本文選題：生土窯居可靠度　切入點：響應(yīng)面　出處：《鄭州大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：生土窯居是指在原始土中經(jīng)人工挖鑿而形成的穴居居住形式,迄今已有幾千年的歷史。生土窯居取之自然融于自然,充分利用地下熱能和覆土的儲熱能力,“冬暖夏涼”,具有保溫、隔熱、儲能、調(diào)節(jié)洞室小氣候的功能,最符合生態(tài)原則,是天然的節(jié)能建筑。生土窯居完全由挖鑿成型的純原狀土拱作為窯居的自支撐體系,沒有任何支護(hù)；構(gòu)筑和建造都沒有經(jīng)過設(shè)計,缺乏科學(xué)計算,其建造技術(shù)大多依賴當(dāng)?shù)馗G匠經(jīng)驗并以口傳心授方式流傳和演進(jìn),很少見于文字；但卻能夠居住百年甚至數(shù)百年而不坍塌。這種“低成本、低能耗、低污染、長壽命”的生態(tài)建筑目前已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣。其中所蘊含的生態(tài)學(xué)思想、寶貴的建筑經(jīng)驗、特定的文化傳統(tǒng)、巧妙的力學(xué)原理和構(gòu)筑技術(shù)是祖輩留給后人的智慧和財富,具有長久的保存和傳承價值。研究生土窯居的可靠度是充分挖掘傳統(tǒng)生土窯居存在合理性、科學(xué)性的重要途徑；研究成果將為該類居住結(jié)構(gòu)的安全性評價和現(xiàn)代化改造提供依據(jù),為在役窯居的加固維修提供技術(shù)支持。現(xiàn)有的可靠度分析方法多種多樣,有一次二階矩法、二次二階矩法、蒙特卡羅法和響應(yīng)面法等,當(dāng)功能函數(shù)為隱式或未知時,僅蒙特卡羅法和響應(yīng)面法可用。目前沒有相關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對生土窯居的極限狀態(tài)進(jìn)行規(guī)定,所以其功能函數(shù)是未知的,只能使用蒙特卡羅法或響應(yīng)面法；如采用蒙特卡羅法進(jìn)行可靠度求解,意味著建立數(shù)以千萬計的有限元模型,無法實現(xiàn)；所以,響應(yīng)面方法是分析生土窯居可靠度的唯一可行方法。構(gòu)建適合于生土窯居的響應(yīng)面并實現(xiàn)可靠度分析的過程如下：①結(jié)合尖點突變模型和有限元強度折減法,確定生土窯居的承載能力極限狀態(tài),用“五步法”建立合理的有限元模型,用位移或塑性耗散能尖點突變模型求得抗剪強度安全儲備度；②確定響應(yīng)面的“輸入”和“輸出”,“輸入”為隨機變量,“輸出”為抗剪強度安全儲備度減去基準(zhǔn)安全系數(shù)；③響應(yīng)面形式的選擇：對比二次多項式響應(yīng)面和RBF響應(yīng)面所得的生土窯居可靠度結(jié)果,二者所得結(jié)果接近且在誤差范圍內(nèi),均正確,但二次多項式響應(yīng)面還能得到各隨機變量的靈敏度因子,可以推廣至廣義隨機空間處理隨機變量相關(guān)的可靠度問題,所以選用二次多項式響應(yīng)面；④針對河南陜縣所有的生土窯居、某一典型生土窯居選取不同的隨機變量組合,隨機變量的選取可參考本文提出的“標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)間梯度法”,然后使用二次多項式響應(yīng)面法,重復(fù)第一步、第二步,直至響應(yīng)面法收斂,可求得可靠度。在可靠度的求解過程中,將變f序列響應(yīng)面法改進(jìn)為變^序列響應(yīng)面法：即fij的取值不但在各輪有限元計算中不同,在同一輪計算中對不同的隨機變量也可以不同,保證相關(guān)的參數(shù)為正值；⑤考慮參數(shù)相關(guān)性時,把二次多項式響應(yīng)面法推廣至廣義隨機空間進(jìn)行求解；考慮材料參數(shù)的模糊性時,用a截集把模糊隨機問題轉(zhuǎn)化為區(qū)間上的隨機問題；考慮失效準(zhǔn)則的模糊性時,建立適合于窯居的模糊失效準(zhǔn)則,引入隸屬函數(shù)把模糊隨機問題轉(zhuǎn)化為隨機問題。此外,本文還探討了強降雨和地震對生土窯居可靠度的影響。通過對生土窯居的可靠度分析(以河南陜縣為例),得到了以下結(jié)論：①生土窯居普遍具有較高的可靠度,民間營造時雖沒有經(jīng)科學(xué)計算,但窯居的幾何尺寸選擇合理：幾何參數(shù)中的窯跨和窯腿寬度是正相關(guān)的,即窯跨增大,窯腿寬度也相應(yīng)增大,保證安全性不降低,驗證了傳統(tǒng)的生土窯居營造經(jīng)驗的合理性；窯跨的離散性很小,既滿足了安全性,又保證了足夠的生活空間。②本文提出的“標(biāo)準(zhǔn)差區(qū)間梯度法”可在可靠度分析前確定哪些隨機變量對可靠指標(biāo)影響較大,且所得結(jié)果與可靠度分析之后的靈敏度因子排序一致,驗證了本方法的正確性,該方法可為新建或加固改造生土窯居提供一定參考。因為黃土的粘聚力和窯腿寬度是關(guān)鍵隨機變量,窯頂?shù)呢Q向位移最大,所以對于新建生土窯居,要選擇黃土粘聚力高的地方興建,還要保證窯腿寬度足夠大；對于生土窯居的加固改造,要對窯頂做支撐,減少窯腿的受力并加固窯腿。③對某一地區(qū)的生土窯居進(jìn)行整體可靠度評價時,可根據(jù)實際情況選擇是否考慮窯跨和窯腿寬度的正相關(guān)性,不考慮該相關(guān)性是保守的；由于粘聚力和內(nèi)摩擦角的負(fù)相關(guān)性具體數(shù)值難以通過試驗得到,考慮該相關(guān)性時可靠指標(biāo)增大,所以不考慮該相關(guān)性,把其作為安全儲備；間接考慮模糊因素的影響,可靠度分析時把基準(zhǔn)安全系數(shù)取為1.1而不是考慮模糊因素時所用的1.0,相較考慮模糊因素造成的可靠指標(biāo)下降,所得結(jié)果是保守的。④強降雨或地震后,生土窯居仍可正常使用。強降雨后,僅地表較淺范圍內(nèi)的黃土飽和度較大,生土窯居的位移、應(yīng)力增加都很小。幾何參數(shù)、材料參數(shù)均取平均值的生土窯居,不管是多遇地震還是罕遇地震的情況下,均不會出現(xiàn)塑性區(qū),說明在經(jīng)過地震后,各參數(shù)在平均值之上的生土窯居,均可正常使用；地震情況下,窯腿仍是決定生土窯居穩(wěn)定性的關(guān)鍵部位,不管是多遇地震還是罕遇地震,破壞都是窯腿的塑性區(qū)不斷發(fā)展的結(jié)果。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TU241.5;TU311.2
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本文編號：1624293