构造措施对采空区砌体结构抗变形的影响分析

张 健，王佳玲，李志明，邱世华，周金顺，俞然刚

(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266555)

据不完全统计，我国统配煤矿“三下”压煤总量为133.5亿t，其中建筑物下压煤为78.2亿t，占整个压煤量的59%[1]。随着煤炭开采的进程和煤炭地位的不可替代性，迫使进行“三下”压煤的开采，采煤沉陷地质灾害对煤矿生产的影响也越来越大。砌体结构材料本身延性差，刚度大，材料本身的抗拉、抗弯、抗剪强度低，属脆性材料，抗变形能力相对较差[2]，地表的下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形、扭曲和剪切变形等对既有砌体结构产生严重的破坏，既有砌体结构沉陷和沉陷地区的资源利用两方面都迫使我们进行采空区地表变形对既有砌体结构的影响分析。既有砌体结构下采煤的防护措施主要有两方面：一方面是采矿措施，包括全柱开采、择优开采、协调开采、连续开采、对称背向开采、条带法开采和充填法开采等，目的是尽量减小建筑结构下采空沉陷区最大地表变形值；另一方面是加强砌体结构的抗变形能力，既有砌体结构以通过结构加固来实现，新建结构以抗变形设计来实现，抗变形结构设计措施有：①合理设置变形缝;②圈梁和构造柱的设置;③设置水平滑动层或双板基础;④设置升降点式基础，建立自平衡抗大变形体系[3]。设置圈梁、构造柱等构造措施是砌体结构抗变形的主要措施，定量的分析圈梁和构造柱的设置与否及截面尺寸的变化对各种变形工况下墙体受力的影响，对采空区既有砌体结构的加固设计和新建结构的抗变形设计都有指导意义。因此，解决砌体结构下采煤问题，不论是从理论上、技术上，还是经济上，对发展煤炭科技及煤矿生产都有重要意义[4]。

1 拟建矿区

1.1 工程概况

平顶山某待开采矿区[5]，表土层厚度平均12m，其下为砂质泥岩、石英砂岩、泥岩、粉砂岩等的互层，厚度约501m，顶板为砂质泥岩、泥岩、细-中粒石英砂岩、粉砂岩等互层，厚度约85m，已知走向主断面处的平均开采深度H为598m、法向平均煤层厚度m为2.15m、煤层平均倾角α为9°，覆岩岩性类型为中硬，开采方法为走向长壁后退式，全部垮落法管理顶板，矿区上方为成片砌体结构住宅小区。

1.2 模型参数

由附近矿区的开采数据得到，本矿区概率积分法计算模型的参数经验值见表1。

表1 计算模型参数

1.3 地表变形

开采沉陷区地表变形的分布规律与许多地质条件和采矿因素有关[6]，如开采厚度(m)、煤层倾角(α)、采区尺寸(D)、开采深度(H)、顶板管理方法、采煤方法、松散层厚度(h)和上覆岩层性能等。我国实测资料表明，采空区沿倾向长度和走向长度与平均采深的比值为1.3～1.4时地表达到充分采动，此待开发矿开采深厚比H/m大于30、地质采矿条件正常，无大的地质构造，并采用正规循环采煤作业、属于单一煤层开采，地表移动和变形在时间和空间上都具有明显的连续特征和一定的分布规律，则充分采动时矿区走向主断面的地表变形最大值可按概率积分法估算[1,7-8]。

主要影响半径

r=H/tanβ=

最大下沉量值

Wmax=mqcosα=

2.15×1000×0.61×cos9°mm=1295mm

最大倾斜值

最大曲率值

Kmax=±1.52W/r2=

最大水平移动值

Umax=bWmax=

0.3×1295mm=388.50mm

最大水平变形值

ε=±1.52bimax=

1.52×0.3×0.0046=0.0021

在规程中规定[9]，我国一般砖石结构建筑物使用的一组临界变形值为：倾斜i=3mm/m，曲率K=0.2mm/m2，水平变形ε=2mm/m。此待开采区各个地表变形预估值均超过上组临界变形值，则认为砌体结构可能会受到损害，不能保持正常使用，需要进行变形分析，并进行维修加固。

2 工况介绍

2.1 房屋简介

此建筑为6层砖混结构宿舍楼，纵向长为45m，横向长为14m，层高为3m，内外墙厚为240mm，楼板为120mm现浇整体式，在纵横墙连接处均设有构造柱，截面尺寸有0mm×240mm、180mm×240mm、240mm×240mm、300mm×240mm、360mm×240mm，每一层在楼板标高处均设有圈梁，截面尺寸有0mm×240mm、100mm×240mm、150mm×240mm、200mm×240mm、250mm×240mm、300mm×240mm，基础类型为交叉条形基础，截面尺寸为400mm×400mm。

2.2 变形类型

与采空沉陷区的地表变形形式相对应，取正常状态、倾斜状态、纵向水平变形、横向水平变形、负曲率变形(中间下沉)和正曲率变形(两端下沉)六种工况进行模拟分析，其位移变形如图1～6所示。

图1 正常状态位移图

图2 倾斜状态位移图

图3 纵向水平变形位移图

图4 横向水平变形位移图

图5 负曲率变形位移图

图6 正曲率变形位移图

3 有限元分析

3.1 数据分析

使用大型有限元软件ANSYS,对受地表变形作用的砌体房屋进行模拟分析[10],圈梁、构造柱和基础选用beam188单元类型，墙体选用shell63单元类型。6种工况对应6个荷载步，进行弹性静力计算可得各个工况下墙体的拉压应力最值,如表2～5所示。

无构造柱墙体的自重拉应力、负曲率拉应力和正曲率拉应力随着圈梁截面高度的减小而增大，自重压应力、倾斜拉压应力、两水平方向的拉压应力、负曲率压应力和正曲率压应力随着圈梁截面高度的减小而减小。虽然具有规律，但圈梁高度为300mm和没有圈梁的差值最大为0.89MPa，相差很小。

构造柱截面为240mm×240mm时墙体的自重拉应力、负曲率拉应力和正曲率拉应力随着圈梁截面高度的减小而增大，自重压应力、倾斜压应力、两水平方向的拉压应力、负曲率压应力和正曲率压应力随着圈梁截面高度的减小而减小。虽然具有规律，但圈梁高度为300mm和没有圈梁的差值最大为0.48MPa，相差也很小。

无圈梁墙体的自重压应力、倾斜压应力、纵向水平变形拉应力、横向水平变形拉压应力和两曲率变形拉压应力随着柱宽的减小而增大，自重拉应力、倾斜拉应力、纵向水平变形压应力随着柱宽的减小而减小，具有规律，由图7可以看出，在发生变形的情况下，有无构造柱对墙体拉压应力大小的影响很明显，但柱截面宽度变化对墙体拉压应力大小的影响较小。

表2 无构造柱墙体拉压应力最大值/MPa

表3 240×240构造柱墙体拉压应力最大值/MPa

表5 240mm×200mm圈梁墙体拉压应力最大值/MPa

图7 柱宽对墙体受力的影响

圈梁截面为240mm×200mm时墙体的自重压应力、倾斜压应力、纵向水平变形拉应力、横向水平变形拉压应力和两曲率变形拉压应力随着柱宽的减小而增大，自重拉应力、倾斜拉应力、纵向水平变形压应力随着柱宽的减小而减小，具有规律。同样，在发生变形的情况下，设置构造柱对墙体拉压应力大小的降低很明显，最高可达到68.95%，但柱截面宽度变化对墙体拉压应力大小的影响较小。

3.2 结论

墙体的最大主应力和最小应力在一定程度上反映了特定工况对砌体结构房屋墙体的破坏程度，通过以上分析，可以得到如下结论：

1)仅在重力荷载代表值的作用下，设置构造柱比不设置构造柱墙体的拉应力增加，压应力减小，原因是构造柱的存在限制了墙体的水平变形使拉应力增加，也限制了上部墙荷载的向下传递使压应力减小，但有无构造柱对墙体应力的改变很小。

2)仅在重力荷载代表值的作用下，设置圈梁比不设置圈梁墙体的应力的拉压应力都减小，原因是圈梁和构造柱相互连接，将墙体分成了墙段。

3)构造柱的设置与否对墙体拉压应力最值大小的影响较大，圈梁的设置与否对墙体拉压应力最值大小的影响较小。

4)仅在重力荷载代表值的作用下，构造柱和圈梁的截面大小对墙体拉压应力大小的影响很小，所以截面大小一般只满足构造要求就可以。

5)与圈梁截面尺寸变化相比，构造柱截面尺寸变化对墙体拉压应力大小的影响较大，说明构造柱不仅使结构整体性增强，还分担了一部分荷载。

6)圈梁的设置使结构形成整体，设置圈梁时柱截面变化对墙体拉压应力大小的变化速率小于不设置圈梁时柱截面变化对墙体拉压应力大小的变化速率。

7)由于构造柱的约束作用，设置构造柱时圈梁截面的变化与不设置柱时圈梁截面的变化对墙体拉压应力大小的影响更小。

4 结语

通过有限元分析可以看出，采空区地表变形对砌体结构墙体的破坏效果很明显，需要采取一定的措施予以防止破坏，采矿措施和加强上部结构措施这两方面常常联合使用。圈梁的设置主要是增强砌体结构的整体性，对防止各种变形和温度等引起的墙体裂缝和提高抗震性能很明显，对墙体的应力大小影响较小。构造柱主要也是增强砌体结构的整体性，限制裂缝和提高抗震性能，在墙体不满足受力的情况下也可以适当承担一小部分作用，对墙体的受力影响效果要大于圈梁，但也不能一味的靠增大截面来减小墙体受力，不然会引起整个结构传力体系混乱。

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