综放开采抗变形农房结构的受力试验及分析.pdf

巡 生筮垒期堪芷遮j 土 3 1 煤炭科学研究总院唐山分院张俊英 摘要根据潞安矿务局五阳煤矿的现场实测资料，首次对综放开采条件下抗变形农房 结构中的钢筋计应力进行了分析，指出处于受拉区的房屋比受压区的房屋受力大，建筑物基础 是最大的受力部位等规律。 关键词开采影响结构钢筋计受力 1 9 9 r 7 2 0 0 0 年，在五阳煤矿进行了大开间新 型抗变形农房受综放开采影响的试验研究。试采 面为7 5 0 6 工作面，该面走向长1 4 5 0 m ，倾斜长 2 0 0 m ，平均采深3 4 0 m ，开采3 ’煤层，煤层倾角 1 0 0 ，平均采厚5 ．4 m ，采用倾斜长壁综采放顶煤开 采，全部垮落法管理顶板。针对当地农村常用房 屋类型，在7 5 0 6 工作面上方，设计修建了3 栋试 验房，1 号房为砼浇拱筒与砖砌拱筒的混合窑洞 位于工作面外受拉区域 ，2 号房为砖砌拱筒窑 洞 位于工作面内受压区域 ，3 号房为平房 位于 工作面内受压区域且与工作面推进方向斜交 。3 栋试验房均为4 开间，每开间4 ．2 m 宽，进深 6 ．3 1 ．9 m ，檐高3 ．8 叫．3 m ，于1 9 9 7 年1 2 月建 成，开始经受7 5 0 6 面的开采影响，最终试验房处 地表最大下沉2 3 9 8 r 衄，最大倾斜3 0 ．7 n 1 1 1 1 ，m ，最大 水平拉伸变形1 1 ．7 删I l ／m ，最大水平压缩变形 1 0 ．5 m m ／m ，试验房经受了Ⅳ级以上地表变形的 影响，没有出现明显的变形和破坏。 l 农房结构与钢筋计布置 本次3 栋试验房开间尺寸大、室内净高也大， 再加上窑洞的拱形特殊结构，拱脚上受力比较集 中，水平推力又很大，因此设计时采取了钢砼圈 梁、柱、拉梁等提高试验房强度的刚性措施，见图 1 。试验房除采取必要的刚性措施外，还采取了必 要的柔性措施，以吸收地表变形，即在毛石基础与 基础砼圈梁之间设置了水平滑动层，以减少地表 水平变形作用于建筑物上部的附加应力。 试验房内、外墙均为3 7 0 ⅡⅡn 厚砖墙，M 5 混合 砂浆砌筑M U 7 ．5 砖，砼均为C 2 0 。1 号混合窑洞 的边端2 开问采用现浇钢筋砼拱顶，厚1 2 0 啪，内 配双层双向钢筋网；中间两问采用2 4 0 m m 厚砖砌 拱顶，并间隔2 1 0 0 m m 布置3 0 0 n m 宽的砼拱圈。2 号砖拱窑洞均为2 4 0 瑚厚的砖砌拱顶。3 号平房 屋顶为厚1 ‰的预制砼空心板。 拱脚内拉粱 拱脚豳 砼柱 图1 试验窑洞刚性骨架体系 圈梁 图2 试验房基础剖面 另外，采取的结构加强措施还有砼柱与砖墙 交接处采用钢筋拉结，基础圈梁、拱脚或檐口圈梁 于转角处、丁字相交处配置加强钢筋，在平房前墙 的门窗顶设置通长砼过梁等。 万方数据 3 2 煤芷遮盐趔 生筮垒翅 表13 栋试验房加固构件一览表 试 长宽 ，基础圈梁檐口圈梁砼柱拱脚内拉梁 验 n Ⅱn 断面 配筋 断面 配筋 断 面 配 筋 断 面 配筋 房 咖 舢 咖 舢 8 邺， 4 巾1 6 1 。 1 7 ．1 7 7 ．44 0 0 4 5 03 7 0 4 0 0 q ∞ 3 7 0 了7 0 2 0 0 2 3 0 4 中1 8 8 恤 ∞1 2 8 犯0 ， 4 也1 6 2 1 7 ．1 7 7 ．44 0 0 4 5 03 7 0 4 0 0 4 q 卿 3 7 0 3 7 02 0 0 2 3 0 4 中1 8 8 恤 4 西1 2 4 中1 6 3 1 7 ．1 7 6 ．84 o 4 5 0 8 巾1 8 3 7 0 4 0 0 知幽 3 7 0 3 7 0 钟1 2 为了掌握砼圈梁中钢筋的实际受力大小及其 变化规律，检验设计的合理性，在1 、2 号试验房的 基础圈梁、拱脚圈梁的不同部位设置了钢筋应力 计，在采动影响期间，进行了长达两年多的观测， 获得了大量数据。 l 、2 号试验房钢筋计具体位置见图3 。位于 纵墙的成对钢筋计如G 2 、G 3 和G 1 8 、G 1 9 在同一 断面中中间上下两根主筋上，断面中仅一根筋计 如G 1 、G 2 0 位于断面中部或左或右钢筋上，位于 内横墙的成对钢筋计如G 4 、G 5 在同一断面中中 部左右两根主筋上。每个试验房布置了1 2 根钢 筋计，钢筋计的直径均为睨2 0 2 钢筋计受力变化规律 图4 为1 号房中G 3 、G 6 、G 1 2 钢筋计应力和 地表测点D 6 一D 7 边地表水平变形随时间变化曲 线。钢筋计应力变化与地表水平变形的变化趋势 大体上一致，即随着地表水平拉伸变形的增大，钢 筋计的拉应力也在同步增大，基础圈梁纵墙上的 G 2 、G 3 、G 6 钢筋计应力均表现出了随时间的增大 规律，与拉伸变形作用下基础圈梁承受较大的拉 应力相一致。位于拱脚内拉梁中的G 1 2 、G 1 1 钢 筋计应力在采动过程中均表现为拉应力，与拱顶 在拱脚水平产生外推力相一致。 图5 为2 号房中G 1 5 、G 1 6 、G 2 4 钢筋计应力和 地表测点D 1 7 一D 1 8 边地表水平变形随时间变化 曲线。钢筋计应力变化与地表压缩变形的变化趋 势大体上一致，但不如1 号房地表拉伸那么明显， 可能与变形值小有关。基础圈梁纵墙上的G 1 3 、 G 1 5 、G 1 9 钢筋计均明显表现为压应力，与2 号房 纵向受压相一致。位于拱脚内拉梁中的G 2 3 、G 2 4 钢筋计应力在采动过程中均表现为拉应力，且应 D 1 D _ 3 叭2 D 2 4 D 1 1 0 2 3 D 1 0 2 2 一D 9 0 2 1 ● o● o o D 2 D 1 4 o o D 3 ∞1 篇 1 6 l ● 1 2 1 0 8 0 ，趟k ，， 唧， G 心； G 1 8 ‘’G l1 G Zl ’、聃’ 图31 、2 号试验房钢筋计布置 G 1 ⋯G 1 2 - 1 号房钢筋计； G 1 3 ⋯G 2 4 ，2 号房钢筋计； D l ⋯D 1 2 1 号房地表测点； D 1 3 ⋯D 2 4 - _ 2 号房地表测点 图41 号房钢筋计应力、地表水平变形随时间变化曲线 力变化规律同1 号房的G 1 2 类似，数值大小也相 差不大。 表2 为2 栋试验房上各钢筋计实测的最大拉 压应力。最大拉应力为1 1 0 御a ，出现在1 号房纵 墙基础圈梁上，仅相当于I 级钢筋设计应力 2 1 0 M P a 的5 2 ％，相当于Ⅱ级钢筋设计应力 3 1 0 M P a 的3 5 ％，即钢筋的抗拉能力没能较大程度 万方数据 迎 生箜垒期煤芷遮j 土 3 3 磊 n P Q ’ ．9 0 ．7 5 ≥、／一‘乏／爻 曼祭专姜 7 ．箩蚨兰≤ 一 ．‘婴％5 口；。 一4 5～7 一一～～～～～ 地发挥出来，也就是说试验房配筋量过大，可以较 大幅度降低配筋。此外，从表2 中还可以看出1 号房钢筋受力普遍比2 号房的大，可见位于受拉 区的1 号房比位于受压区的2 号房受力要大些； 另外，2 栋房上拱脚圈梁的受力均比基础圈梁受 力要小些，不论受拉、受压区，建筑物基础是最大 受力部位；横墙圈梁的受力比纵墙圈梁受力要小 些，即受力与墙的长度成正比，横墙比纵墙长度 小，所以横墙中圈梁的受力要比纵墙的小；纵墙长 度方向中部受力要比端部大些，如G 2 、G 3 要比G 6 的拉力大些。 表2实测钢筋计的最大应力值 房 钢最大拉应力最大压应力 筋 主要受 号 计 位置 应力值观测应力值观测 力性质 号 M P h 时间胁时间 C 2基圈纵墙9 82 0 0 0 ．1 ．2 02 41 9 9 8 ．6 ．5 拉 G 3 基圈纵墙 1 1 02 0 0 0 ．1 ．2 03 11 9 9 8 ．8 ．9 拉 G 4基圈横墙61 9 9 9 ．1 ．1 52 51 9 9 9 ．6 ．1 0压 G 5 基圈横墙 3 42 0 0 0 ．1 ．2 04 01 9 9 8 ．6 ．5 拉 1 e 6 基圈纵墙 8 32 0 0 0 ．1 ．2 07 1 9 9 8 ．9 ．1 4拉 C r 7 基圈纵墙 O1 9 9 r 7 ．1 1 ．1 73 5 1 9 9 8 ．9 ．1 4 压 G 1 0 拱脚圈梁纵墙 2 12 0 0 0 ．1 ．2 03 l1 9 9 8 ．5 ．5 拉 G l l 拱脚内拉梁 2 1 1 9 9 8 ．5 ．5 一8 1 9 9 8 ．6 ．5拉 G 1 2拱脚内拉梁5 52 0 0 0 ．1 ．2 0 01 9 9 7 ．1 1 ．1 7拉 G 1 3基圈纵墙01 9 9 1 9 ．1 1 ．2 0 2 8 1 9 9 1 9 ．4 ．2 6压 G 1 4基圈纵墙 1 8 1 9 9 1 9 ．1 2 ．1 6 1 3 1 9 9 1 9 ．8 ．1 6不明显 G 1 5基圈纵墙O1 9 9 r 7 ．1 1 ．2 03 11 9 9 8 ．9 ．1 4压 G 1 6基圈横墙3 02 0 0 0 ．1 ．2 01 81 9 9 8 ．6 ．5不明显 G 1 7基圈横墙1 81 9 9 1 9 ．1 ．1 52 31 9 9 9 ．5 ．2 4不明显 G 1 8基圈纵墙2 21 9 9 9 ．1 ．1 51 21 钙1 9 ．6 ．1 0不明显 2 G 1 9基圈纵墙01 9 9 r 7 ．1 1 ．2 03 71 9 9 8 ．8 ．1 9压 G 2 0 拱脚圈梁纵墙 01 9 9 r 7 ．1 1 ．2 04 51 9 9 1 9 ．1 ．1 5压 C 2 1 拱脚圈梁纵墙 2 92 ∞O ．1 ．2 0一1 91 9 9 8 ．7 ．1 7拉 G 2 2 拱脚圈梁纵墙 2 01 9 9 8 ．1 2 ．32 l1 9 9 8 ．1 2 ．1 6不明显 G 2 3 拱脚内拉梁 4 42 0 0 0 ．1 ．2 001 9 9 r 7 ．1 1 ．2 0拉 G 2 4拱脚内拉梁5 92 0 0 0 ．1 ．2 001 9 9 r 7 ．1 1 ．2 0拉 3 结论 1 农房采取钢砼圈梁、柱刚性骨架体系和水 平滑动层等抗变形结构措施，经受了综放开采的 大变形影响，农房得到了有效保护。 2 实测钢筋计应力表明，受拉区的房屋比受 压区的房屋受力要大些，基础圈梁是试验房最大 受力构件，受力大小与墙的长度成正比，沿墙长度 方向中部受力要比端部的大些。 3 试验实测钢筋计应力最大值仅为 1 1 0 M P a ，远远小于钢筋抗拉强度，在今后推广中 可以较大幅度降低配筋量。 参考文献 1 仲继寿，采动区砌体结构房屋变形控制设计，煤炭工 业出版社，1 9 9 5 责任编辑马光辉 } m 5 蝌w 图 万方数据