采空區地基上建筑結構的分析范文

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1前言

1996年，陶陽煤礦在其原有的礦區宿舍西邊征得108畝采煤塌陷地，在前期調研分析的基礎上，建設了職工小區，小區每棟住宅均有三個單元組成，平面長度均為36.6米，寬為11.7米。地下室層高2.2米，標準層層高2.9米，樓房頂標高+15.250。住宅墻體材料為MU10機制磚，M5.0混合砂漿，砼為C20。利用大型有限元程序分析軟件ANSYS對建筑結構進行有限元分析。

2整體結構ANSYS計算分析

（1）幾何參數：混凝土筏板厚度400mm，地基梁400mm×1000mm，圈梁240mm×300mm，預制樓板厚度130mm，磚墻厚240mm。底層層高2.2m，其余五層層高均為2.9m。

（2）材料參數：普通粘土磚強度等級MU10，混合砂漿強度等級M5.0，砌體抗壓強度設計值1.5MPa，砌體彈性模量為2400MPa。砌體抗壓強度設計值為1.5MPa，抗剪強度設計值為0.11MPa，抗拉強度設計值為0.13MPa。

（3）荷載參數：混凝土容重取25kN/m3，砌體容重取21.8kN/m3。住宅樓樓面活荷載取2.0kN/m2。

（4）計算結果。1）在恒載和活載共同作用下結構分析：本有限元模擬分析中，用彈簧模擬地基對筏板的支撐作用。地基和筏板間只受壓、不受拉力作用。荷載組合只考慮恒荷載和活荷載作用，分項系數分別為1.2和1.4。在自重作用下，結構最大豎向變形2.1mm，出現在陽臺板位置。建筑結構整體下沉量約為12mm。墻體中σx最大值為0.15MPa，σy最大值為0.17MPa，σz最大值為5.4MPa。Τxy墻體中最大值0.56MPa，樓板中為3.88MPa。τyz墻體中應力值0.11MPa。τxz墻體中剪應力最大值為0.43MPa。2）建筑端部400mm沉降作用下：根據實測，長度為36.6m住宅樓長方向兩端最大沉降差約為400mm，在墻體中會產生附加應力。由于筏板的整體作用以及沉降的連續變化，則有利于減小上部結構中的應力。本有限元模擬分析中，用彈簧模擬地基對筏板的支撐作用，筏板一端固定，另一端施加-400mm位移作用。結構－筏板－彈簧模型及應力分布計算結果：房屋底部一端下沉400mm，頂層側移169mm，沿長方向傾斜1.01％。σx筏板基礎中壓應力1.4MPa，拉應力0.4MPa，局部應力集中部位壓應力8.87MPa。頂部樓板拉應力為0.4MPa，壓應力1.4MPa。墻體中壓應力1.4MPa。σy筏板中壓應力為0.9MPa，局部應力集中部位應力為2.7MPa，出現在筏板下沉400mm端部。頂層樓板和墻體中壓應力為0.9MPa。σz筏板中壓應力0.28MPa。頂部樓板拉應力為0.05MPa。墻體中壓應力0.28MPa，局部為0.6～0.9MPa。τxy筏板基礎應力0.14～0.39MPa。頂部樓板和墻體中應力0.39MPa。τyz墻體和樓板中應力0.04MPa，筏板應力最大值為0.43MPa。τxz在筏板中最大應力為0.72MPa，存在應力集中現象。墻體中剪力為0.05MPa，局部0.2～0.7MPa。3）條形基礎結構分析：設結構基礎形式為墻下條形基礎，地基為砂墊層。在自重作用下，結構豎向變形豎向沉降量約為28mm。端部施加400mm豎向位移荷載，得到結構應力分布。4）計算結果：σx頂部樓板拉應力為1.03MPa，局部2.94MPa。墻體中0.87MPa。σy頂部樓板拉、壓應力為0.5MPa。墻體中0.5MPa。σz墻體中應力0.6～0.9MPa，局部1.2～1.5MPa。樓板中拉應力為0.09MPa。τxy墻體中應力0.04MPa。頂層樓板應力0.2～0.4MPa。τyz墻體和樓板中拉應力0.46MPa，最大壓應力0.42MPa。τxz在墻體中剪力值為0.13MPa，局部0.3～0.8MPa，最大拉、壓應力分別為0.7、0.8MPa。

（5）計算結果分析。通過36.6m長筏板基礎形式、36.6m長條形基礎形式和48.8m長筏板基礎形式的結構對比分析，可以發現：①自重作用下，筏板基礎形式結構沉降量約為12mm，條形基礎形式結構約為28mm；②結構端部地基出現400mm沉陷時，建筑沿長度方向傾斜約1.0％；③通過筏板基礎、圈梁及構造柱的整體作用，結構應力分布明顯小于條形基礎形式的結構應力，基本符合規范規定的強度要求，且應力分布均勻，改善了應力集中現象；④條形基礎形式建筑地基壓縮量較大，約為筏板基礎的2.4倍，且整體性較差，樓板及墻體中應力較大，且存在明顯的應力集中部位，易造成局部開裂現象；⑤當建筑物長度加大到四個單元（長48.8m），對比分析發現，相同基礎形式下，長度增加，筏板應力和墻體應力均有所增大，且由于沉降不均勻導致結構內力分布不均勻，存在應力集中現象。

3結論及建議

（1）住宅樓通過400厚筏板及圈梁、構造柱等構造措施，顯著加強了結構的整體性，能夠承受已出現的地基沉降作用，有限元分析結果表明應力分布基本滿足規范要求。

（2）單體住宅樓平面面積36.6m×13.32m結構內力符合規范要求，增加平面尺寸會增加結構內力和應力集中現象，地基不均勻沉降導致的附加應力顯著增加。實際結構由于不均勻沉降局部存在應力集中現象，但由于結構材料的彈塑性性能，應力集中現象會有所改善。

（3）目前建筑物完好，沒有發現開裂等現象，但由于地基沉降持續時間較長，處于不斷發展和趨于穩定過程中，因此建議進行沉陷跟蹤觀測，并定期對建筑物開裂、傾斜等進行檢測，發現問題及時處理。

作者：李文棵 單位：山東魯泰建筑工程集團有限公司