窯腿寬度對生土窯洞結構體系的影響分析

姬棟宇

（1.鄭州大學 土木工程學院，鄭州 450002；2.湖南城建職業(yè)技術學院 土木工程系，湖南 湘潭 411101）

生土窯居是我國黃土高原極具特色的一種民居類型［1］。窯洞是利用黃土壁立不倒的特性而挖掘的拱型穴居，是自支撐土拱結構體系，沒有任何支護，它的幾何形狀、構造尺寸、構成方式無不蘊涵著豐富的科學智慧和巧奪天工的匠意。因此研究窯洞的力學特征及破壞原因，進而對窯洞進行加固和改造，這對于窯洞的防災減災有特別重要的作用。

目前，我國約有3000萬人居住在窯洞中［2］，生土窯洞主要分布在中西部的河南、山西、陜西、甘肅、青海等黃土層較厚的地區(qū)，其黃土厚度一般為50～150m。窯洞具有冬暖夏涼、保溫、隔熱、儲能、節(jié)省建筑材料、施工技術簡單、經濟適用等特點，顯著的生態(tài)優(yōu)勢說明了窯洞民居需要保護。

1 結構分析有限元法

有限元法是近年來發(fā)展起來的一種非常有效的結構分析方法，并且從理論和應用上都發(fā)展得較為完善。本文利用三維有限單元法對窯腿的寬度進行變化分析，并把分析結果進行對比，找出其變化規(guī)律。

1.1 研究對象

以河南省三門峽地區(qū)某窯洞為研究對象，進行分析其窯洞的力學特征。窯洞結構尺寸參數(shù)的選取為［3］：窯腿寬度3m，窯室跨度3m，覆土厚度3m，側墻高度1.8m，拱矢1.2m。 如圖1所示。

1.2 基本參數(shù)

該窯洞采用的主要參數(shù)，重度為13.5kN/m3；彈性模量EC為8MPa；泊松比μ為0.3；內摩擦角準為22.8°；粘聚力c為51.8kPa。

1.3 計算模型

根據(jù)該窯洞結構的尺寸，建立結構有限元計算模型，采用8節(jié)點等參塊體單元來模擬，如圖2所示。假定土的側壓力按擋土墻計算，且為被動土壓力。

2 窯腿寬度的變化對窯洞的影響

通過采用三位有限元法，對其所選結構進行分析，得出在土自重的情況下窯洞結構的豎向位移最大值發(fā)生在窯洞的拱頂位置，且最大位移為－47mm；窯洞結構的水平最大位移發(fā)生在窯洞的拱圈與側墻交接處，且最大位移為17mm；窯洞結構的進深方向最大位移發(fā)生在窯洞跨中與上地面交接處，且最大位移為－22mm；窯洞的最大應力發(fā)生在窯洞最薄弱的部位——窯腿底部，最大值為188.571kPa。

由于窯腿是窯洞最薄弱的部位，通過采用三維有限元法，只改變窯腿寬度的大小，其他參數(shù)不變，分析其變化規(guī)律。通過分析發(fā)現(xiàn)窯洞在土自重的情況下位移最大發(fā)生在窯洞的拱頂位置和窯洞的拱圈與側墻交接處。

窯腿的寬度分別取為2，2.5，3，3.5m。 通過改變窯腿尺寸得出窯洞在土自重的情況下，最大位移發(fā)生在窯洞的拱頂位置和窯洞的拱圈與側墻交接處，見表1；最大應力和最大位移所對應的位置，見表2。

表1 窯腿寬度變化對拱頂處和拱圈與側墻交接處的位移 單位：mm

表2 窯腿變化的最大應力、最大位移及其位置 單位：mm

分析最大應力、最大位移所對應的位置得出其變化規(guī)律：窯洞的最大主應力發(fā)生在拱腳處，隨著窯腿寬度的增大而先增大再減??；最大值是發(fā)生在為3m寬的窯腿。

窯洞水平方向最大位移發(fā)生在窯洞拱圈與側墻的交接處，隨著窯腿寬度的增大其水平方向位移有明顯的減少，從這一變化規(guī)律上說明了窯腿的部位是窯體結構的敏感部位，也是薄弱部位。

窯洞的豎向位移隨著窯腿寬度的增大而減少。

窯洞進深方向的最大位移發(fā)生在窯洞跨中與上地面的交界處，隨窯腿寬度的增大而減小。

3 結語

通過改變窯腿的尺寸變化分析，得出最大應力和最大位移所對應的位置及其變化規(guī)律，給以后設計和開挖窯洞施工提供了一定的參考依據(jù)。建議在開挖窯室時，注意合理選擇窯腿的尺寸，以保證窯洞的穩(wěn)定性。計算得出在土自重壓力的情況下窯洞結構的破壞規(guī)律與現(xiàn)場調研窯洞的破壞規(guī)律相吻合。

［1］侯繼堯，王軍.中國窯洞［M］.鄭州：河南科學技術出版社，1999.

［2］靳亦冰，王軍.新農村建設帶給窯洞民居的機遇與挑戰(zhàn)［A］.第十四次中國民居學術會議論文集［C］.澳門，2006.

［3］童麗萍，韓翠萍.傳統(tǒng)生土窯洞的土拱結構體系［J］.施工技術，2008，37（6）.