独立式石箍窑洞地震模拟振动台试验及数值模拟

以山西省静乐县的某独立式石箍窑洞为原型,制作1/4缩尺的三跨试验模型,对其进行了地震模拟振动台试验,分析了地震作用下窑洞模型的破坏过程及破坏形态。在试验研究基础上,采用ABAQUS软件建立独立式石箍窑洞的有限元模型,将模拟得到的动力特性、动力响应和地震损伤结果与试验结果进行了对比分析,验证了有限元模型的合理性,进而基于对原型结构的有限元模拟,分析了覆土厚度、拱跨数和拱矢跨比对窑洞模型受力性能的影响。结果表明:独立式石箍窑洞在地震作用下主要发生砂浆灰缝开裂破坏,开裂最严重的部位为洞口拱顶和侧墙与背墙的连接处;有限元模拟结果与试验结果吻合较好,能够较好地反映地震作用下窑洞模型的受力性能;窑洞模型的纵墙刚度大于横墙,加速度和位移响应随输入峰值加速度的增大不断增大;随着覆土厚度变薄和拱矢跨比减小,窑洞模型的抗震性能增强,但拱跨数对窑洞模型的抗震性能影响较小。

独立式石箍窑洞振动台试验研究

根据现场调研,以山西省静乐县典型三连拱独立式石箍窑洞为研究对象,设计制作了缩尺比例为1∶4的模型结构,并对其进行了地震模拟振动台试验,分析了模型结构的自振频率、阻尼比、加速度放大系数、最大相对位移、位移角、底部剪力与耗能等。结果表明:独立式石箍窑洞结构在地震作用下的薄弱部位为边洞洞口处拱顶与中窑腿;随着输入地震波峰值加速度的增大,模型结构自振频率下降,阻尼比上升;模型结构各部位的动力放大系数随着输入峰值加速度的增加变化不大,x向动力放大系数最大处为拱顶,y向动力放大系数最大处为窑顶;输入加速度峰值为70 gal(小震)、200 gal(中震)、440 gal(大震)时,结构最大侧移角均出现在拱顶,分别为1/1618、1/491、1/255,输入峰值加速度为600 gal时,最大侧移角出现在窑顶,为1/102;输入峰值加速度为800 gal时,结构的最大扭转角为0.0037 rad;底部剪力和累积滞回耗能均随着输入地震波峰值加速度的增大而增大。研究结果可为石箍窑洞这一西北传统民居的妥善保护和传承提供科学依据。

独立式石箍窑洞加固模型振动台试验研究

应用配筋砂浆带等加固技术对一缩尺比例为1/4的独立式石箍窑洞震损模型进行加固,并对其进行模拟地震振动台试验,以研究独立式石箍窑洞加固模型的动力响应与抗震性能。通过白噪声扫频得到该模型各阶段的自振频率和阻尼比等动力特性,并研究了模型结构的破坏特征、动力响应及其滞回耗能。试验研究结果表明:随着输入地震动峰值加速度的增加,模型结构的自振频率和刚度下降,阻尼比增大,加速度放大系数呈下降趋势;在水平X向(面阔方向)地震作用下,窑脸侧拱顶的加速度响应大于背墙侧拱顶,中孔拱顶的加速度响应大于边孔拱顶的,中拱拱脚的相对位移值始终大于边拱拱脚,甚至大于边拱拱顶;在峰值加速度为1.00g的地震激励后,窑顶、拱顶和拱脚的X向最大侧移角分别达到了1/29、1/229和1/201。模型虽局部破坏明显,但仍未出现整体倒塌趋势,表明本文提出的方法对独立式石箍窑洞的加固效果显著。