煤礦采空區(qū)地基上建筑結(jié)構(gòu)的分析與計算方法

摘 要：對于煤礦采空區(qū)地基上建筑結(jié)構(gòu)，利用大型有限元程序分析軟件ANSYS對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)地基；建筑結(jié)構(gòu)；分析與計算

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.035

1 前言

1996年，陶陽煤礦在其原有的礦區(qū)宿舍西邊征得108畝采煤塌陷地，在前期調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，建設(shè)了職工小區(qū)，小區(qū)每棟住宅均有三個單元組成，平面長度均為36.6米，寬為11.7米。地下室層高2.2米，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.9米，樓房頂標(biāo)高+15.250。住宅墻體材料為MU10機(jī)制磚，M5.0混合砂漿，砼為C20。利用大型有限元程序分析軟件ANSYS對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

2 整體結(jié)構(gòu)ANSYS計算分析

（1）幾何參數(shù)：混凝土筏板厚度400mm，地基梁400mm×1000mm，圈梁240mm×300mm，預(yù)制樓板厚度130mm，磚墻厚240mm。底層層高2.2m，其余五層層高均為2.9m。

（2）材料參數(shù)：普通粘土磚強(qiáng)度等級MU10，混合砂漿強(qiáng)度等級M5.0，砌體抗壓強(qiáng)度設(shè)計值1.5MPa，砌體彈性模量為2400 MPa。砌體抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為1.5 MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計值為0.11 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為0.13 MPa。

（3）荷載參數(shù)：混凝土容重取25kN/m3，砌體容重取21.8 kN/m3。住宅樓樓面活荷載取2.0 kN/m2。

（4）計算結(jié)果。

1）在恒載和活載共同作用下結(jié)構(gòu)分析：本有限元模擬分析中，用彈簧模擬地基對筏板的支撐作用。地基和筏板間只受壓、不受拉力作用。荷載組合只考慮恒荷載和活荷載作用，分項系數(shù)分別為1.2和1.4。在自重作用下，結(jié)構(gòu)最大豎向變形2.1mm，出現(xiàn)在陽臺板位置。建筑結(jié)構(gòu)整體下沉量約為12mm。墻體中σx最大值為0.15MPa，σy最大值為0.17MPa，σz最大值為5.4MPa。Τxy墻體中最大值0.56MPa，樓板中為3.88 MPa。τyz墻體中應(yīng)力值0.11 MPa。τxz墻體中剪應(yīng)力最大值為0.43MPa。

2） 建筑端部400mm沉降作用下：根據(jù)實(shí)測，長度為36.6m住宅樓長方向兩端最大沉降差約為400mm，在墻體中會產(chǎn)生附加應(yīng)力。由于筏板的整體作用以及沉降的連續(xù)變化，則有利于減小上部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。本有限元模擬分析中，用彈簧模擬地基對筏板的支撐作用，筏板一端固定，另一端施加-400mm位移作用。結(jié)構(gòu)-筏板-彈簧模型及應(yīng)力分布計算結(jié)果：

房屋底部一端下沉400mm，頂層側(cè)移169mm，沿長方向傾斜1.01%。σx筏板基礎(chǔ)中壓應(yīng)力1.4 MPa，拉應(yīng)力0.4 MPa，局部應(yīng)力集中部位壓應(yīng)力8.87MPa。頂部樓板拉應(yīng)力為0.4MPa，壓應(yīng)力1.4 MPa。墻體中壓應(yīng)力1.4 MPa。σy筏板中壓應(yīng)力為0.9 MPa，局部應(yīng)力集中部位應(yīng)力為2.7MPa，出現(xiàn)在筏板下沉400mm端部。頂層樓板和墻體中壓應(yīng)力為0.9 MPa。σz筏板中壓應(yīng)力0.28 MPa。頂部樓板拉應(yīng)力為0.05MPa。墻體中壓應(yīng)力0.28MPa，局部為0.6～0.9MPa。τxy筏板基礎(chǔ)應(yīng)力0.14～0.39MPa。頂部樓板和墻體中應(yīng)力0.39 MPa。τyz墻體和樓板中應(yīng)力0.04 MPa，筏板應(yīng)力最大值為0.43 MPa。τxz在筏板中最大應(yīng)力為0.72MPa，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。墻體中剪力為0.05MPa，局部0.2～0.7MPa。

3）條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析：設(shè)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式為墻下條形基礎(chǔ)，地基為砂墊層。在自重作用下，結(jié)構(gòu)豎向變形豎向沉降量約為28mm。端部施加400mm豎向位移荷載，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。

4）計算結(jié)果：σx頂部樓板拉應(yīng)力為1.03MPa，局部2.94 MPa。墻體中0.87 MPa。σy頂部樓板拉、壓應(yīng)力為0.5MPa。墻體中0.5 MPa。σz墻體中應(yīng)力0.6～0.9 MPa，局部1.2～1.5 MPa。樓板中拉應(yīng)力為0.09 MPa。τxy墻體中應(yīng)力0.04 MPa。頂層樓板應(yīng)力0.2～0.4MPa。τyz墻體和樓板中拉應(yīng)力0.46 MPa，最大壓應(yīng)力0.42 MPa。τxz在墻體中剪力值為0.13MPa，局部0.3～0.8 MPa，最大拉、壓應(yīng)力分別為0.7、0.8 MPa。

（5）計算結(jié)果分析。通過36.6m長筏板基礎(chǔ)形式、36.6m長條形基礎(chǔ)形式和48.8m長筏板基礎(chǔ)形式的結(jié)構(gòu)對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：① 自重作用下，筏板基礎(chǔ)形式結(jié)構(gòu)沉降量約為12mm，條形基礎(chǔ)形式結(jié)構(gòu)約為28mm；② 結(jié)構(gòu)端部地基出現(xiàn)400mm沉陷時，建筑沿長度方向傾斜約1.0%；③ 通過筏板基礎(chǔ)、圈梁及構(gòu)造柱的整體作用，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布明顯小于條形基礎(chǔ)形式的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，基本符合規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度要求，且應(yīng)力分布均勻，改善了應(yīng)力集中現(xiàn)象；④ 條形基礎(chǔ)形式建筑地基壓縮量較大，約為筏板基礎(chǔ)的2.4倍，且整體性較差，樓板及墻體中應(yīng)力較大，且存在明顯的應(yīng)力集中部位，易造成局部開裂現(xiàn)象；⑤ 當(dāng)建筑物長度加大到四個單元（長48.8m），對比分析發(fā)現(xiàn)，相同基礎(chǔ)形式下，長度增加，筏板應(yīng)力和墻體應(yīng)力均有所增大，且由于沉降不均勻?qū)е陆Y(jié)構(gòu)內(nèi)力分布不均勻，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 結(jié)論及建議

（1） 住宅樓通過400厚筏板及圈梁、構(gòu)造柱等構(gòu)造措施，顯著加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性，能夠承受已出現(xiàn)的地基沉降作用，有限元分析結(jié)果表明應(yīng)力分布基本滿足規(guī)范要求。

（2）單體住宅樓平面面積36.6m×13.32m結(jié)構(gòu)內(nèi)力符合規(guī)范要求，增加平面尺寸會增加結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)力集中現(xiàn)象，地基不均勻沉降導(dǎo)致的附加應(yīng)力顯著增加。實(shí)際結(jié)構(gòu)由于不均勻沉降局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但由于結(jié)構(gòu)材料的彈塑性性能，應(yīng)力集中現(xiàn)象會有所改善。

（3）目前建筑物完好，沒有發(fā)現(xiàn)開裂等現(xiàn)象，但由于地基沉降持續(xù)時間較長，處于不斷發(fā)展和趨于穩(wěn)定過程中，因此建議進(jìn)行沉陷跟蹤觀測，并定期對建筑物開裂、傾斜等進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

作者簡介：李文棵（1980-），男，山東肥城人，助理工程師，主要從事：土木工程技術(shù)研究工作。endprint