摘要：以河南省三門峽地區(qū)某窯洞為研究對象，進(jìn)行了有限元分析，通過改變窯腿的寬度得出最大應(yīng)力、最大位移所對應(yīng)的位置及其變化規(guī)律，為以后設(shè)計(jì)和開挖窯洞提供了一定的參考依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：生土窯洞；窯腿；有限元法；結(jié)構(gòu)體系
　　TheImpactAnalysisoftheKilnLeg′sWidthTowardsStructureSystem
　　ofImmatureSoilCaveDwelling
　　JiDong-Yu
　　（1.CollegeofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,450002,China
　　2.DepartmentofCivilEngineering，HunanUrbanConstructionCollege.Xiangtan411101，China)
　　Abstract：AFiniteElementAnalysishasbeencarriedouttowardsacaveinthecityofSanmenxiainHenanprovincethroughchangingthewidthofthekilnleg,whichleadtoMaximumstressandmaximumdisplacementcorrespondingtothelocationandtheirvariation.TheFiniteElementAnalysiscanprovideacertainReferencefordesigningandexcavatingcaveinthefuture.
　　Keywords:immaturesoilcavedwelling;kilnleg;finiteelementmethod;structuresystem;
　　1引言
　　我國目前約有3000萬人仍居住在窯洞中[1]，具有冬暖夏涼、保溫、隔熱、儲能等功能，顯著的生態(tài)優(yōu)勢說明了窯洞民居需要保護(hù)，因此研究窯洞的力學(xué)特征及破壞原因，進(jìn)而對窯洞進(jìn)行加固和改造，這對于窯洞的防災(zāi)減災(zāi)有特別重要的作用。
　　生土窯居是我國黃土高原極具特色的一種民居類型[2]。窯洞民居是利用黃土壁立不倒的特性而挖掘的拱形穴居,是自支撐土拱結(jié)構(gòu)體系，沒有任何支護(hù)，它的幾何形狀、構(gòu)造尺寸、構(gòu)成方式無不蘊(yùn)涵著豐富的科學(xué)智慧和巧奪天工的匠意。式住宅，分布在我國黃土高原的南部，其黃土厚度一般為50—150米，屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。
　　2結(jié)構(gòu)分析的有限元法
　　近年來發(fā)展起來的一種非常有效的結(jié)構(gòu)分析方法，并且從理論和應(yīng)用上都發(fā)
　　作者簡介：姬棟宇（1981—），男，河南濮陽人，講師，博士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真研究工作
　　展的較為完善。文本利用三維有限單元法對窯室的跨度進(jìn)行分析，把并把分析結(jié)果與實(shí)際破壞結(jié)果進(jìn)行對比。
　　2.1研究對象
　　以河南省三門峽地區(qū)某窯洞為研究對象，進(jìn)行分析其窯洞的力學(xué)特征。窯洞結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的選取為[3]：窯腿寬度3m，窯洞的跨度3m，覆土厚度3m，側(cè)墻高1.8m，拱矢1.2m。如圖1所示。

                                 
　　圖1窯居結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)示意圖
　　2.2基本參數(shù) 
　　該窯洞采用主要材料參數(shù)，重度為13.5KN/m3；彈性模量為EC=8MPa；泊松比為μ=0.3；內(nèi)摩擦角為φ=22.8°；粘聚力為c=51.8Kpa。
　　2.3計(jì)算模型
　　根據(jù)該窯洞結(jié)構(gòu)的尺寸，建立結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，采用45單元來模擬。結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型如圖2所示。假定土的側(cè)壓力按擋土墻計(jì)算，且為被動(dòng)土壓力。

                          
　　圖2窯洞結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型
　　3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(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出在土自重的情況下窯洞結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的水平最大位移發(fā)生在窯洞的拱圈與側(cè)墻交接處，且最大位移為15mm；窯洞結(jié)構(gòu)的進(jìn)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；并且窯洞的最大應(yīng)力發(fā)生在窯洞的最薄弱的部位——窯腿底部，最大值為174.323KPa。
　　由于窯腿是窯洞的最薄弱的部位，通過采用三維有限元法，只改變窯腿寬度的大小，其它參數(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(cè)墻交接處。
　　窯腿的寬度分別取為2m、2.5m、3m、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(cè)墻交接處見表1；最大應(yīng)力和最大位移所對應(yīng)的位置見表2。
　　表1窯腿寬度變化對拱頂處和拱圈與側(cè)墻交接處的位移（單位：mm）
　                　　
　　表2.窯腿變化的最大應(yīng)力、最大位移及其位置（單位：mm）

                  
　　分析最大應(yīng)力、最大位移所對應(yīng)的位置得出其變化規(guī)律：窯洞的最大主應(yīng)力發(fā)生在拱腳處，隨著窯腿寬度的增大而先增大再減小。最大值是發(fā)生在為3米寬的窯腿。
　　窯洞的水平方向最大位移發(fā)生在窯洞拱圈與側(cè)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(jié)構(gòu)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(jìn)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；
　　4結(jié)論
　　通過改變窯腿的尺寸變化分析，得出最大應(yīng)力和最大位移所對應(yīng)的位置及其變化規(guī)律。給以后設(shè)計(jì)和開挖窯洞施工提供了一定的參考依據(jù)。建議找開挖窯室時(shí)，注意合理選擇窯腿的尺寸，以保證窯洞的穩(wěn)定性。計(jì)算得出在土自重壓力的情況下窯洞結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律與現(xiàn)場調(diào)研窯洞的破壞規(guī)律相吻合。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]靳亦冰，王軍.新農(nóng)村建設(shè)帶給窯洞民居的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[C]，第十四次中國民居學(xué)術(shù)會議論文集.澳門,2006.
　　[2]侯繼堯，王軍.中國窯洞[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,1999.
　　[3]童麗萍，韓翠萍.傳統(tǒng)生土窯洞的土拱結(jié)構(gòu)體系[J]，施工技術(shù)，2008，37（6）