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采空区地基上建筑结构的分析范文

时间:2022-01-05 10:36:28

采空区地基上建筑结构的分析

1前言

1996年,陶阳煤矿在其原有的矿区宿舍西边征得108亩采煤塌陷地,在前期调研分析的基础上,建设了职工小区,小区每栋住宅均有三个单元组成,平面长度均为36.6米,宽为11.7米。地下室层高2.2米,标准层层高2.9米,楼房顶标高+15.250。住宅墙体材料为MU10机制砖,M5.0混合砂浆,砼为C20。利用大型有限元程序分析软件ANSYS对建筑结构进行有限元分析。

2整体结构ANSYS计算分析

(1)几何参数:混凝土筏板厚度400mm,地基梁400mm×1000mm,圈梁240mm×300mm,预制楼板厚度130mm,砖墙厚240mm。底层层高2.2m,其余五层层高均为2.9m。

(2)材料参数:普通粘土砖强度等级MU10,混合砂浆强度等级M5.0,砌体抗压强度设计值1.5MPa,砌体弹性模量为2400MPa。砌体抗压强度设计值为1.5MPa,抗剪强度设计值为0.11MPa,抗拉强度设计值为0.13MPa。

(3)荷载参数:混凝土容重取25kN/m3,砌体容重取21.8kN/m3。住宅楼楼面活荷载取2.0kN/m2。

(4)计算结果。1)在恒载和活载共同作用下结构分析:本有限元模拟分析中,用弹簧模拟地基对筏板的支撑作用。地基和筏板间只受压、不受拉力作用。荷载组合只考虑恒荷载和活荷载作用,分项系数分别为1.2和1.4。在自重作用下,结构最大竖向变形2.1mm,出现在阳台板位置。建筑结构整体下沉量约为12mm。墙体中σx最大值为0.15MPa,σy最大值为0.17MPa,σz最大值为5.4MPa。Τxy墙体中最大值0.56MPa,楼板中为3.88MPa。τyz墙体中应力值0.11MPa。τxz墙体中剪应力最大值为0.43MPa。2)建筑端部400mm沉降作用下:根据实测,长度为36.6m住宅楼长方向两端最大沉降差约为400mm,在墙体中会产生附加应力。由于筏板的整体作用以及沉降的连续变化,则有利于减小上部结构中的应力。本有限元模拟分析中,用弹簧模拟地基对筏板的支撑作用,筏板一端固定,另一端施加-400mm位移作用。结构-筏板-弹簧模型及应力分布计算结果:房屋底部一端下沉400mm,顶层侧移169mm,沿长方向倾斜1.01%。σx筏板基础中压应力1.4MPa,拉应力0.4MPa,局部应力集中部位压应力8.87MPa。顶部楼板拉应力为0.4MPa,压应力1.4MPa。墙体中压应力1.4MPa。σy筏板中压应力为0.9MPa,局部应力集中部位应力为2.7MPa,出现在筏板下沉400mm端部。顶层楼板和墙体中压应力为0.9MPa。σz筏板中压应力0.28MPa。顶部楼板拉应力为0.05MPa。墙体中压应力0.28MPa,局部为0.6~0.9MPa。τxy筏板基础应力0.14~0.39MPa。顶部楼板和墙体中应力0.39MPa。τyz墙体和楼板中应力0.04MPa,筏板应力最大值为0.43MPa。τxz在筏板中最大应力为0.72MPa,存在应力集中现象。墙体中剪力为0.05MPa,局部0.2~0.7MPa。3)条形基础结构分析:设结构基础形式为墙下条形基础,地基为砂垫层。在自重作用下,结构竖向变形竖向沉降量约为28mm。端部施加400mm竖向位移荷载,得到结构应力分布。4)计算结果:σx顶部楼板拉应力为1.03MPa,局部2.94MPa。墙体中0.87MPa。σy顶部楼板拉、压应力为0.5MPa。墙体中0.5MPa。σz墙体中应力0.6~0.9MPa,局部1.2~1.5MPa。楼板中拉应力为0.09MPa。τxy墙体中应力0.04MPa。顶层楼板应力0.2~0.4MPa。τyz墙体和楼板中拉应力0.46MPa,最大压应力0.42MPa。τxz在墙体中剪力值为0.13MPa,局部0.3~0.8MPa,最大拉、压应力分别为0.7、0.8MPa。

(5)计算结果分析。通过36.6m长筏板基础形式、36.6m长条形基础形式和48.8m长筏板基础形式的结构对比分析,可以发现:①自重作用下,筏板基础形式结构沉降量约为12mm,条形基础形式结构约为28mm;②结构端部地基出现400mm沉陷时,建筑沿长度方向倾斜约1.0%;③通过筏板基础、圈梁及构造柱的整体作用,结构应力分布明显小于条形基础形式的结构应力,基本符合规范规定的强度要求,且应力分布均匀,改善了应力集中现象;④条形基础形式建筑地基压缩量较大,约为筏板基础的2.4倍,且整体性较差,楼板及墙体中应力较大,且存在明显的应力集中部位,易造成局部开裂现象;⑤当建筑物长度加大到四个单元(长48.8m),对比分析发现,相同基础形式下,长度增加,筏板应力和墙体应力均有所增大,且由于沉降不均匀导致结构内力分布不均匀,存在应力集中现象。

3结论及建议

(1)住宅楼通过400厚筏板及圈梁、构造柱等构造措施,显著加强了结构的整体性,能够承受已出现的地基沉降作用,有限元分析结果表明应力分布基本满足规范要求。

(2)单体住宅楼平面面积36.6m×13.32m结构内力符合规范要求,增加平面尺寸会增加结构内力和应力集中现象,地基不均匀沉降导致的附加应力显著增加。实际结构由于不均匀沉降局部存在应力集中现象,但由于结构材料的弹塑性性能,应力集中现象会有所改善。

(3)目前建筑物完好,没有发现开裂等现象,但由于地基沉降持续时间较长,处于不断发展和趋于稳定过程中,因此建议进行沉陷跟踪观测,并定期对建筑物开裂、倾斜等进行检测,发现问题及时处理。

作者:李文棵 单位:山东鲁泰建筑工程集团有限公司

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