波流耦合荷载作用下村镇建筑破坏机理研究

肖诗云，程若桐

(大连理工大学 建设工程学部， 辽宁 大连 116024)

波流耦合荷载作用下村镇建筑破坏机理研究

肖诗云，程若桐

(大连理工大学 建设工程学部， 辽宁 大连 116024)

基于洪涝灾害下村镇建筑结构破坏机理研究及水深、流速等对建筑结构影响研究较少，对波流耦合荷载作用下村镇建筑破坏机理和影响因素进行研究，为蓄滞洪区村镇建筑的结构设计和防洪抗洪措施提供依据。利用ANSYS建立砌体结构分离式模型，分析5种水深、5种流速和3种波高共75种荷载工况下，砌体结构在动水压力、静压力和波浪力的共同作用下的破坏过程、应力和变形情况，并研究水深、流速、波高对其破坏和变形的影响。数值模拟结果表明:结构的破坏位置主要集中在窗口上侧以及门窗之间的墙体，破坏最先发生在窗口上侧，其次是门窗之间墙体，且随着荷载的增大破坏程度愈加明显；结构位移随水深增加呈显著非线性增长，随流速增大呈不显著非线性增长，随波高增长位移变化最小。

波流荷载；村镇建筑；破坏机理；流速；波高

我国是一个自然灾害较为严重的国家，灾害种类、强度、频率均居世界首位，而在所有自然灾害中，暴雨引起的洪涝灾害带来的经济损失最大，每年因洪水灾害造成的经济损失占各种自然灾害总损失的40%左右，洪水造成的破坏形式主要有：冲塌房屋、毁坏农作物、剥蚀耕地、冲毁基础设施等[1-2]。由于洪灾大多发生在山区、农村或小城镇，而这些地区建筑结构相对简单，大多以砌体结构为主，抵抗洪水能力有限，因此，因洪水造成的房屋倒塌不计其数。从2001年—2014年，因洪涝灾害倒塌破坏的房屋累计达到1401.57万间，造成的经济损失不可估量。鉴于洪水对村镇建筑破坏的严重性[3]，有必要研究洪水作用在建筑结构上的荷载大小和分布，并分析洪水对建筑结构的破坏机理和形式，为进一步提出可靠的村镇建筑防洪、抗洪措施打下基础。

目前，洪水荷载方面的研究还很缺乏，主要集中在波浪荷载和水流荷载共同作用方面。在波浪冲击力的理论研究方面，森弗罗[4]基于有限水深椭圆余摆波浪理论于1928年提出立波波压力强度的计算公式；Lara J L[5]根据大量的模型试验以及对原体防护堤的检验提出了一个既可以计算立波又可计算破波作用力的新公式；Nagai S[6]根据大量的水槽模型资料得出的计算立波波峰作用里的计算公式；Tabet-Aoul E H等[7]对开孔沉箱结构上波浪力进行研究并给出新的波浪力计算公式；林凤习等[8]通过无反射数值波浪水槽研究了周期波浪对浪溅区结构物的冲击作用；任冰等[9]进行了不规则波对浪溅区结构物冲击实验，并对实验结果进行分析研究；我国的《蓄滞洪区建筑工程技术规范》[10](GB50773-2012)给出了作用于开洞墙面上的波浪荷载分布。在水流荷载研究方面，《港口工程荷载规范》[11](JTS 144-01-2010)和《公路桥涵通用规范》[12](JTGD 60-2015)已有相对成熟的计算公式，葛学礼等[13]根据山区乡村房屋模型水流作用试验给出水流荷载计算公式。

国内外基于洪涝灾害下建筑结构在荷载作用下的破坏机理研究及水深、流速等对建筑结构影响的研究较少。本文基于大型有限元软件ANSYS建立砌体模型，对波流耦合荷载作用下村镇建筑结构的破坏机理和破坏形式进行研究，并分析了水深、流速、波高三种因素对建筑结构破坏性能的影响，为进一步提出可靠的村镇建筑防洪抗洪措施和蓄滞洪区村镇建筑结构设计提供依据。

1 数理模型

1.1 几何模型

蓄滞洪区及村镇建筑结构常见形式主要有砌体结构、木结构、砖木混合结构、混凝土结构等，其中砌体结构较为常用，因此，本文以砌体结构为例，研究村镇建筑结构洪水破坏机理。设计一个典型的双开间砌体结构村镇建筑，建筑高3.3 m、长7.8 m、宽4.8 m，两个房间开间分别为4.2 m和3.6 m，进深为4.8 m；迎流面左窗宽1.8 m、高1.5 m，右窗宽1.2 m、高1.5 m，房屋背面左侧窗宽1.8 m、高1.5 m，右窗宽1.8 m、高1.5 m，门宽0.96 m、高2.7 m，内墙和外墙均为240 mm厚，砌块尺寸为240 mm×115 mm×53 mm。迎流面墙的面积为26.532 m2，开洞面积为7.092 m2，净面积为19.44 m2，墙面开洞率为26.73%。

1.2 计算模型

本文砌体结构中砌块等级取为MU10，砂浆等级取为M5。根据《砌体结构设计规范》[14](GB50003-2011)，砌块的抗压强度为16 MPa，弹性模量为13 000 MPa，泊松比为0.15，密度为1.7×103kg/m3，砌体之间摩擦系数为0.7。砂浆的抗压强度为1.3 MPa，弹性模量为2 800 MPa，水平粘附强度为0.17 MPa，抗剪强度为1.3 MPa。因砌缝的开裂和滑移是砌体结构中最常见的破坏方式，数值计算时建立分离式模型，利用ANSYS中的接触单元来模拟砂浆。采用零厚度刚性—柔性的面面接触单元，刚性面为目标面用Target 170来模拟目标面，柔性体的表面为接触面，用Contact 173来模拟，两者组成接触对。砌块定义成正交各异性材料，采用节点数为8的Solid 45实体单元模拟，计算模型共有46 899个砂浆单元，23 708个砖单元如图1所示。

图1 有限元模型

因砌体结构的非线性和各项异性，对其本构关系及破坏准则的研究尚不多见，国内外已开展的研究大多限于基于试验结果的平面受力砌体破坏准则研究，仍没有一个被广泛认可的砌体应力应变关系及其破坏准则[15-17]。从应力和位移定义结构的破坏准则：从应力方面，当砖的主应力超过16 MPa，此砖单元失效，当砂浆单元的抗剪强度超过0.19 MPa时，砂浆单元失效；从稳定性方面考虑，当砌体单元的位移超过0.04 m，可认为砌体单元位移过大而失稳，从墙面滑落，单元失效被“杀死”，继续施加荷载直至没有单元失效。

2 荷载分析

2.1 水流荷载

水流荷载是行洪区村镇建筑表面的主要作用荷载，影响水流作用力的因素有：洪水流速(通常以平均流速v代替)、水深d、洪水密度、流体的动力黏滞系数μ、砌体宽度和高度、顺水流方向上的长度，以及建筑迎流面的法线方向与洪水流动方向的夹角等。关于水流力，《港口工程荷载规范》[11](JTS144-1-2010)和《公路桥涵通用规范》[12](JTG D60-2015)中都给出了相应的计算公式，如下所示：

(1)

其中：Fw为水流力标准值；Kw为水流阻力影响系数；v为水流设计速度；ρ为水的密度；A为墙面的毛面积。

相关试验研究[13]也得到了水流力的拟合公式，这些公式形式基本相同，不同之处体现在水流阻力系数的选取上。本文根据试验结果，并参考《港口规程荷载规范》[11](JTS144-1-2010)，拟合了水流阻力综合影响系数和房屋开洞率之间的关系，得出了如下所示的计算公式：

Kw=2.32(1-η)

(2)

其中：Kw为水流阻力综合影响系数；η为墙面开洞率。

2.2 波浪荷载

《蓄滞洪区建筑工程设计规范》[18](GB50181-93)中给出了波浪荷载的计算公式，作用于结构迎流面上的波浪荷载可分为静水位以上波浪荷载分布qz0和静水位以下波浪荷载分布qzb，计算公式分别为：

qz0=k2γ[k1H-(z-d)]

(d≤z≤k1H+d)

(3)

(4)

(0≤z≤d)

其中：k1为波浪压强系数；k2为与结构迎浪面相对尺度与波长之比有关；γ为水的重度；H为波高；d为水深。

蓄滞洪区的波浪主要是在风的作用下引起的，因此计算风浪要素时要把风区长度和计算风速作为主要影响因素进行考虑。蒲田试验站公式既能适用于深水波又能适用于浅水波，王章立等[19]在规范公式基础上，对风浪要素计算公式进行修证。得出水深大于3.0m和小于3.0m情况下，蓄滞洪区分洪受淹后的风浪要素计算公式分别为：

当d>3.0 m，D=12 km时

(5)

当d≤3.0 m，D=3 km时

(6)

其中：Hm为平均波高；D为风区长度；Vw为计算风速；d0为计算水深；g为重力加速度。

2.3 耦合荷载

将洪水期间村镇尺度的河段视为明渠均匀流，明渠均匀流的坡度取0.001到0.005之间。由现场调查[20]显示河床粗糙系数取为0.03。蓄滞洪区淹没深度较浅，大多在1.0m～3.0m水深，但淹没范围较宽，大多在几百米范围，因此河流截面面积A可近似按矩形计算[21]。洪水时河面宽取500 m，水深取3.0 m，坡度范围0.001到0.005，由谢才公式得到洪水主流区流速范围为2.18 m/s～4.88 m/s。蓄滞洪区地势较为平坦，淹没深度较浅，水深取为1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m，根据风压和风区长度波高取0.35 m、0.40 m、0.45 m。本文不考虑水流和波浪之间的相互作用，同时不考虑水对砌体的浮力作用，将水流荷载、波浪荷载和静水荷载共同作用在建筑结构迎浪面上，水流荷载为面荷载均匀分布在迎流面上，波浪荷载取波周期内荷载峰值作用在迎流面上。

以水深为3.0 m、流速为4.88 m/s、波高为 0.45 m为例，波流耦合荷载分布如图2所示。荷载被分成20步施加在结构上，每一步荷载为2.47 kPa,在计算过程中单元位移和应力达到破坏准则时失效。如果单元失效，将会在下一步计算之前被“杀死”，失效单元在结构中的刚度近乎为零，整个结构将以新的刚度进行计算并重复上述步骤，直到结构没有新的单元被“杀死”。

图2 砌体结构迎流面荷载分布(单位：Pa)

3 计算结果分析

3.1 破坏过程分析

以水深为3.0 m、流速为4.88 m/s、波高为 0.45 m为例，分析波流耦合荷载(见图2)作用下结构的破坏过程，过程如表1所示。图3给出了第10、13、18和20荷载步时结构的破坏情况。开始施加荷载砖单元和砂浆单元未发生失效，荷载步为3时第1个砂浆单元发生失效，失效单元位于迎流面左侧窗口上侧；随着荷载的增加砂浆单元失效个数增加，当荷载步为10时，窗口上侧有45个砖单元位移超过0.04 m(见图3(a))失效，砂浆单元失效数达到175个；当荷载步为13时，门窗之间的墙体开始发生破坏(见图3(b))，此时失效砂浆单元数量显著增加，在第18荷载步(见图3(c))和第20荷载步(见图3(d))时，分别有544和636个砖块位移过大而失效。在荷载施加的过程中，迎流面左侧窗口的上侧墙首先发生破坏，其次是右侧门窗之间的墙体发生破坏，直至迎流面墙完全破坏。随着荷载增加，砌体结构失效单元数量增加，结构刚度变小，结构破坏程度越加严重，最终失效的砖砌块数量为636个，失效的砂浆单元数量为2 389个，结构迎流面在该荷载组合下发生了严重破坏。

表1 结构的破坏过程

图3 结构的破坏过程

3.2 应力分析

结构的第一主应力和第三主应力应力云图分别如图4和图5所示。砖单元的最大应力主要分布在纵墙和横墙的交界处，因截面突变引起刚度的变化使窗口拐角处应力较大，应力为2.3 MPa，未超过砖单元的限值。接触单元应力较大主要集中在窗口上侧及门窗之间的墙体， 第10荷载步窗口上侧的砂浆单元应力超过1.3 MPa发生失效。应力随着荷载的增大而增大，且砂浆单元失效数增加，砖单元位移超过0.04 m而失效，当荷载完全施加，迎流面窗口上侧和门窗之间的墙体完全破坏。灰缝为整个结构的薄弱环节，在荷载施加过程中，迎流面上的接触单元所受剪力和压力作用增大，当超过砂浆单元的抗剪承载力或超过砂浆单元的抗压强度时，砂浆单元失效。工程施工过程中，考虑使用强度较高的砂浆和砌块，从而提高建筑结构的安全性；提高结构砌筑质量从而降低因灰缝不饱满带来的危害。

图4 第一主应力云图

图5 第三主应力云图

3.3 变形分析

图6给出了砌体结构在第10和20荷载步时的位移云图。根据位移云图可知，在第10荷载步结构的最大位移发生在迎流面窗口上侧部位，部分单元位移超过0.04 m而失效，结构发生破坏,其次是门窗之间的墙体，窗和门两侧的墙体变形也较大；在第20荷载步窗口上侧的墙体以及门窗之间的墙体发生破坏，门口上侧的墙体由于过梁仍起一定的作用没有完全破坏，但整个迎流面墙完全破坏，砌体结构失去使用性。

图6 位移云图

根据破坏过程和应力变形分析，在水深为3.0 m、流速为4.88 m/s、波高为0.45 m情况下，砌体结构最易破坏位置为迎流面窗口上侧及门窗之间的墙体。选取位于左侧窗口上侧墙体的A点，位于门窗之间墙体的B点。逐步施加荷载，得出各荷载步时A点和B点的位移变化趋势，如图7所示，A点在荷载24.7 kPa的情况下砖单元开始失效，B点在荷载为32.11 kPa的情况下砖单元开始失效。随着荷载的增大，位移呈非线性增长，直到单元位移超过限值0.04 m失效，从而结构发生破坏。由A点和B点的位移变化知结构最先破坏位置为左侧窗口上侧，其次是门窗之间的墙体。原因窗口较大时，其周围约束少，刚度较小，部分单元产生较大位移导致窗口上侧墙体发生破坏。门窗之间的墙体因为所受约束小，并且自身刚度较小，因而容易破坏。

图7 砌体结构A和B点位移

4 影响因素分析

4.1 水深变化影响

流速和波高一定，给出5种不同水深分析结构单元失效数和破坏状况如表2所示，水深小于等于2 m时，结构失效单元数为0，结构未发生破坏；当水深为2.5 m、流速为4.88 m/s、波高为0.45 m时，砖单元失效数为61，砂浆单元失效数为230，砖单元从结构上滑落，结构发生破坏。破坏位置首先发生在迎流面窗口上侧。在2.5 m水深一定时，流速小于4.88 m/s，结构不发生破坏；当水深为3.0 m时，结构随着流速的增大，单元失效数增加，砖单元从结构上滑落，结构破坏程度越加严重。

当水深较小时，结构未发生破坏，表2不足以反映水深变化对结构的影响。为了方便研究波流耦合荷载对结构变形的影响，不考虑单元失效和结构破坏，当流速和波高一定，分析砌体结构最大位移随着水深的变化规律如图8所示。

表2 不同水深波高为0.45 m 时单元失效个数

图8 位移随水深的变化规律

随着水深增加荷载增大，砌体结构的最大位移呈明显非线性增加如图8(a)、图8(b)、图8(c)所示，且不同水深下结构最大位移发生的位置不同。流速为4.88 m/s、波高为0.45 m情况下，水深为1 m时，砌体结构迎流面窗台处的水平位移最大为0.016 m；水深为1.5 m时，结构的最大位移发生在窗户、门两侧和窗台处为0.0244 m；水深为2 m时最大位移为0.0260 m；水深为2.5 m和3.0 m时，结构的位移非线性增长明显,最大位移的位置集中在窗口上侧和门窗之间的墙体，分别为0.0404 m和0.0822 m。由表2和图8知水深2.5 m、流速4.88 m/s、波高0.45 m组合下的波流荷载为临界值，增大任意一个变量，结构在荷载作用下发生破坏。

4.2 流速变化影响

水深和波高一定，随着流速增大结构单元失效数见表3，当水深小于2.5 m，流速在2.18 m/s～4.88 m/s之间变化，砖单元和砂浆单元未发生失效，结构未发生破坏。当水深为2.5 m时，流速超过4.88 m/s结构发生破坏。在水深3 m情况下，结构失效单元数随流速增大明显增加，流速较小时，波流耦合荷载对结构作用较小，结构不发生破坏，当流速大于3.08 m/s时，结构开始发生破坏。

表3不足以反映建筑结构的影响，为了进一步分析结构变形与流速的关系，不考虑结构破坏。给出水深和波高一定时，结构的最大位移随流速变化规律如图9所示。

表3 不同流速下单元破坏个数

随着水流速度的不断增大，迎流面沿水流方向的位移逐渐增大，且位移增长呈不显著非线性。由图9知在水深1 m～2 m下，随流速的增大，结构位移变化近似线性，且增长不明显。水深取2.5 m～3.0 m之间某一值时，结构位移随流速增大呈明显非线性增加。水深在1.5 m和水深2.0 m情况下，结构位移随流速的变化趋势相同，且相差很小，主要原因是荷载作用面的开洞率从0.194～0.269，由公式(2)知水流阻力系数变小，从而相同流速下水流荷载值减小，总荷载增长不大，结构位移相差不大。根据公式(2)和分析结果知村镇建筑墙面适当的开洞能提高结构的抗洪能力。

图9 位移随流速的变化规律

4.3 不同波高

在流速和水深一定情况下给出三种波高，根据图8、图9可知波高变化对砌体结构位移影响不大，本文对波高作用下结构的变形进行简单分析。

砌体结构位移随波高的变化呈线性增长，且增长不显著见图10。风浪受到蓄滞洪区水深、风区长度、风压和水深等因素限制，风浪波高在0.35 m～0.45 m之间波动。因波高不会有很显著的变化，风浪产生的波浪荷载相对动水压力和静压力较小，结构在风浪作用下产生不敏感响应。洪水受灾区因风浪引起的荷载对建筑结构位移的影响不明显。

图10 位移随波高的变化规律

5 结 语

本文针对村镇建筑结构在洪水荷载作用下的响应进行数值仿真模拟，得到了砌体结构的破坏过程、破坏位置和变形情况，以及结构对水深、流速和波高的敏感程度，主要结论如下：

(1) 水深对建筑结构的影响大于流速对结构的影响，水深的变化引起结构位移呈显著非线性增长，流速变化结构位移呈不显著的非线性增长，波浪荷载对建筑结构影响较小。水深为2.5 m时，流速超过4.88 m/s结构发生破坏；水深为3.0 m时,流速超过3.00 m/s，结构发生破坏。

(2) 水深为1.0 m、1.5 m时，砌体结构位移最大在窗台处，水深为2.0 m、2.5 m和3.0 m时结构最大位移分布在窗口上侧和门窗之间的墙体。

(3) 迎流面开洞大小影响 的大小，进而影响荷载作用，由水深为1.5 m和2.0 m对比知结构位移变化不明显，本文拟合的公式(2)和分析结果知墙面适当开洞能提高结构的抗洪能力。

(4) 根据结构的应力云图可知砖单元最大应力主要集中在纵墙和横墙交界处，砂浆单元最大应力位于窗上侧和门窗之间的墙体，砂浆极易破坏导致砖块位移过大，从而结构破坏。

(5) 由模型上A点和B点的位移变化可知，随着荷载的逐渐增大，部分单元失效，从而结构的整体刚度变小，砖单元位移超过限值结构发生破坏。

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Failure Mechanism of Rural Buildings Due to Wave and Current Coupled Loading of Flood

XIAO Shiyun, CHENG Ruotong

(FacultyofInfrastructureEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian，Liaoning116024，China)

This paper focuses on the failure mechanism of rural building and the sensitivity of the building to provide basis for the design of the rural building. By using ANSYS we established a separation model of the masonry structure, 75 kinds of loads were considered with 5 kinds of water depth, velocity and 3 kinds of wave height to analyze the failure process of masonry structure,the strains and stresses under the interaction of hydrodynamic pressure, static pressure and wave force. The numerical results show that the damage of the structure are mainly concentrated on the upper wall between windows and the wall of doors and windows, the first failure occurred in the upper wall of windows, followed by the wall between the door and the window, and as the load increases the extent of damage is more obvious; the displacement of the structure had significant nonlinear growth with the increase of water depth, and had no significant nonlinearly growth with the increase of flow velocity, the minimum growth and the increase of wave height.

wave and current loads; rural constructions; failure mechanism; current velocity; wave height

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.001

2017-01-15

2017-02-15

国家自然科学基金创新研究群体项目(51421064)

肖诗云(1973—)，男，湖南澧县人，教授，博士生导师，主要从事混凝土材料与结构力学特性的研究。E-mail:shyxiao@dlut.edu.cn

TU375.6

A

1672—1144(2017)02—0001—08