西北地区独立式砖箍窑洞地震响应及易损性分析

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传统民居是我国文化传承的媒介之一,具有极强的历史意义和现实意义,西北地区砖箍窑洞是我国黄土高原的特色民居,在陕北红色革命区、山西、河南和甘肃陇南等地都有广泛分布,具有造价低、环保、冬暖夏凉等其他结构不具备的优势。但该结构在多数设防区域都未采取抗震措施,缺少相应的地震破坏机理研究以及设计依据。本文对独立式砖箍窑洞进行地震响应分析,提出砖箍窑洞的损伤量化指标,在此基础上对其进行地震易损性分析,并提出设计建议。通过对西北地区独立式砖箍窑洞进行实地调研,对其建造技艺进行总结,并结合调研资料,选取了典型三连拱独立式砖箍窑洞原型结构,缩尺后对其进行动力特性测试,并利用ABAQUS分析软件建立模型,得到模型结构的动力特性以及三维地震作用下的受拉损伤部位,同时进行拱顶、拱肩、拱脚、窑腿各部位的应力、加速度和受拉损伤参数时程曲线分析。结果表明,砖箍窑洞在地震作用下的破坏模式为:边腿外闪—边跨拱顶下沉—边拱券断裂—中腿两侧偏移—中跨拱券下沉—结构完全破坏。地震响应基本规律为:窑洞前部应力、加速度响应大于窑洞后部,边跨拱券部位受拉损伤大于中跨。提出采用边跨拱顶竖向位移与矢高比值作为独立式砖箍窑洞在地震下的损伤量化指标,详细介绍了针对砖箍窑洞体系的增量动力分析法(IDA),后续进行了砖箍窑洞基于IDA的地震易损性分析,建立该窑洞模型和双拱砖箍窑洞的易损性曲线,对其进行抗震性能评估。分析结果表明:在8度基本烈度(200gal)工况下,三连拱结构发生轻微破坏概率为50%左右,发生严重破坏概率为10%左右,完全破坏概率不足5%,在8度罕遇烈度(400gal)时发生严重破坏概率接近80%,完全破坏概率为37%左右;在小震作用下双拱砖箍窑洞破坏概率较小,大震作用下延性更差。结合受拉损伤参数以及砖箍窑洞损伤量化指标,对砖箍窑洞进行了三维地震波作用下考虑不同矢跨比、中窑腿高宽比、覆土厚度、中腿开孔和边腿形式影响下的损伤分析,得到砖箍窑洞合理的几何参数。最后提出针对独立式砖箍窑洞的设计建议:独立式砖箍窑洞设计矢跨比为5/12及以上,中腿高宽比为2.43及以下,上部覆土厚度为1.0m左右,中腿开孔率不宜超过35%,边腿为实心更有利于结构抗震。
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