和砌塊作為一個連續整體來進行考慮，但由于黏土砌體和磚塊分屬于兩種截然不同的材料，磚強度明顯大于黏土，因此簡化為破壞主要發生在黏土中，分別賦予不同的材料參數進行建模。

3.1 模型建立及計算原則

計算的幾何模型建立是在地質模型的基礎上建立的，而地質模型則是在地質剖面的基礎上建立起來的。因此根據具體實際情況，模型尺寸：主廊道長1.9m，高1.7m，上拱半徑0.5m，現場圖片及建立主廊道的的幾何模型如圖1、圖2所示。邊界條件：左右兩側水平位移約束，下端固定，由于上部覆蓋有土體，所以上邊界施加向下的力為2.3x1.9x6x2000N=5.244E5N，考慮到模型的形狀規模及精度要求，磚與土體用8節點plane82號平面應變單元模擬[5-6]。求解采用大位移，用牛頓一托普森方法求解，以有限元靜力計算不收斂和位移不收斂作為廊道整體失穩的判據[7-10]。

在考慮了磚，上部荷載，黏土砌體等共同工作的情況下，共用了2309單元，7193個節點，其計算模型的單元數與節點數具體如下表所示。

3.2 模型材料參數定義

模型材料的選擇，根據工程現場經驗和室內實驗提供的資料，經過簡化選取本計算模型的參數，見表1。

3.3 計算結果分析

（1）主廊道在自然工況下的穩定性分析

通過對主廊道有限元模型進行加載和求解，得出最終的計算結果，由圖3、圖4可知，在自重作用下，廊道發生垂直和水平位移，垂直方向最大位移為19.1861mm，水平方向最大位移5.47451mm，最大位移主要發生在拱頂偏右部分，向兩側位移逐漸減小這是因為在右部存在一條裂紋，導致拱頂偏右這一部分向左下位移較大。由圖5、圖6可知，在自重作用下，該廊道大小主應力主要是承受壓應力，在局部范圍內承受拉應力，第一主應力的最大壓應力為0.178E9pa，發生在廊道右部拱與豎墻相交處的內側，該出部分磚和砌體部分已經脫落，廊道有整體向右下傾斜的情況，符合現實情況，最大拉應力為0.317E9pa，發生在廊道右部拱與豎墻相交處的外側，第三主應力的最大壓應力為0.573E9pa，最大拉應力為0.631E9pa，分布其與最大主應力基本相同，并且在拱內側上的裂縫處表現為拉應力，可見此處磚塊處于脫落狀態。

（2）主廊道在暴雨工況下的穩定性分析

在暴雨工況下，通過對主廊道有限元進行求解設置并加載和求解，得到最終的計算結果，由圖7、圖8可知豎向最大位移為25.2269mm，水平最大位移7.6024mm，與自然工況下相比，分別增加了5.9624mm、2.1279mm，分布位置與自然工況下基本相同，可知暴雨對主廊道豎直方向影響較大，水平方向影響不大，會加速裂縫的豎向發展，由圖9、圖10可知主廊道在上部荷載的情況下主要承受的是壓應力，在主廊道某一局部（主要是裂縫處）可能出現較大的拉應力，相似于自然工況下的應力分布，但第一主應力的最大壓應力比自然工況下增加了7Mpa，最大拉應力比自然工況下增加了60Mpa，最小主應力最大壓應力為0.648E9pa，最大拉應力0.952E8pa，相對于自然工況下都有一定程度的增加，可見在暴雨情況下，主廊道上部的荷載有所增加，主廊道承受壓力的能力減弱，其結構變得更加不穩定。

4、綜合分析

在自然工況下，其最大位移19.2645mm，并且此處出現一條幾乎貫穿的裂縫，變形比較大，其變形情況如圖11，相比在暴雨工況下，其最大變形量為25.4742mm，相比于自然工況下，增加了6.2097mm，其變形情況如圖12所示，分布位置與自然工況下基本一致，可見暴雨情況下此裂縫會進一步發展，甚至會發生倒塌，符合現場調查與測繪實際情況。

5、結論

本文以汪家窯舊址勘查資料為基礎，采用ANSYS數值模擬軟件，對汪家窯舊址主廊道部分在自然和暴雨兩種工況下的整體穩定性進行了數值模擬研究，主要得出以下結論：

（1）ANSYS軟件能夠快速準確地對主廊道進行穩定性分析，能夠真實地反映主廊道整體和局部的破壞狀態，所得結果準確度較高（對比與現場實測結果），在實際相似工程中具有較好的應用前景。

（2）在自然工況下，主廊道變形最大處不是在主廊道拱的頂部，而是發生在主廊道右側裂縫所在處，并且整體的位移方向也因裂縫的存在而發生變化，因此重點進行設計加固的區域應放在裂縫處。

（3）暴雨工況下，主廊道的變形，應力都有一定程度上的增加，一是因為暴雨引起上部土層的重度增加，二是因為水的作用弱化了轉砌塊之間的作用力，從而使主廊道的整體承受能力減弱，因此對主廊道周圍及上部土層做好排水設施也是至關重要。

（4）經過自然、暴雨狀況下穩定性分析，得出了主廊道在設計加固中應該特別注意的薄軟環節，并對此應該重點治理，從而使其安全、穩定、可靠。

參考文獻

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