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煤矿栈桥顶升纠倾设计 * 赵来顺 唐丽云 邹仁华 王芝银 西安科技大学 建工学院 西安 710054 摘 要 首次应用数值模拟方法对煤矿栈桥发生较大量下沉、 倾斜问题进行建筑病害分析, 提出柱基下 预压托换桩和斜撑架断柱相结合的综合顶升纠倾法治理方案。结合结构性能分析, 给出顶升纠倾的转动轴 位置、 柱体断口位置、 加载点布置、 加载及位移控制量确定的设计要点, 并用数值模拟方法予以验证, 使后续 施工达到预期目的。 关键词 煤矿栈桥 顶升纠倾 数值模拟 病害治理 LIFTING AND RECTIFYING DESIGN OF COALMINE TRANSSHIPMENT GALLERY Zhao Laishun Tang Liyun Zou Renhua Wang Zhiyin School of Civil Engineering, Xi can University of Science andTechnology Xi can 710054 Abstract Based on analyzing the reason of the settlement and slope of transshipment gallery in coalmine, numerical simulationwas firstly used in analyzing the damage of the building and comprehensive uplifting underpinned piles under column foundation and intercepting brace columns. With analyzing structural function, rotating axis, the intercepting position of column, loading point layout and the decision of load and displacement value were stated. Numerical simulation was used to prove it. Expected targets were achieved in post construction and good effect of treating the specific structure was obtained. Keywords coalmine transshipment gallery lift and rectification numerical simulation damage treatment * 陕西省教委专项科研基金项目 02JK129 。 第一作者 赵来顺 男 1954年 4 月出生 高级工程师 E- mail zhaolsxust. edu. cn 收稿日期 2006- 10- 20 1 工程概况 白水煤矿皮带输送机栈桥担负着原煤输送任务, 是煤矿 地面生产的大动脉。该栈桥为部分钢筋混凝土框架结构、 部 分砖混结构, 总长 173m 框架部分 14812m , 宽 3148m, 最大高 度 3917m 。框架部分有四柱式框架和二柱式框架, 钢筋混凝 土独立基础及筏板基础, 基础埋深 215 310m, 顶部为装配 式走廊。 本栈桥工程于 1994 年 7月建成并投入使用。1995 年框 架部分发 生较 大量不 均匀沉 降和 倾斜, 最大沉 降量 达 552mm, 最大倾斜量达 574mm。为维持正常使用, 对栈桥框 架部分采用增设钢筋混凝土斜撑架受压斜撑架和受拉斜撑 架进行了加固处理。此后栈桥继续发生下沉和倾斜, 据 1999年 8月实测结果, 最大沉降量增大到 770mm, 最大倾斜 量增大到 840mm。另外, 主体框架及后增斜撑架的梁、 柱构 件和节点多处开裂, 个别节点钢筋全部剪断, 局部框架柱发 生较大的弯扭变形, 顶部走廊内构件也多处开裂、 压碎, 个别 板件发生垮落, 而且栈桥下沉与倾斜仍未稳定, 濒临倾倒的 危险, 致使矿井无法正常生产。 经采用数值模拟方法研究分析, 提出并采用了柱基下预 压托换桩和斜撑架断柱相结合的综合顶升纠倾法治理方案。 自 2000年 11 月竣工交付使用后, 经过 4 年的生产考验和定 期观测, 证明栈桥顶升纠倾达到了预期目的, 取得了显著的 技术经济效果, 是一次成功的特种结构下沉、 倾斜病害治理 的研究与实践。 2 栈桥病害的数值模拟分析 211 有限元计算模型 根据栈桥的结构特征, 采用大型有限元程序 ANSYS 软 件包中的结构计算模块进行了数值模拟分析。因栈桥病害 分析所关心的计算结果是在外荷载作用下结构的总体变形 和应力分布情况, 因此选用整体式模型, 将钢筋弥散于整个 单元中, 采用八节点六面体等参数单元。 212 单元分析要点 当开始发生不均匀沉降, 框架结构的变形处于弹性阶段 时, 对单元应力应变利用线弹性理论[1]进行分析。随着不均 匀沉降的进一步发展, 有的单元进入屈服, 在此阶段, 单元的 应力应变按弹塑性方法进行分析。 213 栈桥病害的数值模拟分析 该栈桥发生下沉、 倾斜的主要原因为原设计柱基下级 自重湿陷性黄土处理深度不够[ 3]、 地表水渗入和地面大量堆 84 Industrial Construction Vol137, No 14, 2007工业建筑 2007 年第 37 卷第 4期 煤, 从而引起地基土湿陷下沉, 柱基础发生不均匀沉降, 栈桥 主体向西侧倾斜。另外, 后增设斜撑架虽采用钢筋混凝土灌 注桩基础, 但地基土仍为级自重湿陷性黄土, 且含水量更 大, w 28 31 , 加之地表水渗入和地面大量堆煤, 斜撑 架柱基也发生了不均匀沉降, 架体伴随发生扭转变形, 支撑 架构件发生开裂和局部剪切破坏, 未能有效阻止主体框架继 续下沉和倾斜。 经对现场测试结果分析, 本栈桥既有不均匀下沉, 也有 均匀下沉, 其中不均匀下沉引起栈桥主体发生倾斜, 主体结 构构件的应力和变形发生变化, 以致局部构件发生破坏。因 此, 在数值模拟中, 主要模拟不均匀下沉进行计算分析。 对结构完好状态下建立的有限元模型, 取各柱顶最大倾 斜量 ui及按整体结构发生倾斜时反算的柱基础不均匀下沉 量si作为主要位移控制值, 分级模拟栈桥病害发生、 发展过 程, 最终得到栈桥结构的变形状况及应力分布图, 其中下沉、 倾斜量最大的  l y  l z 轴栈桥主体框架变形状况和应力分布 状况见图 1, 图 1a 为数值模拟栈桥变形状态, 图 1b为数值模 拟栈桥应力分布状况。 注 图中颜色较深部位应力较小, 较浅部位应力较大 图 1 数值模拟栈桥变形及应力分布状况 Fig. 1 Deation and stress distribution of tressel by numerical simulation 分析栈桥病害的数值模拟结果, 得出以下几点结论 1数值模拟所得栈桥变形及应力分布状况与实测变形 及裂缝分布状况图 2基本相符, 裂缝出现位置均为高应力 区, 证明了上述数值模拟分析中建立的计算模型、 参数选取 及单元分析理论和分析方法的正确性和可行性, 可在后续栈 桥病害治理方案设计中继续使用。 图 2  l z轴北立面裂缝分布 Fig. 2 Crack distribution of north elevation at axis l z 2 数值模拟所得应力较大处主要发生在框架下部梁、 柱 节点附近, 尤其梁端的部分单元应力已接近或超过材料的极 限强度, 其中破坏较严重的 l z轴主体框架一层 6号梁的梁端 单元应力见表 1。故在纠倾扶正治理中, 必须考虑结构构件 的残余承载力状况, 对下部梁、 柱节点采取有关加固和拉结 措施, 严格控制加载量, 避免引起较大的应力重分布和结构 后变形, 保证栈桥结构的安全性。 3数值模拟所得栈桥各部分不均匀下沉量作为后续纠 倾时基底顶升位移控制量, 可达到栈桥扶正目的。其中 l y  l z轴主体框架柱基西侧 Y轴 最大不均匀下沉量 si 130 140mm。 4 可选择栈桥整体结构的顶升纠倾方案。因栈桥结构 较高较窄, 长宽比约 49, 最大高宽比约 12, 属高耸构筑物, 故 应合理确定顶升及纠倾位移量, 严格控制加载程序, 保证栈 桥结构的整体性和稳定性。 表 1  l z轴一层 6 号梁梁端单元应力 Table 1 End unit stress of No. 6 beam at axis  l z 单元号3128231283312843128540122401234012440125 下沉倾斜数值模拟梁端单元应力 P MPa21341- 111810185610132- 11201112938116761811 顶升纠倾数值模拟梁端单元应力 P MPa21248- 111490182910134- 11275112657190361465 差率P- 3196- 2173- 311501246112- 2114- 3123- 5108 注 表中/ - 0代表压应力。 3 栈桥顶升纠倾方案设计 根据矿方意见, 为满足矿井扩大生产的需要, 地面应考 虑6m 高堆煤。为最大限度地减小经济损失, 栈桥顶升纠倾 过程中不能停止生产。依据前述栈桥病害的数值模拟分析 结论, 并考虑减小病害治理费用, 经多种方案分析比较, 决定 对本栈桥 l v 轴  l z轴主体框架及相连受压斜撑架部分, 采用 框架柱基下钢筋混凝土预压托换桩反向加载顶升纠倾与受 压斜撑架柱体断柱加载顶升纠倾的综合顶升纠倾法治理方 案。 311 顶升纠倾加载面、 转动轴及斜撑架柱体断口位置的确 定 该栈桥 l v 轴  l x轴为钢筋混凝土独立基础, 基底尺寸 211m 214m,  l y轴 l z 轴为筏板基 础, 基 底尺寸 612m 910m, 上部均为钢筋混凝土框架, 后增斜撑架横梁与主体框 架柱采用刚性连接。为保证原结构的整体性和稳定性, 尽量 减小顶升荷载, 增大顶升力矩, 提高顶升纠倾速度, 将顶升纠 倾加载面选择在主体框架下沉量较大的西侧柱基底面及斜 撑架底层框架柱下部, 将顶升纠倾转动轴选择在下沉量较小 的主体框架柱基础东侧 X 轴边缘, 见图 3。 根据栈桥病害数值模拟分析和模型试验结果分析, 为避 85 煤矿栈桥顶升纠倾设计 赵来顺, 等 免顶升纠倾过程中斜撑柱在断口处产生较大的水平向位移, 应将断口位置选择在斜撑架底层框架柱反弯点附近, 但为保 证断柱托换体系的可靠性, 提高施工操作的方便性, 设计将 斜撑架柱体断口选择在柱反弯点偏下距柱基顶面 115m 处, 断口高度 014m。 312 预压托换桩设计及顶升纠倾加载点布置 病害治理前, 由挖探井补勘, 得第一层黄土层 总厚度 1013m的主要物理力学性质指标变化情况见表 2。由表 2 知, 由于上部荷载的长期作用, 地基土经压实固结, 土性发生 了变化, 原级自重湿陷性黄土改变为 级非自重湿陷性黄 土, 压缩性也由原中至高压缩性改变为中压缩性, 地基土承 载力也有少量提高, 但由于地表水的渗入, 使地基土含水量 加大。因此, 选用钢筋混凝土预压托换桩对原主体框架及斜 撑架地基基础进行加固处理, 并为顶升纠倾提供顶升力。 预压托换桩是利用上部结构自重, 将钢筋混凝土预制桩 自柱基础底面静力压入基底土层内, 由桩身与桩周土之间的 摩擦力形成桩的承载力。压桩结束后, 在桩顶安装顶升加载 装置, 为后续顶升纠倾提供作用力。纠倾完成后, 经桩式托 换, 再将桩与基础锚固在一起, 直接支承上部荷载, 起到增加 柱基承载力及防倾覆作用[4]。设计预压桩断面为 200mm 200mm, 纵筋 4 - 12, 箍筋6 150, 混凝土采用 C30, 每节桩 长 110 112m, 桩尖入土深度 H \12m, 计算单桩承载力标准 值 RK 280kN。根据地面堆煤重量和后续顶升加载量计算, 共需 58 根桩含斜撑架柱基下预压桩, 其中用于顶升加载 的预压桩 28 根。基底预压托换桩布置及顶升纠倾的加载点 布置见图 3。 顶升纠倾转动轴; t 预压托换桩; u 顶升纠倾加载预压托换桩 图3 栈桥基底静压托换桩布置平面 Fig. 3 Layout of static press underpinning pile at the base of the tressel 表 2 地基土原第一层黄土层 变形前后物理力学性质比较 Table 2 Physico -mechanical properties before or after deation of the ground soil 测试时间天然含水率 P 天然重度P kNm- 3 塑性指标 压缩系数 A1- 2 容许承 载力P kPa 容许摩阻力P kPa 湿陷系数 Ds 自重湿陷系数 Dz 1994 年1619141310 180 151 019718301017 0108701016 01067 1999 年1817161211 130 111 01492063001027 0105001004 01014 313 顶升纠倾加载量与位移量的确定 31311 顶升纠倾加载量的确定 顶升纠倾加载量主要取决于结构自重和构件的承载力。 因原有结构构件的承载力受多方面的因素影响, 存在一定的 模糊性, 故可先按结构自重初定顶升力, 再采用模糊评判理 论确定构件的残余承载力, 判断构件的工作性能, 在保证构 件安全性的前提下, 最后确定加载量, 并给出是否对构件采 取加固或改变传力体系的要求。此处仅介绍按结构自重, 并 考虑结构空间效应确定顶升纠倾加载量的基本要点。 为使整体结构绕设计转动面 轴 转动, 应满足式1 式3 M顶GM抗1 M顶 E n i 1 P桩顶Li E n j 1 P撑顶Lj2 M抗GLg3 式中, M顶、 M抗分别为顶升力矩及抵抗力矩; G为考虑荷载 差异及结构空间效应系数包括主体结构纵向约束作用及基 础与周边预留保护回填土的摩擦力作用, 设计中考虑有关 解除约束措施, 取 G为 111; P桩顶、 P撑顶分别为各顶升桩及受 压斜撑柱断口处设计顶升荷载值 P桩顶[ RK ; G 为栈桥主 体结构及斜撑架自重; Li、 Lj、 Lg分别为各荷载 顶升力、 结构 自重作用点至设计顶升纠倾转动轴 线 距离。其中 l y、  l z 轴由公式 1 3 计算所需顶升加载桩 14 根, E P桩顶 3 920kN, EP撑顶 1 600 kN。 31312 顶升纠倾位移量的确定 在对栈桥施行整体顶升纠倾时, 忽略结构本身的弹性变 形, 整个栈桥将绕转动轴发生刚体转动, 如图 4 所示, 各参数 可由整体结构发生刚体转动的关系确定 u H s1 L1 s2 L2 4 式中, u 为主体框架顶升纠偏量; s1、 s2分别为主体框架 柱基底边及斜撑架柱断口处上升量; H 为主体框架柱高; L1、 L2分别为纠倾转动轴线 距主体框架柱基顶升边及斜撑架 断口处距离。 图 4 结构上升、 纠倾关系 Fig. 4 Relation between lifting and rectifying of the structure 86 工业建筑 2007 年第 37 卷第 4期 如对 l y轴  l z轴由前述数值模拟分析结果, 取框架柱基 最大下沉侧上升 s1 110 120mm 时, 由式 4 求得柱顶纠 倾量 u 500 600mm, 可使上部走廊内横向达到基本平整, 满足正常生产的需要, 因此, 设计栈桥最大纠倾量 u \ 500mm。 根据本栈桥几何尺寸, 由式 4 求得顶升纠倾中各部位 的位移量控制比例分别为 uBs1 510, s2Bs1 212, 而 基底各加载点的上升量可由 s1按比例关系确定。 4 栈桥顶升纠倾的数值模拟 对已建立的栈桥整体式有限元模型, 在前述病害模拟结 果的基础上, 再按设计顶升纠倾位移值及各部位位移值分级 模拟顶升纠倾过程, 得加载前后各控制截面应力变化均在 10 以内, 其中 6 号梁梁端应力见表 1, 可见不会引起栈桥结 构产生较大的新变形或新的破坏, 证明设计顶升荷载值和位 移量是合适的, 整体顶升纠倾方案是可行的。 由数值模拟结果, 当对 l y轴  l z轴柱基底顶升 120mm, 柱顶最大纠倾量达到 590mm, 柱顶随同可上升 205mm。设计 在栈桥顶升纠倾后, 再在柱顶对走廊结构进行二次整体顶 升[5], 并取二次顶升量 s柱顶 200mm, 则最终栈桥最大顶升 量可达到 400mm。 5 结 论 1数值模拟方法是框架结构下沉、 倾斜病害分析、 病害 治理方案研究与设计, 以及对治理方案验证的一种有效的辅 助方法; 在结构变形与应力分析方面, 可为制定病害治理方 案提供较为精确的依据, 改变以往很大程度上依赖经验数据 的状况, 在既有建筑病害治理理论和技术的研究方面, 具有 一定的研究和工程应用价值。 2综合顶升纠倾方案, 充分考虑了煤矿栈桥的结构特 性, 可保证原结构的整体性和稳定性, 尤其是利用斜撑架断 柱顶升纠倾, 既避免了自身大量的基础荷载, 且提供了较大 的顶升力矩, 起到节省人力、 物力和财力的显著效果。 3钢筋混凝土预压桩托换法可大幅度增加既有建筑地 基基础的承载能力, 施工质量易于保证, 又可为上部结构顶 升纠倾提供方便的作用力, 在西北黄土地区建筑病害治理和 既有建筑加层改造中具有广阔的应用前景。 参考文献 1 李云鹏, 王芝银. 固体力学有限单元法及程序设计. 西安 西安地 图出版社, 19943- 4 2 Save M A, Massonnet C E. Plastic Analysis and Design of Plates, Shells and Disks, North- Holland Publishing CoMPany, 1972 35- 42 3 GB 50025- 2004 湿陷性黄土地区建筑规范 4 赵来顺, 陈国政. 钢筋混凝土预压桩设计浅析. 西安科技学院学 报, 1999,19 增刊 95- 99 5 赵来顺, 唐丽云, 石玉生, 等. 整体顶升法在栈桥走廊下沉处理中 的应用. 西安科技学院学报, 2004, 24 1 34- 37 上接第 12页 长差异而进行的补偿张拉, 或采用等荷载张拉方法。 具体张拉过程可参照5岩土锚杆 索 技术规程6 CECS 22 2005 条文说明中荷载分散型锚杆补偿张 拉方式相关说明。 4 结 语 随着拉力分散型锚杆在各种深基坑支护工程中 的应用越来越广泛, 其结构合理、 承载力高、 适应性 强、 经济合理等优势也将得到了更好的体现; 压力分 散型锚杆应用经验还不是很多, 还须做进一步分析 与试验; 目前, 分散压力型锚杆多采用的补偿式张拉 方法, 仍无法完全满足理论上等荷载张拉要求, 应提 倡采用等荷载张拉方法。 参考文献 1 CECS 22 2005 岩土锚杆 索 技术规程 2 程良奎, 范景伦, 韩 军, 等, 岩土锚固. 北京, 中国建筑工业出版 社, 2003 3 程良奎. 岩土锚固的现状与发展. 土木工程学报, 2001, 34 3 7- 12 4 尾高英雄, 张满良, 岛山三树男. 关于荷载分散型锚杆及周边岩土 层剪切应力的研究 P P 程良奎, 刘启琛. 岩土锚固工程技术的应用 与发展 国际岩土锚固工程技术研讨会论文集. 北京 万国学 术出版社, 1996 5 Barley A D, Chris R. Windsor. Recent Advances in Ground Anchor and Ground Reinforcement Technology with Reference to the Development of the ArtP P Proc International Conference on Geotechnical and Geotechnical Engineering. Melbourne 2000 6 徐桢祥. 岩土锚固工程技术的发展与回顾 P P徐桢祥. 岩土锚固技 术与西部开发. 北京 人民交通出版社,2002 7 柳建国, 吴 平, 尹华刚, 等. 压力分散型抗浮锚杆技术及其工程 应用. 岩石力学与工程学报, 2005, 24 21 8 程良奎,韩 军. 单孔复合锚固法的理论和实践. 工业建筑, 2001, 31 5 87 煤矿栈桥顶升纠倾设计 赵来顺, 等