朱 偉，張福斌，李科心

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

我國在采煤塌陷區(qū)上進(jìn)行建筑實踐案例較多，不僅開發(fā)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(qū)的生態(tài)環(huán)境，已成為礦山城市解決建設(shè)用地指標(biāo)的重要技術(shù)途徑[1-3]。塌陷區(qū)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(zhì)條件已經(jīng)發(fā)生了較大變化，新建建(構(gòu))筑物還將受到殘余沉陷變形的損害影響，結(jié)構(gòu)安全使用是需要重點關(guān)注的，專家學(xué)者做了許多相關(guān)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(fā)展規(guī)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(fā)育高度空間位置關(guān)系提出了建筑地基穩(wěn)定性的安全評價方法；文獻(xiàn)[7]采用附加應(yīng)力-概率積分法進(jìn)行了建設(shè)場地殘余沉陷預(yù)測，并對新建建筑物地基穩(wěn)定性進(jìn)行了評價；譚志祥、夏軍武等[8-9]深入研究了采動區(qū)地表建筑物地基、基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用機(jī)理，為采空區(qū)上建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)；段敬民[10]在研究采動區(qū)上建筑變形損害的基礎(chǔ)上提出了采空區(qū)工程結(jié)構(gòu)抗變形設(shè)計理論及加固技術(shù)。

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

本文對采空區(qū)上新建大跨度廠房重點研究，采用數(shù)值模擬對新建大跨度廠房受采動沉陷變形損害影響進(jìn)行研究分析，以期提出大跨度廠房抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)措施，研究成果將為沉陷區(qū)上方大跨度建(構(gòu))筑物的設(shè)計和建設(shè)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(jié)構(gòu)即外墻采用磚、磚柱的承重結(jié)構(gòu)，另一種是骨架承重結(jié)構(gòu)即由鋼筋混凝土構(gòu)件或者鋼構(gòu)件組成骨架的承重結(jié)構(gòu)，此時墻體(薄鋼板)僅起維護(hù)作用，第二種應(yīng)用廣泛。

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

模型為長120 m、寬60 m、高10 m的大跨度廠房，上部結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)框架，基礎(chǔ)采用混凝土材料，分別分析獨立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)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(qiáng)度、剛度要高于梁)，結(jié)合位置均采用高強(qiáng)度螺栓剛接連接形式?；炷敛牧线m用于Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則，鋼結(jié)構(gòu)適用于Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則。材料屬性如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

2 大跨度廠房受沉陷變形影響分析

2.1 不同變形量級構(gòu)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(shè)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(shè)為固定支撐，不消除模型的剛體位移，其它底部基礎(chǔ)發(fā)生相對變形。由于模型采用簡化的桿系結(jié)構(gòu)，因此，在進(jìn)行后處理結(jié)果分析時主要參考軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變兩個指標(biāo)。獨立基礎(chǔ)條件下不同量級變形對大跨度構(gòu)筑物影響如圖1、圖2所示，圖中正值為拉，負(fù)值為壓，后圖均一致。

圖1 不同量級沉陷變形構(gòu)筑物應(yīng)力圖

圖2 不同量級沉陷變形構(gòu)筑物應(yīng)變圖

從結(jié)果可以看出：(1)不同量級沉陷變形對獨立基礎(chǔ)大跨度構(gòu)筑物內(nèi)部梁柱應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生趨勢基本一致，但隨著變形量級的倍增，桿件應(yīng)力應(yīng)變基本成倍增加。變形量級越大桿件承受的損害變形越嚴(yán)重。(2)構(gòu)筑物桿件應(yīng)力集中發(fā)生在柱梁、梁梁結(jié)合處，上部結(jié)構(gòu)節(jié)點處應(yīng)力集中與基礎(chǔ)節(jié)點處基本一致。(3)梁的應(yīng)力應(yīng)變集中現(xiàn)象較柱更為明顯，抗風(fēng)柱應(yīng)力集中明顯位于與頂梁、底梁結(jié)合處。

2.2 不同基礎(chǔ)形式構(gòu)筑物損害對比分析

模擬了獨立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)兩種不同基礎(chǔ)形式下給定相同沉陷變形的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況，模型底部(0，0，0)的位置設(shè)為固定支撐，不消除模型的剛體位移，其它底部基礎(chǔ)發(fā)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(chǔ)形式下相同量級變形對大跨度構(gòu)筑物影響如圖3、圖4所示。

圖3 不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式構(gòu)筑物應(yīng)力圖

圖4 不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式構(gòu)筑物應(yīng)變圖

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

2.3 有無柱間支撐構(gòu)筑物損害對比分析

模擬了獨立基礎(chǔ)下鋼框架布設(shè)側(cè)向柱間支撐體系下構(gòu)筑物應(yīng)力應(yīng)變情況，模型底部(0，0，0)的位置設(shè)為固定支撐，不消除模型的剛體位移，其它底部基礎(chǔ)發(fā)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(gòu)筑物應(yīng)力應(yīng)變情況如圖5、圖6所示。

圖5 未添加與添加柱間支撐構(gòu)筑物應(yīng)力圖

圖6 未添加與添加柱間支撐構(gòu)筑物應(yīng)變圖

從結(jié)果可以看出：(1)添加柱間支撐情況下，邊柱與角柱、抗風(fēng)柱應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減輕，同時頂梁、底梁的應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象；(3)原本承重柱承受的應(yīng)變部分轉(zhuǎn)移至側(cè)向支撐桿件中，側(cè)向支撐桿件產(chǎn)生了較大的應(yīng)變。

3 興建廠房采動損害防護(hù)技術(shù)

井下開采引發(fā)地表沉陷變形由地基通過建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)傳至上部結(jié)構(gòu)，使建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)及其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，其對建(構(gòu))筑物產(chǎn)生的損害程度主要取決于變形量級以及建(構(gòu))筑物本身抗變形能力(強(qiáng)度、剛度)。在量級相同變形下建(構(gòu))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(gòu))筑物在沒有采取有效抗變形措施情況下更易發(fā)生較嚴(yán)重?fù)p害。

根據(jù)上述廠房采動損害數(shù)值分析結(jié)果，采空區(qū)上興建大跨度廠房可從以下方面進(jìn)行損害防治：(1)建設(shè)規(guī)劃時間上選擇老采空區(qū)，殘余沉陷變形小，空間上盡量避開后續(xù)沉陷變形較嚴(yán)重區(qū)域；(2)采用鋼結(jié)構(gòu)框架、廠房和柱下獨立基礎(chǔ)形式，同時采用剛度和強(qiáng)度大的柱梁構(gòu)件；(3)合理設(shè)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(yīng)力集中位置，需要提高連接部位剛度和強(qiáng)度；(5)布設(shè)側(cè)向柱間支撐體系和系桿、檁條以保證廠房整體剛度和穩(wěn)定性；(6)管道設(shè)置柔性接頭留出相對位移空間，設(shè)備基礎(chǔ)以及軌道等預(yù)留調(diào)整空間抵消沉陷變形影響。

4 結(jié) 論

(1)大跨度廠房采動損害結(jié)果表明，沉陷變形量級的增大將導(dǎo)致采動損害程度趨于嚴(yán)重；鋼結(jié)構(gòu)框架柱梁及連接部位的剛度和強(qiáng)度會影響安全穩(wěn)定性；柱下獨立基礎(chǔ)抵抗沉陷變形要優(yōu)于條形基礎(chǔ)；布設(shè)側(cè)向柱間支撐有助于提高廠房整體剛度和穩(wěn)定性。

(2)地表殘余沉陷變形量級較小且漸變發(fā)生，為其建設(shè)利用提供了有利條件，只要采取適當(dāng)?shù)目棺冃渭夹g(shù)，采空區(qū)上興建大跨度廠房建(構(gòu))筑物是可行的。

(3)提出的采動損害防護(hù)技術(shù)可以為采空區(qū)上廠房設(shè)計和建設(shè)提供參考。