塌陷地新建大跨度厂房损害数值分析与防护研究*

朱 伟，张福斌，李科心

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013;3.利津县自然资源和规划局，山东 东营 257400)

我国在采煤塌陷区上进行建筑实践案例较多，不仅开发利用了废弃的塌陷地资源，提升了塌陷地土地价值，同时改善了塌陷区的生态环境，已成为矿山城市解决建设用地指标的重要技术途径[1-3]。塌陷区土地由于受到地下煤层的开采沉陷影响，其地层承载及工程地质条件已经发生了较大变化，新建建(构)筑物还将受到残余沉陷变形的损害影响，结构安全使用是需要重点关注的，专家学者做了许多相关方面的研究，如邓喀中等[4]研究了长壁工作面开采地表残余沉陷变形的发展规律，并给出了残余沉陷变形的计算方法；滕永海、张俊英等[5-6]基于新建建筑物荷载影响深度和煤层开采裂缝带发育高度空间位置关系提出了建筑地基稳定性的安全评价方法；文献[7]采用附加应力-概率积分法进行了建设场地残余沉陷预测，并对新建建筑物地基稳定性进行了评价；谭志祥、夏军武等[8-9]深入研究了采动区地表建筑物地基、基础及上部结构的协同作用机理，为采空区上建筑结构设计提供了科学依据；段敬民[10]在研究采动区上建筑变形损害的基础上提出了采空区工程结构抗变形设计理论及加固技术。

随着社会发展和需求功能的提高，建(构)筑物在高度、跨度、结构及荷载等方面都发生了较大的变化，建(构)筑物向更大高度、更大跨度以及结构更新颖等方向发展，给塌陷地上新建建(构)筑物的保护提出了更高的要求，滕永海、易四海等[11-12]在采空区上新建高层和大型建(构)筑物方面做了较深入的研究工作，以上相关研究成果和工程实践促进了塌陷区土地建设利用的长足发展。

本文对采空区上新建大跨度厂房重点研究，采用数值模拟对新建大跨度厂房受采动沉陷变形损害影响进行研究分析，以期提出大跨度厂房抗变形结构技术措施，研究成果将为沉陷区上方大跨度建(构)筑物的设计和建设提供参考。

1 大跨度厂房受沉陷变形影响模型

单层大跨度厂房一般分为两种类型，一种是墙体承重结构即外墙采用砖、砖柱的承重结构，另一种是骨架承重结构即由钢筋混凝土构件或者钢构件组成骨架的承重结构，此时墙体(薄钢板)仅起维护作用，第二种应用广泛。

采用有限元(Finite Element Analysis)数值模拟方法进行工况分析，钢结构框架建(构)筑物模型采用简化的空间杆系结构，上部结构、基础以及柱间支撑、圈梁等均采用杆系结构，研究它们在各种因素(如载荷、支座沉降等)影响下的内力分布、变形和稳定性。

模型为长120 m、宽60 m、高10 m的大跨度厂房，上部结构采用钢结构框架，基础采用混凝土材料，分别分析独立基础和条形基础两种情况，同时考虑未添加和添加柱间支撑两种情况。柱梁均采用H型钢(柱的强度、刚度要高于梁)，结合位置均采用高强度螺栓刚接连接形式。混凝土材料适用于Drucker-Prager强度准则，钢结构适用于Mises强度准则。材料属性如表1所示。

表1 模型材料参数

2 大跨度厂房受沉陷变形影响分析

2.1 不同变形量级构筑物损害对比分析

考虑不同量级的地基沉陷变形，加载模式设置为两种：(1)Ⅰ级采动影响i=3 mm/m，ε=2 mm/m(本次仅考虑拉伸变形)；(2)Ⅱ级采动影响i=6 mm/m，ε=4 mm/m。模型底部(0，0，0)的位置设为固定支撑，不消除模型的刚体位移，其它底部基础发生相对变形。由于模型采用简化的杆系结构，因此，在进行后处理结果分析时主要参考轴向应力、轴向应变两个指标。独立基础条件下不同量级变形对大跨度构筑物影响如图1、图2所示，图中正值为拉，负值为压，后图均一致。

图1 不同量级沉陷变形构筑物应力图

图2 不同量级沉陷变形构筑物应变图

从结果可以看出：(1)不同量级沉陷变形对独立基础大跨度构筑物内部梁柱应力应变发生趋势基本一致，但随着变形量级的倍增，杆件应力应变基本成倍增加。变形量级越大杆件承受的损害变形越严重。(2)构筑物杆件应力集中发生在柱梁、梁梁结合处，上部结构节点处应力集中与基础节点处基本一致。(3)梁的应力应变集中现象较柱更为明显，抗风柱应力集中明显位于与顶梁、底梁结合处。

2.2 不同基础形式构筑物损害对比分析

模拟了独立基础和条形基础两种不同基础形式下给定相同沉陷变形的结构应力应变情况，模型底部(0，0，0)的位置设为固定支撑，不消除模型的刚体位移，其它底部基础发生相对变形。加载为Ⅱ级采动影响i=6 mm/m，ε=4 mm/m。不同基础形式下相同量级变形对大跨度构筑物影响如图3、图4所示。

图3 不同基础结构形式构筑物应力图

图4 不同基础结构形式构筑物应变图

从结果可以看出：(1)条形基础情况下杆系应力集中现象更为明显，独立基础情况下杆系应力集中程度较轻；应力集中部位仍然集中在柱梁、梁梁结合部位。(2)梁端比柱端发生了更为明显的应力集中。(3)上部结构梁的应力集中程度要比基础杆件连接部分明显。可见大跨度厂房构筑物独立基础在抵抗沉陷方面要优于条形基础。

2.3 有无柱间支撑构筑物损害对比分析

模拟了独立基础下钢框架布设侧向柱间支撑体系下构筑物应力应变情况，模型底部(0，0，0)的位置设为固定支撑，不消除模型的刚体位移，其它底部基础发生相对变形。加载为Ⅱ级采动影响i=6 mm/m，ε=4 mm/m。未添加与添加柱间支撑情况下大跨度构筑物应力应变情况如图5、图6所示。

图5 未添加与添加柱间支撑构筑物应力图

图6 未添加与添加柱间支撑构筑物应变图

从结果可以看出：(1)添加柱间支撑情况下，边柱与角柱、抗风柱应力集中现象明显减轻，同时顶梁、底梁的应力集中也明显减轻；(2)长轴方向上顶梁、底梁仍有较大程度的应力集中现象；(3)原本承重柱承受的应变部分转移至侧向支撑杆件中，侧向支撑杆件产生了较大的应变。

3 兴建厂房采动损害防护技术

井下开采引发地表沉陷变形由地基通过建(构)筑物基础传至上部结构，使建(构)筑物的基础及其结构产生附加应力，其对建(构)筑物产生的损害程度主要取决于变形量级以及建(构)筑物本身抗变形能力(强度、刚度)。在量级相同变形下建(构)筑物采动损害程度与其长度、跨度一般成正比，因此大跨度、大尺寸建(构)筑物在没有采取有效抗变形措施情况下更易发生较严重损害。

根据上述厂房采动损害数值分析结果，采空区上兴建大跨度厂房可从以下方面进行损害防治：(1)建设规划时间上选择老采空区，残余沉陷变形小，空间上尽量避开后续沉陷变形较严重区域；(2)采用钢结构框架、厂房和柱下独立基础形式，同时采用刚度和强度大的柱梁构件；(3)合理设置变形缝，切断变形荷载传递路径；(4)柱梁、梁梁连接部位是主要应力集中位置，需要提高连接部位刚度和强度；(5)布设侧向柱间支撑体系和系杆、檩条以保证厂房整体刚度和稳定性；(6)管道设置柔性接头留出相对位移空间，设备基础以及轨道等预留调整空间抵消沉陷变形影响。

4 结 论

(1)大跨度厂房采动损害结果表明，沉陷变形量级的增大将导致采动损害程度趋于严重；钢结构框架柱梁及连接部位的刚度和强度会影响安全稳定性；柱下独立基础抵抗沉陷变形要优于条形基础；布设侧向柱间支撑有助于提高厂房整体刚度和稳定性。

(2)地表残余沉陷变形量级较小且渐变发生，为其建设利用提供了有利条件，只要采取适当的抗变形技术，采空区上兴建大跨度厂房建(构)筑物是可行的。

(3)提出的采动损害防护技术可以为采空区上厂房设计和建设提供参考。