基于ANSYS的汪家窑遗址砖石结构主廊道的整体稳定性分析

2021-01-10郭今彪初阳陈崑

科学与生活 2021年26期

郭今彪初阳陈崑

摘要：遗址是在一定历史条件下产生的遗迹，作为历史的产物，都必然打上时代的印记，反映当时的自然生态状况和社会的经济、科技、文化等状况，具有重要的历史价值，社会价值，科学研究价值。本文运用ANSYS有限元软件对汪家窑旧址主廊道部分进行数值模拟，分析了该廊道在自然工况和暴雨工况下的整体稳定性情况，反映其变形、位移及应力变化，为其治理方案提供依据，并提出设计中的薄弱点，且提出对其重点治理，从而使实际工程做到可靠、安全和耐久。

关键字：遗址;汪家窑旧址主廊道;ANSYS软件;稳定性

1、引言

许多亚洲国家的古建筑中，窑址砖石古建筑占有重要的地位，窑炉遗址是历史的产物，古代科学技术遗产的宝库，是人们利用当时所能得到的材料和所掌握的技术创造出来的，反映了其产生时代人们认识自然、利用自然的程度，是那个时代科学技术与生产力发展水平的标志，不仅能够给人类提供重要的、有价值的知识和信息，为科学技术史的研究提供了实物资料，而且也为现代科技的发展提供参考和可借鉴的资料。但是由于自然的或人为的原因，许多窑址已严重破坏，有的甚至全部坍塌，状况岌岌可危，由此，砖石结构古建筑的保护变得相当紧迫。目前国内外对窑址的研究也大多集中于窑址在地震作用下的结构动力特性和抗震性能的分析[1]上，国内对于窑址在倾斜状态下的安全性与稳定性的研究却明显不足。近年来，随着计算机科学技术的发展应用，有限元分析得到了快速的发展，经历了由简单到复杂，由二维分析到三维分析的发展过程[2]，砌体的有限元分析也从刚开始的线弹性分析过渡到了非线性的弹塑性分析。非线性问题包括：材料非線性问题、几何非线性问题和接触非线性问题[3]。非线性问题一直是力学领域里的复杂难题，有限元计算软件的出现和发展为解决非线性类问题提供了重要的工具。

随着计算机软件及图形学的发展，现在有了众多的通用和专用有限元软件，ANSYS软件是最为通用有效的商用有限元软件之一。它是融结构、热、流体、电磁和声学等于一体的大型通用有限元分析软件，突破了目前许多软件只适用于特定领域和特定问题的限制，其强大而广泛的分析功能（可解决单物理场、多物理场及耦合的线性、非线性问题等）是其它软件不能比拟的，并且以其计算结果和实际结果的吻合性高，得到了各大院校和科研单位的一致信赖;它还可以和多种制图软件有效的连接，可把复杂的工程结构体输入到ANSYS中进行有限元分析;同时，在ANSYS软件中，参数化设计语言（APDL）是一个功能强大的解释性语言，可用来自动完成一些通用性强的任务[4-5]。

2、工程地质概况

汪家窑遗址是修建于清末民初的一座民用圆形制式的砖窑，位于湖北省武汉市武昌青山区白玉山街道胜强村汪家咀的一处半岛上，紧邻严西湖，窑址一侧即为严西湖部分坡岸，窑址为砖砌体结构，该遗址为清朝末年朱氏手工业者在此建造的汪家古窑，为当地烧制秦砖汉瓦所用，主体面积约30m2，大致为圆形，高度为4.2米，主廊道宽1.9m，高1.7m，上拱半径0.5m，基本保存完好，能够清楚观察到窑址的具体形态，该遗址在废弃后，长期无人使用和维护，在数十年的自然营力的影响下，窑址出现了严重的病害，主廊道部分发生一定的变形，例如：降雨对窑址本体的直接冲刷导致砖砌体产生贯穿性的结构裂缝，杂草、树木、微生物等生物对窑址本体裸露砖块表面产生严重的风化病害，窑址的稳定性受到严重的影响，因此亟需开展对于窑址本体进行一定的稳定性分析，为之后的设计加固措施提供一定的依据。

2.1 地层岩性

窑址所在地层为中更新统王家湾地层，其上部分为黄褐色粘土，含大量铁锰质结核，中部为褐红色网纹状粘土，为冲洪积形成，呈硬塑-坚硬状态，地基承载力较高。下部为粘土含角砾，局部为红泥砾或砾卵石层，为冲击或残坡积，地基承载力亦较高。在窑址现场只出露中更新统王家湾地层的上部黄褐色粘土层。

2.2 气象与水文特征

此地区降水充沛，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，年平均蒸发量为1391.7mm，绝对湿度年平均16.4毫巴，年平均相对湿度75.7%，湿度系数Ψw=0.903，本地区大气影响深度da=3.0米，大气影响急剧深度为1.35米。长江最高洪水位为29.73m（吴淞高程系统），最低枯水位8.87m。

与之毗邻的严西湖多年平均无霜期245d，降水量1220mm，湖水pH值7.4。湖水依赖区间径流和湖面降水补给，集水面积67.0平方公里，补给系数5.7。原属北湖水系，曾与长江直接连通，自1955年建成武惠闸、1965年建成北湖闸后，成为受人为控制的水库型湖泊。治理后，江湖隔离，非汛期湖水分别从武惠闸和北湖闸排入长江;汛期则由北湖泵站抽水排入长江。

3、主廊道有限元稳定性分析

为了研究汪家窑旧址主廊道部分的整体稳定性，本文利用有限元软件ANSYS17.0建立非线性有限元砖砌体模型，由于砌体与砖接触面之间的黏结滑移关系研究目前尚不成熟，因此接触面的黏附强度难以获得，为了计算方便，仿真模型采用将砌体和砌块作为一个连续整体来进行考虑，但由于黏土砌体和砖块分属于两种截然不同的材料，砖强度明显大于黏土，因此简化为破坏主要发生在黏土中，分别赋予不同的材料参数进行建模。

3.1 模型建立及计算原则

计算的几何模型建立是在地质模型的基础上建立的，而地质模型则是在地质剖面的基础上建立起来的。因此根据具体实际情况，模型尺寸：主廊道长1.9m，高1.7m，上拱半径0.5m，现场图片及建立主廊道的的几何模型如图1、图2所示。边界条件：左右两侧水平位移约束，下端固定，由于上部覆盖有土体，所以上边界施加向下的力为2.3x1.9x6x2000N=5.244E5N，考虑到模型的形状规模及精度要求，砖与土体用8节点plane82号平面应变单元模拟[5-6]。求解采用大位移，用牛顿一托普森方法求解，以有限元静力计算不收敛和位移不收敛作为廊道整体失稳的判据[7-10]。

在考虑了砖，上部荷载，黏土砌体等共同工作的情况下，共用了2309单元，7193个节点，其计算模型的单元数与节点数具体如下表所示。

3.2 模型材料参数定义

模型材料的选择，根据工程现场经验和室内实验提供的资料，经过简化选取本计算模型的参数，见表1。

3.3 计算结果分析

（1）主廊道在自然工况下的稳定性分析

通过对主廊道有限元模型进行加载和求解，得出最终的计算结果，由图3、图4可知，在自重作用下，廊道发生垂直和水平位移，垂直方向最大位移为19.1861mm，水平方向最大位移5.47451mm，最大位移主要发生在拱顶偏右部分，向两侧位移逐渐减小这是因为在右部存在一条裂纹，导致拱顶偏右这一部分向左下位移较大。由图5、图6可知，在自重作用下，该廊道大小主应力主要是承受压应力，在局部范围内承受拉应力，第一主应力的最大压应力为0.178E9pa，发生在廊道右部拱与竖墙相交处的内侧，该出部分砖和砌体部分已经脱落，廊道有整体向右下倾斜的情况，符合现实情况，最大拉应力为0.317E9pa，发生在廊道右部拱与竖墙相交处的外侧，第三主应力的最大压应力为0.573E9pa，最大拉应力为0.631E9pa，分布其与最大主应力基本相同，并且在拱内侧上的裂缝处表现为拉应力，可见此处砖块处于脱落状态。

（2）主廊道在暴雨工况下的稳定性分析

在暴雨工況下，通过对主廊道有限元进行求解设置并加载和求解，得到最终的计算结果，由图7、图8可知竖向最大位移为25.2269mm，水平最大位移7.6024mm，与自然工况下相比，分别增加了5.9624mm、2.1279mm，分布位置与自然工况下基本相同，可知暴雨对主廊道竖直方向影响较大，水平方向影响不大，会加速裂缝的竖向发展，由图9、图10可知主廊道在上部荷载的情况下主要承受的是压应力，在主廊道某一局部（主要是裂缝处）可能出现较大的拉应力，相似于自然工况下的应力分布，但第一主应力的最大压应力比自然工况下增加了7Mpa，最大拉应力比自然工况下增加了60Mpa，最小主应力最大压应力为0.648E9pa，最大拉应力0.952E8pa，相对于自然工况下都有一定程度的增加，可见在暴雨情况下，主廊道上部的荷载有所增加，主廊道承受压力的能力减弱，其结构变得更加不稳定。

4、综合分析

在自然工况下，其最大位移19.2645mm，并且此处出现一条几乎贯穿的裂缝，变形比较大，其变形情况如图11，相比在暴雨工况下，其最大变形量为25.4742mm，相比于自然工况下，增加了6.2097mm，其变形情况如图12所示，分布位置与自然工况下基本一致，可见暴雨情况下此裂缝会进一步发展，甚至会发生倒塌，符合现场调查与测绘实际情况。

5、结论

本文以汪家窑旧址勘查资料为基础，采用ANSYS数值模拟软件，对汪家窑旧址主廊道部分在自然和暴雨两种工况下的整体稳定性进行了数值模拟研究，主要得出以下结论：

（1）ANSYS软件能够快速准确地对主廊道进行稳定性分析，能够真实地反映主廊道整体和局部的破坏状态，所得结果准确度较高（对比与现场实测结果），在实际相似工程中具有较好的应用前景。

（2）在自然工况下，主廊道变形最大处不是在主廊道拱的顶部，而是发生在主廊道右侧裂缝所在处，并且整体的位移方向也因裂缝的存在而发生变化，因此重点进行设计加固的区域应放在裂缝处。

（3）暴雨工况下，主廊道的变形，应力都有一定程度上的增加，一是因为暴雨引起上部土层的重度增加，二是因为水的作用弱化了转砌块之间的作用力，从而使主廊道的整体承受能力减弱，因此对主廊道周围及上部土层做好排水设施也是至关重要。

（4）经过自然、暴雨状况下稳定性分析，得出了主廊道在设计加固中应该特别注意的薄软环节，并对此应该重点治理，从而使其安全、稳定、可靠。

参考文献

[1]李佳，夏洪流.基于数值模拟的砌体结构倒塌影响因素分析及抗倒塌措施初探[J].重庆大学.

[2]柳振民.设置圈梁的砌体结构整体破坏模式的研究与控制[D].西安建筑科技大学，2016.

[3]伍云天;李英民;刘立平;杨浦.圈梁-构造柱约束砖砌体房屋的抗地震倒塌性能分析[J].工业建筑，2012.

[4]洛根（Logan，D.L）（美）著，伍义生等译.有限元方法基础教程[M].北京：电子工业出版社，2003.8.

[5]莫维尼（Moaveni，S）（美）著，欧阳宇等译.有限元分析：ANSYS 理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2003. 6.