采空残余变形对建筑物主要构件内力的影响

采空残余变形对建筑物主要构件内力的影响

□□ 邢鹏(太原华煤工程设计有限公司，山西 太原030027)

摘要：采用大型有限元软件ANSYS，对煤矿沉陷区拟建建筑物的主要构件进行了内力分析，研究了在地表变形下1层主要构件较无地表变形下内力的相对变化值，得出在地表曲率变形较大的情况下，梁柱的内力相对增加值较大，梁内力增大幅度>100%，柱内力增大幅度>500%。对-1层至3层中内力变化较大的构件进行了分析，残余变形影响最大的是地下1层和地上1层，其次是地上2层和3层。以期为山西采空区的充分利用提供一定的设计参考。

关键词：残余变形；内力；有限元；构件

文章编号：1009-9441(2015)02-0009-03

中图分类号：TD 325

文献标识码：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.

作者简介：邢鹏(1976-)，男，山西长治人，工程师，从事工程应用方面工作。

收稿日期：2015-02-03

引言

煤矿沉陷区残余变形引起建筑物结构构件的内力变化是复杂的发展变化的过程，采用传统的结构力学和土力学方法难以获得残余变形条件下结构内力的变化规律，数值模拟方法是研究建筑物在残余变形条件下结构内力变形规律的有效途径。本文以山西某小区地质条件和采矿条件为背景，通过定性与定量相结合的技术途径，研究建筑物下伏采空区残余变形对建筑物本身结构构件内力的影响，通过数值模拟研究获得了结构构件在具体残余变形影响条件下结构内力变化与残余变形的相互关系，为建筑物下伏采空区结构内力变化的理论分析和具体建筑物设计提供依据。

1工程概况

山西某房地产开发有限公司拟在存有残余沉降的煤矿沉陷区建设住宅楼。该工程拟建5栋6层住宅楼(阁楼+1层地下室)，物管社区服务(1层地下室)，1栋1～2层商业、3～4层办公(层高5.7 m，1层地下室)及部分地下室，其中6层住宅楼拟采用框架结构。由于建筑物建在存有残余变形的沉陷区，与普通建筑物的受力不同，在设计时要充分考虑地表变形对建筑物构件受力的影响，所以选取其中一栋6层的建筑物为研究对象进行计算分析。

2模型建立与计算分析

2.1　模型的建立

拟建建筑物主体为混凝土框架结构，6层+1层地下室+1层阁楼，楼下下伏采空区，其残余变形对楼体产生不利影响。为了得出结构本身在残余变形条件下的内力变化规律，楼体构件尺寸均根据设计院建立的PKPM模型选取，建立空间框架结构计算模型。在计算模型中地基采用文克勒地基模型，简化成弹簧作用，使用ANSYS10.0通用有限元程序进行计算。计算所采用的材料参数为：混凝土弹性模量32.5 GPa，泊松比0.2，密度2 700 kg/m3，地基弹性模量28.47 MPa。残余变形加载方式与楼的长轴方向一致。

2.2　计算工况

在ANSYS有限元模型计算中，参照正交试验方法对结构进行数值模拟试验研究。正交试验法是一种科学地安排与分析多因素试验的方法，它主要使用正交表这一工具进行试验的整体设计、综合比较、统计分析，即使用正交表从所有可能的搭配中挑出若干必需的试验，然后再用统计分析方法对试验结果进行综合处理，从而达到用较少的试验次数解决问题的目的。

本次正交试验中各水平取值如下：

(1)筏板厚度：①600 mm。

(2)地基残余变形曲率半径：①无变形；②r=5 000 m；③r=15 000 m；④r=50 000 m。

(3)筏板梁尺寸：①800 mm×400 mm。

考虑各种因素对结构内力的影响情况，按照最不利因素考虑，进行4种模型计算工况组合，见表1。

表1　计算工况

工况描述：在模型6-a-b-c中，6代表6层多层住宅；a代表筏板厚度；b代表地基残余变形曲率；c代表筏板梁尺寸。

2.3　计算结果对比分析

以地上1层梁柱为研究对象，分别分析各构件在筏板厚度为600 mm、筏板梁尺寸固定为800 mm×400 mm条件下，曲率r=5 000 m，r=15 000 m，r=50 000 m变化时梁柱弯矩与最大剪力随曲率的变化值并加以对比，得出构件随曲率变化下的内力变化规律。在计算分析时选取了建筑物的部分主要构件进行分析。

首先计算出建筑物在正常情况下各构件的内力值(主要包括梁的弯矩和梁的剪力)，然后计算出建筑物在地表变形下各主要构件的内力并进行对比，计算出在地表变形下建筑物主要构件内力相对增加值。具体见图1至图4。

图1　不同曲率条件下梁左端弯矩变化

图2　不同曲率条件下梁中端弯矩变化

图3　不同曲率条件下梁右端弯矩变化

图4　不同曲率条件下梁最大剪力变化

由图1至图4分析可知，梁柱内力随曲率变化规律为：梁内力相对增加值随曲率半径r的减小而增大，结构受残余变形的影响也随之增大；轴线方向与曲率变化方向垂直的梁在不同残余曲率作用下，内力相对变化值很小，基本不受曲率变化的影响；轴线方向与曲率变化方向平行的梁在不同残余曲率作用下，内力相对变化值较大，内力变化值随曲率变小而明显增大，轴线方向与残余曲率变化方向平行的梁受残余曲率变化的影响很大。在相同情况下，中梁比边梁内力增加的幅度小，中梁较边梁受残余变形影响较小。

同样，分析地上1层柱内力随曲率变化的规律，得出在相同情况下，中柱比边柱内力增加幅度小，中柱较边柱受残余变形影响小。

经过分析对比，发现残余曲率变形<5 000 m，梁内力增大幅度>100%，柱内力增大幅度>500%，结构势必发生破坏；残余曲率变形<15 000 m，梁内力增大幅度>50%，桩内力增大幅度>100%，结构有可能发生破坏；残余曲率变形>50 000 m，梁内力增大幅度≯30%，桩内力增大幅度≯5%，对结构采取适当的增强和加固措施可确保安全。

通过对1层主要构件内力的计算分析，可以看出梁内力变化较大的是10号梁，所以在对不同楼层构件进行内力分析时，只选取了内力变化大的10号梁为研究对象。10号梁的内力变化见表2。

表2　-1层至3层10号梁的内力变化　%

通过对1层主要构件内力的计算分析，可以看出柱内力变化较大的是2号柱，所以在对不同楼层构件进行内力分析时，只选取了内力变化大的2号柱为研究对象。2号柱的内力变化见表3。

表3　-1层至3层2号柱的内力变化　%

由表2和表3分析可知，梁柱内力随楼层的变化规律为：梁内力相对变化值开始时随楼层的增加而增大，到地上1层出现拐点，随楼层增加开始下降，地上1层梁内力相对值变化最大，受残余变形影响最大；梁端弯矩相对变化比梁中弯矩与最大剪力相对变化大，梁端受残余变形影响较显著；柱内力相对变化值随楼层的增加而减小，-1层柱受残余影响最大；柱轴力比最大弯矩与最大剪力相对变化小，且数值较小，轴力受残余变形影响不明显。

结合表2和表3可以得出，残余变形影响最大的是地下1层和地上1层，其次是地上2层和3层，房屋结构抗变形加固处理的重点区域是建筑的地下1层和地上1层，其次是地上2层和3层，4层以上建议按正常设计处理。

3结论

3.1残余曲率变形<5 000 m，梁内力增大幅度>100%，桩内力增大幅度>500%，结构势必发生破坏；残余曲率变形<15 000 m，梁内力增大幅度>50%，桩内力增大幅度>100%，结构有可能发生破坏；残余曲率变形>50 000 m，梁内力增大幅度≯30%，桩内力增大幅度≯5%，对结构采取适当的增强和加固措施可确保安全。

3.2残余变形影响最大的是地下1层和地上1层，其次是地上2层和3层，房屋结构抗变形加固处理的重点区域是建筑的地下1层和地上1层，其次是地上2层和3层，4层以上建议按正常设计处理。

参考文献：

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[4] 郭高川，段瑞，杜建伟.采空区残余地表移动变形对建筑物影响的探讨[J].煤炭工程，2008(5)：72-74.

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

(编辑盛晋生)

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