塌陷地新建大跨度廠房損害數值分析與防護研究*

朱 偉，張福斌，李科心

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013;3.利津縣自然資源和規劃局，山東 東營 257400)

我國在采煤塌陷區上進行建筑實踐案例較多，不僅開發利用了廢棄的塌陷地資源，提升了塌陷地土地價值，同時改善了塌陷區的生態環境，已成為礦山城市解決建設用地指標的重要技術途徑[1-3]。塌陷區土地由于受到地下煤層的開采沉陷影響，其地層承載及工程地質條件已經發生了較大變化，新建建(構)筑物還將受到殘余沉陷變形的損害影響，結構安全使用是需要重點關注的，專家學者做了許多相關方面的研究，如鄧喀中等[4]研究了長壁工作面開采地表殘余沉陷變形的發展規律，并給出了殘余沉陷變形的計算方法；滕永海、張俊英等[5-6]基于新建建筑物荷載影響深度和煤層開采裂縫帶發育高度空間位置關系提出了建筑地基穩定性的安全評價方法；文獻[7]采用附加應力-概率積分法進行了建設場地殘余沉陷預測，并對新建建筑物地基穩定性進行了評價；譚志祥、夏軍武等[8-9]深入研究了采動區地表建筑物地基、基礎及上部結構的協同作用機理，為采空區上建筑結構設計提供了科學依據；段敬民[10]在研究采動區上建筑變形損害的基礎上提出了采空區工程結構抗變形設計理論及加固技術。

隨著社會發展和需求功能的提高，建(構)筑物在高度、跨度、結構及荷載等方面都發生了較大的變化，建(構)筑物向更大高度、更大跨度以及結構更新穎等方向發展，給塌陷地上新建建(構)筑物的保護提出了更高的要求，滕永海、易四海等[11-12]在采空區上新建高層和大型建(構)筑物方面做了較深入的研究工作，以上相關研究成果和工程實踐促進了塌陷區土地建設利用的長足發展。

本文對采空區上新建大跨度廠房重點研究，采用數值模擬對新建大跨度廠房受采動沉陷變形損害影響進行研究分析，以期提出大跨度廠房抗變形結構技術措施，研究成果將為沉陷區上方大跨度建(構)筑物的設計和建設提供參考。

1 大跨度廠房受沉陷變形影響模型

單層大跨度廠房一般分為兩種類型，一種是墻體承重結構即外墻采用磚、磚柱的承重結構，另一種是骨架承重結構即由鋼筋混凝土構件或者鋼構件組成骨架的承重結構，此時墻體(薄鋼板)僅起維護作用，第二種應用廣泛。

采用有限元(Finite Element Analysis)數值模擬方法進行工況分析，鋼結構框架建(構)筑物模型采用簡化的空間桿系結構，上部結構、基礎以及柱間支撐、圈梁等均采用桿系結構，研究它們在各種因素(如載荷、支座沉降等)影響下的內力分布、變形和穩定性。

模型為長120 m、寬60 m、高10 m的大跨度廠房，上部結構采用鋼結構框架，基礎采用混凝土材料，分別分析獨立基礎和條形基礎兩種情況，同時考慮未添加和添加柱間支撐兩種情況。柱梁均采用H型鋼(柱的強度、剛度要高于梁)，結合位置均采用高強度螺栓剛接連接形式?；炷敛牧线m用于Drucker-Prager強度準則，鋼結構適用于Mises強度準則。材料屬性如表1所示。

表1 模型材料參數

2 大跨度廠房受沉陷變形影響分析

2.1 不同變形量級構筑物損害對比分析

考慮不同量級的地基沉陷變形，加載模式設置為兩種：(1)Ⅰ級采動影響i=3 mm/m，ε=2 mm/m(本次僅考慮拉伸變形)；(2)Ⅱ級采動影響i=6 mm/m，ε=4 mm/m。模型底部(0，0，0)的位置設為固定支撐，不消除模型的剛體位移，其它底部基礎發生相對變形。由于模型采用簡化的桿系結構，因此，在進行后處理結果分析時主要參考軸向應力、軸向應變兩個指標。獨立基礎條件下不同量級變形對大跨度構筑物影響如圖1、圖2所示，圖中正值為拉，負值為壓，后圖均一致。

圖1 不同量級沉陷變形構筑物應力圖

圖2 不同量級沉陷變形構筑物應變圖

從結果可以看出：(1)不同量級沉陷變形對獨立基礎大跨度構筑物內部梁柱應力應變發生趨勢基本一致，但隨著變形量級的倍增，桿件應力應變基本成倍增加。變形量級越大桿件承受的損害變形越嚴重。(2)構筑物桿件應力集中發生在柱梁、梁梁結合處，上部結構節點處應力集中與基礎節點處基本一致。(3)梁的應力應變集中現象較柱更為明顯，抗風柱應力集中明顯位于與頂梁、底梁結合處。

2.2 不同基礎形式構筑物損害對比分析

模擬了獨立基礎和條形基礎兩種不同基礎形式下給定相同沉陷變形的結構應力應變情況，模型底部(0，0，0)的位置設為固定支撐，不消除模型的剛體位移，其它底部基礎發生相對變形。加載為Ⅱ級采動影響i=6 mm/m，ε=4 mm/m。不同基礎形式下相同量級變形對大跨度構筑物影響如圖3、圖4所示。

圖3 不同基礎結構形式構筑物應力圖

圖4 不同基礎結構形式構筑物應變圖

從結果可以看出：(1)條形基礎情況下桿系應力集中現象更為明顯，獨立基礎情況下桿系應力集中程度較輕；應力集中部位仍然集中在柱梁、梁梁結合部位。(2)梁端比柱端發生了更為明顯的應力集中。(3)上部結構梁的應力集中程度要比基礎桿件連接部分明顯?？梢姶罂缍葟S房構筑物獨立基礎在抵抗沉陷方面要優于條形基礎。

2.3 有無柱間支撐構筑物損害對比分析

模擬了獨立基礎下鋼框架布設側向柱間支撐體系下構筑物應力應變情況，模型底部(0，0，0)的位置設為固定支撐，不消除模型的剛體位移，其它底部基礎發生相對變形。加載為Ⅱ級采動影響i=6 mm/m，ε=4 mm/m。未添加與添加柱間支撐情況下大跨度構筑物應力應變情況如圖5、圖6所示。

圖5 未添加與添加柱間支撐構筑物應力圖

圖6 未添加與添加柱間支撐構筑物應變圖

從結果可以看出：(1)添加柱間支撐情況下，邊柱與角柱、抗風柱應力集中現象明顯減輕，同時頂梁、底梁的應力集中也明顯減輕；(2)長軸方向上頂梁、底梁仍有較大程度的應力集中現象；(3)原本承重柱承受的應變部分轉移至側向支撐桿件中，側向支撐桿件產生了較大的應變。

3 興建廠房采動損害防護技術

井下開采引發地表沉陷變形由地基通過建(構)筑物基礎傳至上部結構，使建(構)筑物的基礎及其結構產生附加應力，其對建(構)筑物產生的損害程度主要取決于變形量級以及建(構)筑物本身抗變形能力(強度、剛度)。在量級相同變形下建(構)筑物采動損害程度與其長度、跨度一般成正比，因此大跨度、大尺寸建(構)筑物在沒有采取有效抗變形措施情況下更易發生較嚴重損害。

根據上述廠房采動損害數值分析結果，采空區上興建大跨度廠房可從以下方面進行損害防治：(1)建設規劃時間上選擇老采空區，殘余沉陷變形小，空間上盡量避開后續沉陷變形較嚴重區域；(2)采用鋼結構框架、廠房和柱下獨立基礎形式，同時采用剛度和強度大的柱梁構件；(3)合理設置變形縫，切斷變形荷載傳遞路徑；(4)柱梁、梁梁連接部位是主要應力集中位置，需要提高連接部位剛度和強度；(5)布設側向柱間支撐體系和系桿、檁條以保證廠房整體剛度和穩定性；(6)管道設置柔性接頭留出相對位移空間，設備基礎以及軌道等預留調整空間抵消沉陷變形影響。

4 結 論

(1)大跨度廠房采動損害結果表明，沉陷變形量級的增大將導致采動損害程度趨于嚴重；鋼結構框架柱梁及連接部位的剛度和強度會影響安全穩定性；柱下獨立基礎抵抗沉陷變形要優于條形基礎；布設側向柱間支撐有助于提高廠房整體剛度和穩定性。

(2)地表殘余沉陷變形量級較小且漸變發生，為其建設利用提供了有利條件，只要采取適當的抗變形技術，采空區上興建大跨度廠房建(構)筑物是可行的。

(3)提出的采動損害防護技術可以為采空區上廠房設計和建設提供參考。