采空殘余變形對(duì)建筑物主要構(gòu)件內(nèi)力的影響

□□ 邢鵬(太原華煤工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原030027)

摘要：采用大型有限元軟件ANSYS，對(duì)煤礦沉陷區(qū)擬建建筑物的主要構(gòu)件進(jìn)行了內(nèi)力分析，研究了在地表變形下1層主要構(gòu)件較無地表變形下內(nèi)力的相對(duì)變化值，得出在地表曲率變形較大的情況下，梁柱的內(nèi)力相對(duì)增加值較大，梁內(nèi)力增大幅度>100%，柱內(nèi)力增大幅度>500%。對(duì)-1層至3層中內(nèi)力變化較大的構(gòu)件進(jìn)行了分析，殘余變形影響最大的是地下1層和地上1層，其次是地上2層和3層。以期為山西采空區(qū)的充分利用提供一定的設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：殘余變形；內(nèi)力；有限元；構(gòu)件

文章編號(hào)：1009-9441(2015)02-0009-03

中圖分類號(hào)：TD 325

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Using large-scale finite element software ANSYS，the author analyzes the internal force of main components of proposed buildings in coal mining subsidence area.Under the ground surface deformation，1 layer main component without the values of relative change of the internal force under the surface deformation，it is concluded that under the condition of the surface curvature deformation，internal force of beam column adds value relatively large，beam internal force increases by more than 100% and column internal force increases by more than 500%.And 1-3 layer is analyzed，and the internal force changes in the larger member in the biggest impact of the residual deformation is 1 layer and ground floor underground，followed by the ground layer 2 and layer 3.The study provides for certain use reference for Shanxi Province goaf.

作者簡(jiǎn)介：邢鵬(1976-)，男，山西長治人，工程師，從事工程應(yīng)用方面工作。

收稿日期：2015-02-03

引言

煤礦沉陷區(qū)殘余變形引起建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力變化是復(fù)雜的發(fā)展變化的過程，采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)和土力學(xué)方法難以獲得殘余變形條件下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律，數(shù)值模擬方法是研究建筑物在殘余變形條件下結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形規(guī)律的有效途徑。本文以山西某小區(qū)地質(zhì)條件和采礦條件為背景，通過定性與定量相結(jié)合的技術(shù)途徑，研究建筑物下伏采空區(qū)殘余變形對(duì)建筑物本身結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的影響，通過數(shù)值模擬研究獲得了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在具體殘余變形影響條件下結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化與殘余變形的相互關(guān)系，為建筑物下伏采空區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的理論分析和具體建筑物設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1工程概況

山西某房地產(chǎn)開發(fā)有限公司擬在存有殘余沉降的煤礦沉陷區(qū)建設(shè)住宅樓。該工程擬建5棟6層住宅樓(閣樓+1層地下室)，物管社區(qū)服務(wù)(1層地下室)，1棟1～2層商業(yè)、3～4層辦公(層高5.7 m，1層地下室)及部分地下室，其中6層住宅樓擬采用框架結(jié)構(gòu)。由于建筑物建在存有殘余變形的沉陷區(qū)，與普通建筑物的受力不同，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮地表變形對(duì)建筑物構(gòu)件受力的影響，所以選取其中一棟6層的建筑物為研究對(duì)象進(jìn)行計(jì)算分析。

2模型建立與計(jì)算分析

2.1　模型的建立

擬建建筑物主體為混凝土框架結(jié)構(gòu)，6層+1層地下室+1層閣樓，樓下下伏采空區(qū)，其殘余變形對(duì)樓體產(chǎn)生不利影響。為了得出結(jié)構(gòu)本身在殘余變形條件下的內(nèi)力變化規(guī)律，樓體構(gòu)件尺寸均根據(jù)設(shè)計(jì)院建立的PKPM模型選取，建立空間框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。在計(jì)算模型中地基采用文克勒地基模型，簡(jiǎn)化成彈簧作用，使用ANSYS10.0通用有限元程序進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算所采用的材料參數(shù)為：混凝土彈性模量32.5 GPa，泊松比0.2，密度2 700 kg/m3，地基彈性模量28.47 MPa。殘余變形加載方式與樓的長軸方向一致。

2.2　計(jì)算工況

在ANSYS有限元模型計(jì)算中，參照正交試驗(yàn)方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)研究。正交試驗(yàn)法是一種科學(xué)地安排與分析多因素試驗(yàn)的方法，它主要使用正交表這一工具進(jìn)行試驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)、綜合比較、統(tǒng)計(jì)分析，即使用正交表從所有可能的搭配中挑出若干必需的試驗(yàn)，然后再用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合處理，從而達(dá)到用較少的試驗(yàn)次數(shù)解決問題的目的。

本次正交試驗(yàn)中各水平取值如下：

(1)筏板厚度：①600 mm。

(2)地基殘余變形曲率半徑：①無變形；②r=5 000 m；③r=15 000 m；④r=50 000 m。

(3)筏板梁尺寸：①800 mm×400 mm。

考慮各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響情況，按照最不利因素考慮，進(jìn)行4種模型計(jì)算工況組合，見表1。

表1　計(jì)算工況

工況描述：在模型6-a-b-c中，6代表6層多層住宅；a代表筏板厚度；b代表地基殘余變形曲率；c代表筏板梁尺寸。

2.3　計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

以地上1層梁柱為研究對(duì)象，分別分析各構(gòu)件在筏板厚度為600 mm、筏板梁尺寸固定為800 mm×400 mm條件下，曲率r=5 000 m，r=15 000 m，r=50 000 m變化時(shí)梁柱彎矩與最大剪力隨曲率的變化值并加以對(duì)比，得出構(gòu)件隨曲率變化下的內(nèi)力變化規(guī)律。在計(jì)算分析時(shí)選取了建筑物的部分主要構(gòu)件進(jìn)行分析。

首先計(jì)算出建筑物在正常情況下各構(gòu)件的內(nèi)力值(主要包括梁的彎矩和梁的剪力)，然后計(jì)算出建筑物在地表變形下各主要構(gòu)件的內(nèi)力并進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出在地表變形下建筑物主要構(gòu)件內(nèi)力相對(duì)增加值。具體見圖1至圖4。

圖1　不同曲率條件下梁左端彎矩變化

圖2　不同曲率條件下梁中端彎矩變化

圖3　不同曲率條件下梁右端彎矩變化

圖4　不同曲率條件下梁最大剪力變化

由圖1至圖4分析可知，梁柱內(nèi)力隨曲率變化規(guī)律為：梁內(nèi)力相對(duì)增加值隨曲率半徑r的減小而增大，結(jié)構(gòu)受殘余變形的影響也隨之增大；軸線方向與曲率變化方向垂直的梁在不同殘余曲率作用下，內(nèi)力相對(duì)變化值很小，基本不受曲率變化的影響；軸線方向與曲率變化方向平行的梁在不同殘余曲率作用下，內(nèi)力相對(duì)變化值較大，內(nèi)力變化值隨曲率變小而明顯增大，軸線方向與殘余曲率變化方向平行的梁受殘余曲率變化的影響很大。在相同情況下，中梁比邊梁內(nèi)力增加的幅度小，中梁較邊梁受殘余變形影響較小。

同樣，分析地上1層柱內(nèi)力隨曲率變化的規(guī)律，得出在相同情況下，中柱比邊柱內(nèi)力增加幅度小，中柱較邊柱受殘余變形影響小。

經(jīng)過分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)殘余曲率變形<5 000 m，梁內(nèi)力增大幅度>100%，柱內(nèi)力增大幅度>500%，結(jié)構(gòu)勢(shì)必發(fā)生破壞；殘余曲率變形<15 000 m，梁內(nèi)力增大幅度>50%，樁內(nèi)力增大幅度>100%，結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生破壞；殘余曲率變形>50 000 m，梁內(nèi)力增大幅度≯30%，樁內(nèi)力增大幅度≯5%，對(duì)結(jié)構(gòu)采取適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)和加固措施可確保安全。

通過對(duì)1層主要構(gòu)件內(nèi)力的計(jì)算分析，可以看出梁內(nèi)力變化較大的是10號(hào)梁，所以在對(duì)不同樓層構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，只選取了內(nèi)力變化大的10號(hào)梁為研究對(duì)象。10號(hào)梁的內(nèi)力變化見表2。

表2　-1層至3層10號(hào)梁的內(nèi)力變化　%

通過對(duì)1層主要構(gòu)件內(nèi)力的計(jì)算分析，可以看出柱內(nèi)力變化較大的是2號(hào)柱，所以在對(duì)不同樓層構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，只選取了內(nèi)力變化大的2號(hào)柱為研究對(duì)象。2號(hào)柱的內(nèi)力變化見表3。

表3　-1層至3層2號(hào)柱的內(nèi)力變化　%

由表2和表3分析可知，梁柱內(nèi)力隨樓層的變化規(guī)律為：梁內(nèi)力相對(duì)變化值開始時(shí)隨樓層的增加而增大，到地上1層出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨樓層增加開始下降，地上1層梁內(nèi)力相對(duì)值變化最大，受殘余變形影響最大；梁端彎矩相對(duì)變化比梁中彎矩與最大剪力相對(duì)變化大，梁端受殘余變形影響較顯著；柱內(nèi)力相對(duì)變化值隨樓層的增加而減小，-1層柱受殘余影響最大；柱軸力比最大彎矩與最大剪力相對(duì)變化小，且數(shù)值較小，軸力受殘余變形影響不明顯。

結(jié)合表2和表3可以得出，殘余變形影響最大的是地下1層和地上1層，其次是地上2層和3層，房屋結(jié)構(gòu)抗變形加固處理的重點(diǎn)區(qū)域是建筑的地下1層和地上1層，其次是地上2層和3層，4層以上建議按正常設(shè)計(jì)處理。

3結(jié)論

3.1殘余曲率變形<5 000 m，梁內(nèi)力增大幅度>100%，樁內(nèi)力增大幅度>500%，結(jié)構(gòu)勢(shì)必發(fā)生破壞；殘余曲率變形<15 000 m，梁內(nèi)力增大幅度>50%，樁內(nèi)力增大幅度>100%，結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生破壞；殘余曲率變形>50 000 m，梁內(nèi)力增大幅度≯30%，樁內(nèi)力增大幅度≯5%，對(duì)結(jié)構(gòu)采取適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)和加固措施可確保安全。

3.2殘余變形影響最大的是地下1層和地上1層，其次是地上2層和3層，房屋結(jié)構(gòu)抗變形加固處理的重點(diǎn)區(qū)域是建筑的地下1層和地上1層，其次是地上2層和3層，4層以上建議按正常設(shè)計(jì)處理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 龔文惠，李斌.采空區(qū)地表框架結(jié)構(gòu)建筑物的附加內(nèi)力分析[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，20(1)：48-52.

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Influence of Goaf Residual Deformation Effect on Internal Force of Main Building Structure

XING Peng

(Taiyuan China Coal Project Design Co.，LTD，Taiyuan，Shanxi，030027，China)

Key words：residual deformation；internal force；finite element analysis；component

(編輯盛晉生)

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