黄土窑洞病害分析及加固技术

窑洞是中国西北黄土高原上一种典型的传统民居,它的妥善保护和传承对于解决我国当前的能源、环境问题具有重大现实意义,是"精准扶贫"、"脱贫攻坚"政策的直接体现。几百年来,黄土窑洞长期受自然环境风化及雨水侵蚀作用,再加上人为破坏以及保护不够重视,使得窑洞建筑正在逐渐消亡。为科学合理地对黄土窑洞进行修缮和保护,根据黄土的工程特性及窑洞独特的营造技术,结合黄土窑洞的病害残损调查,系统总结了黄土窑洞常见的病害类型以及产生病害的原因,并针对黄土窑洞不同的病害情况,提出相应的加固方法。

西北地区传统民居砖箍窑洞地震响应分析

砖箍窑洞是中国西北黄土高原一种典型的传统民居,它的妥善保护与传承具有重要的历史、文化、艺术和科学价值。通过大量的实地调研,选取具有典型尺寸砖窑作为分析原型,采用ABAQUS有限元软件,建立能反映砖窑受力状态的三维有限元模型,对其在水平地震作用下的应力、加速度、位移响应和塑性区扩展进行分析,并对边跨和中跨地震响应作对比,得到砖窑抗震薄弱部位,提出可行性设计建议。结果表明:窑腿和拱脚是受力关键部位,中跨拱脚和窑腿的加速度、水平位移响应均大于边跨;边拱竖向位移大于中拱,并且拱脚和拱肩部位更为突出;随地震响应增强,砖窑塑性区由边跨拱顶扩展至中腿拱脚部位。建议设计时加宽中腿和加厚拱券,以分别提高其侧向和竖向刚度,减小地震响应。

基于强度折减法的靠崖式黄土窑洞稳定性分析

靠崖式黄土窑洞是西北黄土高原典型的传统民居形式,合理保护黄土窑洞具有重要的政治意义和生态意义。基于ABAQUS有限元分析软件,分别建立了靠崖式黄土窑洞的平面模型和三维模型,并通过强度折减法对既有窑洞的安全性进行分析,得出了既有窑洞的安全系数和塑性区发展规律。窑洞的平面模型分析表明:其仅能发生洞室的失稳破坏,塑性区自窑腿根部呈"U"型向上扩展,经综合判断其安全系数为2. 40;三维窑洞模型分析表明:其可能出现洞室失稳和边坡失稳两种破坏情况,因窑洞模型的跨高比较小,窑洞在因拱券坍塌而失稳破坏前即因边坡失稳而破坏,塑性区仍起源自窑腿根部,但其后沿纵向从坡脚向坡顶发展,经综合判断其安全系数为2. 00。窑洞的安全系数取决于洞室安全系数和所在边坡安全系数的较小值。以有限元数值分析的收敛性作为判定结构失稳的依据得到的安全系数较大;而通过塑性区贯通和关键结点位移突变得到的安全系数则更为合理且具有较高的一致性。建议在黄土窑洞稳定性分析中,综合采用潜在滑动面塑性区贯通和关键结点位移突变作为失稳判据。

靠崖式黄土窑洞结构传力机制研究

以靠崖式窑洞为研究对象,使用ANSYS有限元分析软件对其单孔窑洞的传力机制进行了分析,并考虑了覆土厚度、窑洞跨度、拱矢高以及侧墙高度各参数对窑洞受力性能的影响。同时,还研究了多孔靠崖式窑洞的相互协同作用,分析窑腿宽度对多孔窑洞周围土体应力及位移的影响。结果表明:靠崖式窑洞通过拱券体系将上覆土压力传递给侧墙,窑洞周围土体基本处于受压状态,仅拱券顶部会出现主拉应力,此为窑洞出现窑顶坍塌的诱因。开挖窑洞会造成土体扰动、荷载释放,从而导致窑洞周围土体发生应力和位移变化。通过参数分析,窑洞上覆土厚度、窑洞跨度、拱矢高以及侧墙高度中某单一参数增大均会导致窑洞周围土体位移的增大,但影响程度不一,其中覆土厚度导致的变化最为显著。多孔窑洞的主压应力水平和窑洞横向、窑洞竖向位移均显著大于单孔窑洞。在建造多孔窑洞时,应当合理设置窑腿宽度,确保窑洞结构的稳定性。

下沉式黄土窑洞结构传力机制研究

下沉式窑洞是我国西北黄土高原上独有的民居建筑结构形式,是传统民居保护的重点对象。运用ANSYS有限元分析软件建立了下沉式窑洞的整体模型,通过分析步模拟其开挖过程,分别研究了下沉式窑洞的窑院开挖以及后续窑洞开挖造成的土体扰动影响,进一步研究窑洞的传力机制和受力机理,相关研究结果有利于了解窑洞这种无梁无柱结构屹立不倒的奥秘,同时有助于对窑洞的传承和保护。