CN112035909A

CN112035909A - 基于ansys的窑洞加固改造方法

Info

Publication number: CN112035909A
Application number: CN201910479384.2A
Authority: CN
Inventors: 董亚伟; 郭江; 陈爱军
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2020-12-04

Abstract

本发明公开了一种基于ANSYS的窑洞加固改造方法，运用力学有限元分析软件ANSYS进行仿真，设定窑洞结构拱曲线为抛物线，计算在具有不同焦距抛物线时结构内部的应力因素，从力学角度对窑洞的稳定性进行分析，找出最为适合的拱曲线。本发明通过改变抛物线的焦距，改变结构的受力性能，以减少可能存在的破坏点内部的结构应力为目的，从根本上使得窑洞结构更加稳定；使得人们在建造窑洞以及保护改造的过程中有所参考，从而延长窑洞的使用年限，同时变相降低了建造及维护的成本。

Description

基于ANSYS的窑洞加固改造方法

技术领域

本发明涉及力学结构领域，特别是一种基于ANSYS的窑洞加固改造方法。

背景技术

窑洞是一种极其古老的居住形式，其具有四千多年的历史。在广袤的黄土高原地区，窑洞是一种非常便利，低成本以及绿色的建筑。窑洞的建造别具一格，采用拱形的结构，将顶部的压力分至两边，注重平衡，坚固耐用。有的窑洞可以使用百年以上，有的却只有几十年的寿命，其在建造时是泥瓦匠师傅根据经验砌出形状。

现如今窑洞的加固方法包括以下几种：(1)沿着内壁用钢筋混凝土或者砖石在窑洞内壁加固；(2)在窑腿处加盖覆土；(3)运用木结构、钢结构或碳纤维结构做成加固装置，起到类似于承重支柱的作用。方法1仅仅是在窑洞内部加固一周，所形成的拱曲线没有变化，内壁所产生的压力大部分由混凝土或砖石承受，虽然能在一定程度上延长窑洞的使用寿命，但是若干年后还是需要再次加固。方法2可以轻微增大窑腿处的承受能力，但窑腿处产生的应力主要是向下以及向外扩散的力，分别由地面以及窑洞两边的土层所承受，因此加盖覆土的方法起到的作用微乎其微。方法3所使用的加固装置能够有效分担窑洞内壁的压力，产生的效果也是非常可观，但是加固装置的体积往往很大，在空间有限的窑洞内侵占了人们的生活空间，显然是不合适的，而且由木材或者钢材做成的加固装置也有受空气湿度和环境酸碱度腐蚀进而坍塌的隐患。方法1及方法3所产生的成本也是很高的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ANSYS的窑洞加固改造方法，解决窑洞结构的稳定性问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于ANSYS的窑洞加固改造方法，具体步骤如下：

(1)利用抛物线方程x²＝-2Py以及窑洞的实际尺寸，确定其所允许的最大最小焦距P的范围，运用建模软件Pro/E对窑洞及其所连接部分进行建模；

(2)将模型导入有限元软件ANSYS，设定载荷压力、约束形式以及重力加速度，将模型离散化，运用静力学模块分析，从而得出模型内部的应力云图；

(3)根据模型的应力云图分析其破坏点的产生，比较不同焦距的抛物线所形成的结构拱曲线对载荷压力的耐受程度，并从中提取出最优化的拱曲线。

与现有的窑洞加固改造技术相比，本发明的有益效果为：在力学层面上，从根本角度找出了此结构最为稳定的形状，进而使得人们在建造窑洞以及保护改造的过程中有所参考，从而延长窑洞的使用年限，同时变相降低了建造及维护的成本。

附图说明

图1是一组焦距分别为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9的抛物线函数图。

图2是单孔窑洞ANSYS模型网格划分图。

图3是抛物线焦距为0.5的结构的应力云图。

图4是抛物线焦距为0.6的结构的应力云图。

图5是抛物线焦距为0.7的结构的应力云图。

图6是抛物线焦距为0.8的结构的应力云图。

图7是抛物线焦距为0.9的结构的应力云图。

具体实施方式

现有的窑洞改造方法普遍为利用钢筋混凝土或者砖石沿着窑洞内壁加固，运用木结构或钢结构建造加固装置，在窑腿处加盖覆土等措施。前二种方法材料成本相对高，第三种对窑洞的稳定性意义不大。

一种基于ANSYS的窑洞加固改造方法，运用力学有限元分析软件ANSYS进行仿真，设定窑洞结构拱曲线为抛物线，计算在具有不同焦距抛物线时结构内部的应力因素，从力学角度对窑洞的稳定性进行分析，找出最为适合的拱曲线，具体步骤如下：

(1)利用抛物线方程x²＝-2Py以及窑洞的实际尺寸，确定其所允许的最大最小焦距P的范围，运用建模软件Pro/E对窑洞及其所连接部分进行建模；x为横坐标，y为纵坐标。

从根本上解决窑洞的承重拱结构的稳定问题，按照计算结果做一种模具，实现可靠性高，低成本的特点。

进一步的，焦距P的确定方法为：

以窑洞的跨度、高度以及窑腿处的竖直段长度，建立直角坐标系下的抛物线方程，考虑到具体施工时窑腿处竖直段的长度不一，选取其施工所允许的最大和最小长度，进而确定抛物线函数焦距的取值范围。

进一步的，确定直角坐标系下抛物线焦距的取值范围后，根据这一组抛物线y值的差异，选取便于实际施工的y值间隔，进而确定焦距的间隔。

进一步的，考虑到窑洞一般是建造在很高很长的土层上，窑洞两边的土层会延伸至10m、20m不等，而离窑洞较远处的土层产生的土压力对窑洞结构产生的影响很小，因此将建模时的连接部分定义为从窑腿处往两边各延伸3m的所有土层。

进一步的，模型的载荷为除去正面之外的三面所受到的土压力，以及重力，模型的约束设定为底面所有节点无位移。

进一步的，根据有限元软件ANSYS所得到的应力云图分析，存在应力集中的区域为将会产生破坏的区域。通过对比所有模型的应力云图，选取模型内部的应力最小者为最优。

根据有限元软件ANSYS所得到的应力云图分析，数值为正的是压应力，数值为负的是拉应力，结合应力云图中拉压应力的分布区域分析其对结构产生的破坏效果。

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细阐述。

实施例

如图1所示，为一组抛物线函数图形，方程分别为x²＝-y，x²＝-1.2y，x²＝-1.4y，x²＝-1.6y，x²＝-1.8y，焦距分别为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9。这五条抛物线分别作为窑洞结构拱曲线运用Pro/E进行建模。

窑洞模型高3.6米，跨度4米，窑顶覆土3米，窑腿处各往两边延伸3米，竖直段以1.2米为最高标准。由上述五条抛物线所形成的模型的区别在于窑腿处竖直段的高度。如图2所示，为焦距0.8的抛物线形成的模型经过ANSYS软件有限元离散的结构图。

窑洞建造用土的主要参数：土的重度为19.0kN/m³，得出密度为1938.77kg/m³，弹性模量为E＝9.0MPa，泊松比为0.3，重力加速度为9.8m/s²，内摩擦角为θ＝23°，粘聚力C＝52kPa。

模型侧面和背面的土压力计算公式为P＝λHtan²(45°+θ/2)+2Ctan(45°+θ/2)，其中λ是土重力密度，H是受力面的高度，单位m，θ是土的内摩擦角，C是土的粘聚力。计算得出P＝157.413kPa。

如图3、图4、图5、图6、图7所示，为不同抛物线形成的模型的应力云图。由图中可以看出，焦距为0.5时，窑腿处无竖直段，应力集中区域在洞顶，大约呈45度角向两边扩展，即此处可发生破坏，最小应力为24948.8Pa。焦距为0.6、0.7、0.8、0.9时，结构的应力集中区域主要是窑洞两边斜坡处，角度大约呈30度到40度不等，最小应力分别为10439Pa、20354.5Pa、12373.5Pa、12161Pa，比较可得，当焦距为0.6时，结构内部的应力最小，即抛物线x²＝-1.2y为窑洞结构最优拱曲线。

由于各地窑洞尺寸不唯一，因此本实施例不具备唯一性，但以本实施例为参考，可对各地的窑洞加固改造提供准确的计算方法。

Claims

1.一种基于ANSYS的窑洞加固改造方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于ANSYS的窑洞加固改造方法，其特征在于，焦距P的确定方法为：

以窑洞的跨度、高度以及窑腿处的竖直段长度，建立直角坐标系下的抛物线方程，选取其施工所允许的最大和最小长度，进而确定抛物线函数焦距的取值范围。

3.根据权利要求2所述的基于ANSYS的窑洞加固改造方法，其特征在于：确定直角坐标系下抛物线焦距的取值范围后，根据这一组抛物线y值的差异，选取y值间隔，进而确定焦距的间隔。

4.根据权利要求1所述的基于ANSYS的窑洞加固改造方法，其特征在于，建模时的连接部分定义为从窑腿处往两边各延伸3m的所有土层。

5.根据权利要求1所述的基于ANSYS的窑洞加固改造方法，其特征在于，模型的载荷为除去正面之外的三面所受到的土压力，以及重力；模型的约束设定为底面所有节点无位移。

6.根据权利要求1所述的基于ANSYS的窑洞加固改造方法，其特征在于，根据有限元软件ANSYS所得到的应力云图分析，数值为正的是压应力，数值为负的是拉应力，通过对比所有模型的应力云图，选取模型内部的应力最小者为最优。