基于ANSYS的汪家窯遺址磚石結(jié)構(gòu)主廊道的整體穩(wěn)定性分析

郭今彪 初陽(yáng) 陳崑

摘要：遺址是在一定歷史條件下產(chǎn)生的遺跡，作為歷史的產(chǎn)物，都必然打上時(shí)代的印記，反映當(dāng)時(shí)的自然生態(tài)狀況和社會(huì)的經(jīng)濟(jì)、科技、文化等狀況，具有重要的歷史價(jià)值，社會(huì)價(jià)值，科學(xué)研究?jī)r(jià)值。本文運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)汪家窯舊址主廊道部分進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了該廊道在自然工況和暴雨工況下的整體穩(wěn)定性情況，反映其變形、位移及應(yīng)力變化，為其治理方案提供依據(jù)，并提出設(shè)計(jì)中的薄弱點(diǎn)，且提出對(duì)其重點(diǎn)治理，從而使實(shí)際工程做到可靠、安全和耐久。

關(guān)鍵字：遺址;汪家窯舊址主廊道;ANSYS軟件;穩(wěn)定性

1、引言

許多亞洲國(guó)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(chǎn)物，古代科學(xué)技術(shù)遺產(chǎn)的寶庫(kù)，是人們利用當(dāng)時(shí)所能得到的材料和所掌握的技術(shù)創(chuàng)造出來(lái)的，反映了其產(chǎn)生時(shí)代人們認(rèn)識(shí)自然、利用自然的程度，是那個(gè)時(shí)代科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)力發(fā)展水平的標(biāo)志，不僅能夠給人類提供重要的、有價(jià)值的知識(shí)和信息，為科學(xué)技術(shù)史的研究提供了實(shí)物資料，而且也為現(xiàn)代科技的發(fā)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(yán)重破壞，有的甚至全部坍塌，狀況岌岌可危，由此，磚石結(jié)構(gòu)古建筑的保護(hù)變得相當(dāng)緊迫。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)窯址的研究也大多集中于窯址在地震作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和抗震性能的分析[1]上，國(guó)內(nèi)對(duì)于窯址在傾斜狀態(tài)下的安全性與穩(wěn)定性的研究卻明顯不足。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，有限元分析得到了快速的發(fā)展，經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由二維分析到三維分析的發(fā)展過(guò)程[2]，砌體的有限元分析也從剛開始的線彈性分析過(guò)渡到了非線性的彈塑性分析。非線性問(wèn)題包括：材料非線性問(wèn)題、幾何非線性問(wèn)題和接觸非線性問(wèn)題[3]。非線性問(wèn)題一直是力學(xué)領(lǐng)域里的復(fù)雜難題，有限元計(jì)算軟件的出現(xiàn)和發(fā)展為解決非線性類問(wèn)題提供了重要的工具。

隨著計(jì)算機(jī)軟件及圖形學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)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(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)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(lǐng)域和特定問(wèn)題的限制，其強(qiáng)大而廣泛的分析功能（可解決單物理場(chǎng)、多物理場(chǎng)及耦合的線性、非線性問(wèn)題等）是其它軟件不能比擬的，并且以其計(jì)算結(jié)果和實(shí)際結(jié)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(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)體輸入到ANSYS中進(jìn)行有限元分析;同時(shí)，在ANSYS軟件中，參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）是一個(gè)功能強(qiáng)大的解釋性語(yǔ)言，可用來(lái)自動(dòng)完成一些通用性強(qiáng)的任務(wù)[4-5]。

2、工程地質(zhì)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(qū)白玉山街道勝?gòu)?qiáng)村汪家咀的一處半島上，緊鄰嚴(yán)西湖，窯址一側(cè)即為嚴(yán)西湖部分坡岸，窯址為磚砌體結(jié)構(gòu)，該遺址為清朝末年朱氏手工業(yè)者在此建造的汪家古窯，為當(dāng)?shù)責(zé)魄卮u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(tài)，該遺址在廢棄后，長(zhǎng)期無(wú)人使用和維護(hù)，在數(shù)十年的自然營(yíng)力的影響下，窯址出現(xiàn)了嚴(yán)重的病害，主廊道部分發(fā)生一定的變形，例如：降雨對(duì)窯址本體的直接沖刷導(dǎo)致磚砌體產(chǎn)生貫穿性的結(jié)構(gòu)裂縫，雜草、樹木、微生物等生物對(duì)窯址本體裸露磚塊表面產(chǎn)生嚴(yán)重的風(fēng)化病害，窯址的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重的影響，因此亟需開展對(duì)于窯址本體進(jìn)行一定的穩(wěn)定性分析，為之后的設(shè)計(jì)加固措施提供一定的依據(jù)。

2.1 地層巖性

窯址所在地層為中更新統(tǒng)王家灣地層，其上部分為黃褐色粘土，含大量鐵錳質(zhì)結(jié)核，中部為褐紅色網(wǎng)紋狀粘土，為沖洪積形成，呈硬塑-堅(jiān)硬狀態(tài)，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(xiàn)場(chǎng)只出露中更新統(tǒng)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(qū)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(fā)量為1391.7mm，絕對(duì)濕度年平均16.4毫巴，年平均相對(duì)濕度75.7%，濕度系數(shù)Ψw=0.903，本地區(qū)大氣影響深度da=3.0米，大氣影響急劇深度為1.35米。長(zhǎng)江最高洪水位為29.73m（吳淞高程系統(tǒng)），最低枯水位8.87m。

與之毗鄰的嚴(yán)西湖多年平均無(wú)霜期245d，降水量1220mm，湖水pH值7.4。湖水依賴區(qū)間徑流和湖面降水補(bǔ)給，集水面積67.0平方公里，補(bǔ)給系數(shù)5.7。原屬北湖水系，曾與長(zhǎng)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(kù)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(zhǎng)江;汛期則由北湖泵站抽水排入長(zhǎng)江。

3、主廊道有限元穩(wěn)定性分析

為了研究汪家窯舊址主廊道部分的整體穩(wěn)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(jié)滑移關(guān)系研究目前尚不成熟，因此接觸面的黏附強(qiáng)度難以獲得，為了計(jì)算方便，仿真模型采用將砌體和砌塊作為一個(gè)連續(xù)整體來(lái)進(jìn)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(qiáng)度明顯大于黏土，因此簡(jiǎn)化為破壞主要發(fā)生在黏土中，分別賦予不同的材料參數(shù)進(jìn)行建模。

3.1 模型建立及計(jì)算原則

計(jì)算的幾何模型建立是在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上建立的，而地質(zhì)模型則是在地質(zhì)剖面的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。因此根據(jù)具體實(shí)際情況，模型尺寸：主廊道長(zhǎng)1.9m，高1.7m，上拱半徑0.5m，現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(guī)模及精度要求，磚與土體用8節(jié)點(diǎn)plane82號(hào)平面應(yīng)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(jì)算不收斂和位移不收斂作為廊道整體失穩(wěn)的判據(jù)[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(gè)節(jié)點(diǎn)，其計(jì)算模型的單元數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)具體如下表所示。

3.2 模型材料參數(shù)定義

模型材料的選擇，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)提供的資料，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化選取本計(jì)算模型的參數(shù)，見(jiàn)表1。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）主廊道在自然工況下的穩(wěn)定性分析

通過(guò)對(duì)主廊道有限元模型進(jìn)行加載和求解，得出最終的計(jì)算結(jié)果，由圖3、圖4可知，在自重作用下，廊道發(fā)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(fā)生在拱頂偏右部分，向兩側(cè)位移逐漸減小這是因?yàn)樵谟也看嬖谝粭l裂紋，導(dǎo)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(yīng)力主要是承受壓應(yīng)力，在局部范圍內(nèi)承受拉應(yīng)力，第一主應(yīng)力的最大壓應(yīng)力為0.178E9pa，發(fā)生在廊道右部拱與豎墻相交處的內(nèi)側(cè)，該出部分磚和砌體部分已經(jīng)脫落，廊道有整體向右下傾斜的情況，符合現(xiàn)實(shí)情況，最大拉應(yīng)力為0.317E9pa，發(fā)生在廊道右部拱與豎墻相交處的外側(cè)，第三主應(yīng)力的最大壓應(yīng)力為0.573E9pa，最大拉應(yīng)力為0.631E9pa，分布其與最大主應(yīng)力基本相同，并且在拱內(nèi)側(cè)上的裂縫處表現(xiàn)為拉應(yīng)力，可見(jiàn)此處磚塊處于脫落狀態(tài)。

（2）主廊道在暴雨工況下的穩(wěn)定性分析

在暴雨工況下，通過(guò)對(duì)主廊道有限元進(jìn)行求解設(shè)置并加載和求解，得到最終的計(jì)算結(jié)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(duì)主廊道豎直方向影響較大，水平方向影響不大，會(huì)加速裂縫的豎向發(fā)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(yīng)力，在主廊道某一局部（主要是裂縫處）可能出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，相似于自然工況下的應(yīng)力分布，但第一主應(yīng)力的最大壓應(yīng)力比自然工況下增加了7Mpa，最大拉應(yīng)力比自然工況下增加了60Mpa，最小主應(yīng)力最大壓應(yīng)力為0.648E9pa，最大拉應(yīng)力0.952E8pa，相對(duì)于自然工況下都有一定程度的增加，可見(jiàn)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(jié)構(gòu)變得更加不穩(wěn)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(xiàn)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(jiàn)暴雨情況下此裂縫會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，甚至?xí)l(fā)生倒塌，符合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與測(cè)繪實(shí)際情況。

5、結(jié)論

本文以汪家窯舊址勘查資料為基礎(chǔ)，采用ANSYS數(shù)值模擬軟件，對(duì)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(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）ANSYS軟件能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)主廊道進(jìn)行穩(wěn)定性分析，能夠真實(shí)地反映主廊道整體和局部的破壞狀態(tài)，所得結(jié)果準(zhǔn)確度較高（對(duì)比與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果），在實(shí)際相似工程中具有較好的應(yīng)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(fā)生在主廊道右側(cè)裂縫所在處，并且整體的位移方向也因裂縫的存在而發(fā)生變化，因此重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)加固的區(qū)域應(yīng)放在裂縫處。

（3）暴雨工況下，主廊道的變形，應(yīng)力都有一定程度上的增加，一是因?yàn)楸┯暌鹕喜客翆拥闹囟仍黾?，二是因?yàn)樗淖饔萌趸宿D(zhuǎn)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(duì)主廊道周圍及上部土層做好排水設(shè)施也是至關(guān)重要。

（4）經(jīng)過(guò)自然、暴雨?duì)顩r下穩(wěn)定性分析，得出了主廊道在設(shè)計(jì)加固中應(yīng)該特別注意的薄軟環(huán)節(jié)，并對(duì)此應(yīng)該重點(diǎn)治理，從而使其安全、穩(wěn)定、可靠。

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