山区乡村建筑洪水冲击破坏数值模拟研究

论文摘要

洪水灾害,自古以来就是对世界各民族生存和发展构成极大威胁的灾害,是各族人民的心腹大患。据统计,在全球的各种灾害中,无论从造成的经济损失,还是从造成的人员伤亡数量上来看,洪水均居世界首位,占各种灾害损失的40%。中国是一个发展中的大国,复杂的地理气候特征和社会经济条件,决定着洪水灾害成为对中华民族的繁荣和发展影响最为严重的自然灾害,我国有105.95km2土地和11.2%的人口遭受着洪水的威胁。在各种洪水灾害中,山洪灾害造成的损失又是最为严重的。山洪的冲击作用相当猛烈,不仅能在短时间内冲倒房屋、毁坏交通设施,甚至能改变地形地貌。随着经济的发展和人们安全意识的增强,人们对于房屋的安全性要求也越来越高,所以,对于洪水冲击荷载特征和洪水作用下乡村建筑破坏情况和破坏过程的研究成为一项重要的研究工作,同时,根据破坏情况提出一些防洪加固措施成为一项刻不容缓的任务。本文首先对洪水冲击荷载特征做了一定篇幅的研究。通过王晓庆的洪水冲击荷载计算公式计算出试验工况下的冲击荷载,并通过实验进行验证。然后利用这一公式对某些特定工况的洪水进行计算,并将计算结果列表,方便后续的查找与应用。由于王晓庆的洪水冲击荷载计算公式过于繁琐,不利于公式的推广和应用。而列表结果存在一定程度的局限,不可能将所有情况均列于表中。于是,文章中总结出两种冲击荷载计算方法,方法一：根据上游水深、坡度和距溃口的距离计算冲击荷载：方法二：根据模型处水深与流速计算冲击荷载。最后,指出根据实验结果计算出模型上冲击荷载的方法。在对冲击荷载做了一定篇幅研究的基础上,本文通过编制有限元程序来完成村镇建筑洪水冲击破坏数值分析。根据程序结果分析了村镇建筑在洪水冲击作用下的应力分布情况、变形情况、破坏情况和破坏过程。在进行破坏分析的过程中,进行了不同工况模型破坏情况的比较分析：1、在洪水水头相同情况下,距溃口不同距离处模型破坏情况比较分析；2、在不同洪水水头情况下,据溃口相同距离处模型破坏情况比较分析。根据村镇建筑的破坏情况和破坏特点,文章提出了两种防洪构造措施：第一种措施是通过增强砂浆与砖的粘接强度来降低洪水冲击作用下房屋的局部破坏情况；第二种措施是通过易垮构造来降低洪水对结构的冲击作用,防止房屋的整体性破坏。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 山区乡村洪水灾害
• 1.2.1 山洪的形成
• 1.2.2 山洪的分布
• 1.2.3 山洪灾害的特点
• 1.3 乡村建筑结构形式
• 1.4 国内外的研究情况
• 1.4.1 频率分析推求设计洪水方面的研究
• 1.4.2 山洪灾害方面的研究
• 1.4.3 波浪冲击方面的研究
• 1.5 论文开展的意义
• 2 洪水冲击荷载特征
• 2.1 冲击荷载理论研究
• 2.2 冲击荷载实验验证
• 2.2.1 理论与实验值比较
• 2.2.2 山洪冲击荷载表
• 2.3 冲击荷载与上游水深、坡度和距溃口距离的关系
• 2.3.1 冲击荷载沿程变化图
• 2.3.2 冲击荷载的线性拟合
• 2.3.3 拟合值与理论值比较
• 2.3.4 拟合值与实验值比较
• 2.4 冲击荷载与水深、流速的关系
• 2.4.1 冲击荷载-水深变化图
• 2.4.2 冲击荷载-流速变化图
• 2.4.3 冲击荷载的非线性拟合
• 2.4.4 冲击荷载表
• 2.4.5 荷载分布规律
• 2.5 冲击荷载的实验计算方法
• 2.5.1 重力相似准则
• 2.6 本章小结
• 3 村镇建筑洪水冲击破坏数值分析
• 3.1 有限元程序设计
• 3.1.1 砖砌块单元
• 3.1.2 砂浆单元
• 3.1.3 刚度矩阵的存储
• 3.1.4 约束的处理
• 3.1.5 方程的求解
• 3.1.6 应力的求解
• 3.2 结构概况
• 3.2.1 模型介绍
• 3.2.2 材料属性
• 3.3 分析方法
• 3.3.1 增量法的应用
• 3.3.2 生死单元的应用
• 3.3.3 ANSYS后处理技术
• 3.4 砖砌体结构数值分析
• 3.4.1 应力分布情况
• 3.4.2 变形情况
• 3.4.3 破坏过程
• 3.5 不同工况模型破坏情况比较分析
• 3.6 本章小结
• 4 村镇建筑防洪措施与数值分析
• 4.1 加强模型的数值分析
• 4.1.1 应力分布情况
• 4.1.2 变形情况
• 4.1.3 破坏过程
• 4.2 原模型与加强模型比较分析
• 4.2.1 应力分布比较
• 4.2.2 变形情况比较
• 4.2.3 破坏情况比较
• 4.3 框架结构与砖砌体结构比较分析
• 4.3.1 模型介绍
• 4.3.2 应力情况比较分析
• 4.3.3 变形情况比较分析
• 4.3.4 破坏情况比较分析
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.1.1 冲击荷载方面结论
• 5.1.2 数值分析方面结论
• 5.1.3 防洪构造措施方面结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文及科研情况
• 致谢