摘要： 本文通過對(duì)一五星級(jí)酒店的設(shè)計(jì)管理過程的描述和分析，深入、詳細(xì)地探討了建設(shè)在采空區(qū)上方體形復(fù)雜的高層建筑，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的關(guān)鍵點(diǎn)和采用的抗變形的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及采取的抗變形的措施。積累了建設(shè)在特殊場(chǎng)地上的建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)管理的經(jīng)驗(yàn)、在保證建筑物的安全性、經(jīng)濟(jì)性和合理性的前提下，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)管理的能力。同時(shí)，也證明了只要經(jīng)過科學(xué)的分析計(jì)算，采取正確的結(jié)構(gòu)措施，在采空區(qū)上方同樣能建造出經(jīng)濟(jì)、合理、高級(jí)、復(fù)雜的建筑。

關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；采空區(qū) ； 抗變形設(shè)計(jì)；構(gòu)造措施

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，在原采煤區(qū)遺留下的采空區(qū)上方，正進(jìn)行著大量的工程建設(shè)。由于對(duì)工程的要求不斷提高，規(guī)模不斷增大，投資也不斷地增多。如何保證建設(shè)工程的安全、經(jīng)濟(jì)、合理、實(shí)用，給設(shè)計(jì)人員和建設(shè)方工程師提出了新的課題和更高的要求。本公司擬在安徽省淮北市的采空區(qū)上方建設(shè)一五星級(jí)高檔酒店。為保證擬建建筑滿足高質(zhì)量的要求，設(shè)計(jì)人員和甲方工程師，對(duì)該工程的科學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了不斷地探討和分析，并找到合理科學(xué)的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。

1 擬建工程概況：

擬建酒店地上部分為主樓七層，兩棟附樓各為二層、三層，主樓和附樓連為一建筑整體；地下部分為一層。建筑總高度28.45米，屬二類高層。地上建筑面積共41500平方米，地下建筑面積共17000平方米。建筑總平面呈“5”字形布局，總長(zhǎng)285米，主要進(jìn)深為18米。該建筑的特點(diǎn)為：?jiǎn)误w體量大、縱向長(zhǎng)、層數(shù)變化大，建筑功能布局復(fù)雜，對(duì)建筑品質(zhì)要求比較高。

2 擬建建筑的場(chǎng)地工程地質(zhì)條件：

淮北市建筑勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司對(duì)該工程地塊做了詳細(xì)巖土工程勘察。地質(zhì)勘探所達(dá)深度范圍內(nèi)的地層分布情況如下：

① 層填土（Q4pl）：灰色，松散。主要由粘土、粘性土、粉煤灰及淤泥等組成。本層層底埋深 0.50～5.90m。

②層粉土：淺黃色，飽和，中密狀態(tài)。土面粗糙無光澤，干強(qiáng)度低，韌性弱。本層土層底埋深1.80～7.50 m。

③粉質(zhì)粘土（Q4pl）：青黃雜色，可～硬塑狀態(tài)，搖振反應(yīng)無，光澤反應(yīng)稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，含F(xiàn)e、Mn質(zhì)結(jié)核，含砂礓石，粒徑1.00--8.00mm，該層下部含量較大，局部富集。土質(zhì)較均勻。本層土層底埋深3.30～9.80 m。

④粘土（Q4pl）：棕紅色，硬塑狀態(tài)，搖振反應(yīng)無，光澤反應(yīng)有光澤，干強(qiáng)度高，韌性硬，土質(zhì)較均勻。含砂僵石，局部富集.夾薄層粉土，淺黃色，濕，中密狀態(tài)，厚0.20～0.40米。本層層底埋深17.60～23.40 m。該層分布普遍。

⑤層粉砂（Q4al）：淺黃色，飽和，中密狀態(tài)，土質(zhì)均勻。本層未揭穿。

3 采空區(qū)地基穩(wěn)定性安全評(píng)估：

按規(guī)定，甲方邀請(qǐng)煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院對(duì)該工程地質(zhì)進(jìn)行地基穩(wěn)定性評(píng)估，并形成《評(píng)估報(bào)告》。《評(píng)估報(bào)告》主要結(jié)論如下：

1、商務(wù)酒店擬建場(chǎng)區(qū)內(nèi)地表最大殘余下沉為540mm；最大傾斜變形、最大水平拉伸變形及最大水平壓縮變形均小于Ⅰ級(jí)。變形值詳見附圖1-1（商務(wù)酒店區(qū)域煤層工作面開采結(jié)束后殘余下沉等值線圖）；附圖1-2（商務(wù)酒店區(qū)域煤層工作面開采結(jié)束后殘余傾斜等值線圖）；附圖1-3（商務(wù)酒店區(qū)域煤層工作面開采結(jié)束后殘余水平變形等值線圖）。為了保證新建建筑物今后的正常安全使用，必須要對(duì)新建建（構(gòu)）筑物采取能夠抵抗地表相應(yīng)殘余變形的抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)措施。（附圖如下：）

2、擬建商務(wù)酒店建筑物的荷載影響深度（H影）不會(huì)使垮落斷裂帶重新移動(dòng)（該區(qū)域煤層最小埋深為250m）。商務(wù)酒店主體工程一部分位于354采區(qū)上山煤柱正上方，另一部分位于老采空區(qū)上方。老采空區(qū)的活化導(dǎo)致變形不均勻，對(duì)建筑主體產(chǎn)生應(yīng)力集中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮，且必須對(duì)建筑物實(shí)施相應(yīng)的抗變形措施并對(duì)地基進(jìn)行特殊處理。

3、建議建立地表及建筑物沉降觀測(cè)站，定期進(jìn)行觀測(cè)，以便監(jiān)測(cè)采空區(qū)地表及建筑物的下沉情況，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)處理。

4 建筑設(shè)計(jì)管理過程中的把控重點(diǎn)、方法和解決措施

根據(jù)采空區(qū)地質(zhì)的特殊性，一般要求擬建建筑物體量小，平立面規(guī)則，有較好地抵抗變形的能力。而擬建的商務(wù)酒店，平立面布局復(fù)雜，縱向長(zhǎng)度近300米，對(duì)建筑物的品質(zhì)要求高。因此該擬建建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在解決地基殘余變形影響問題上有很大難度。

根據(jù)《工程采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)估報(bào)告》結(jié)論和擬建建筑的特點(diǎn)，我們?cè)趯?duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)管理過程中，積極與設(shè)計(jì)方溝通探討，并多次邀請(qǐng)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)專家對(duì)樁基方案、基礎(chǔ)方案、上部結(jié)構(gòu)方案等進(jìn)行評(píng)審，各方達(dá)成共識(shí)，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)把控，并形成可行、有效的解決方案，具體描述如下：

4.1、 樁基和基礎(chǔ)抗變形問題的分析方法和解決措施

根據(jù)《工程采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)估報(bào)告》分析，該項(xiàng)目最大的地表殘余下沉為540mm，而最大傾斜變形、最大水平拉伸變形及最大水平壓縮變形均小于Ⅰ級(jí)。所以在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是考慮最大殘余下沉變形影響為主，傾斜變形和水平拉伸變形為輔。從而在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中主要采用以下分析方法：

4.1.1、根據(jù)地質(zhì)情況和上部荷載情況分析，該建筑需要采用樁基基礎(chǔ)。樁基選型上做鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁兩種樁型方案的比較。這兩種樁型在當(dāng)?shù)鼐袕V泛應(yīng)用，有比較豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)方對(duì)這兩種樁型的單樁豎向、水平承載力特征值，樁的水平、豎向剛度，施工可行性，樁和承臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性均作分析比較，并向甲方提供書面材料；

4.1.2、 在樁基設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)樁的試樁曲線，引入樁的水平和豎向剛度，計(jì)算樁的受力情況；

4.1.3、結(jié)合地下室建筑功能，基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆承臺(tái)+條形基礎(chǔ)+防水板。根據(jù)沉降變形等值線圖，獲得各點(diǎn)的豎向位移場(chǎng)，在底板各節(jié)點(diǎn)輸入強(qiáng)迫位移，考慮殘余沉降對(duì)基礎(chǔ)的影響，從而分析基礎(chǔ)的受力情況，合理配置基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；

4.1.4、根據(jù)水平變形率等值線圖，以結(jié)構(gòu)地下室中點(diǎn)為不動(dòng)點(diǎn)，推導(dǎo)出水平變形場(chǎng)，并據(jù)此給樁輸入強(qiáng)迫水平位移，考慮水平變形對(duì)樁基和基礎(chǔ)的影響。

4.1.5、 對(duì)結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行計(jì)算分析；在上述分析的結(jié)果上，引進(jìn)結(jié)構(gòu)的重力、溫度等作用，復(fù)核基礎(chǔ)組合承載力。

通過上述方法的計(jì)算分析和經(jīng)濟(jì)性比較，并結(jié)合當(dāng)?shù)匾呀üこ探?jīng)驗(yàn)和施工經(jīng)驗(yàn)，最終該項(xiàng)目的樁基采用預(yù)應(yīng)力管樁，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土承臺(tái)+鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)+防水板。在底板、地梁、承臺(tái)的配筋計(jì)算時(shí)，考慮地基殘余變形的不利影響，合理提高配筋率。經(jīng)驗(yàn)表明，選用的基礎(chǔ)形式整體剛度大，抗變形能力強(qiáng)，可以較好地抵抗殘余變形的不利作用。同時(shí)也控制了樁基工程和基礎(chǔ)工程的造價(jià)，節(jié)約了成本。

4.2、上部結(jié)構(gòu)的抵抗地基變形的方法和措施：

4.2.1、設(shè)置沉降縫和伸縮縫

經(jīng)驗(yàn)表明，沉降縫是設(shè)計(jì)采空區(qū)建筑物時(shí)采用的基本措施之一，是保護(hù)采空區(qū)建筑物免受損壞、經(jīng)濟(jì)而有效的方法。

經(jīng)過和設(shè)計(jì)方多次討論、分析，根據(jù)建筑功能、層數(shù)、平面布局等因素，將擬建酒店分為ABC三個(gè)區(qū)塊，并在區(qū)塊之間及樓層高低跨間共設(shè)三條沉降縫。同時(shí)根據(jù)規(guī)范和建筑平面功能要求，另設(shè)二條伸縮縫。由此，整個(gè)建筑分成六個(gè)獨(dú)立規(guī)則的區(qū)塊，提高建筑物的抗變形的能力，消除平立面不規(guī)則帶來的扭轉(zhuǎn)偏心的不利影響。沉降縫和伸縮縫在上部建筑上采用標(biāo)準(zhǔn)圖集的做法。同時(shí)考慮抗震嵌固端的要求和土體壓力平衡的需求，沉降縫在地下室部分采用雙墻雙縫的做法。

4.2.2、上部結(jié)構(gòu)的抵抗變形的設(shè)計(jì)方法和措施。

通過對(duì)建筑功能要求、層數(shù)、荷載等因素的分析，上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。經(jīng)驗(yàn)表明，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的抵抗不均勻沉降的能力。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，將場(chǎng)地的最大殘余變形值和轉(zhuǎn)角施加到相應(yīng)柱底，然后通過有限元方法計(jì)算出在附加作用下框架的內(nèi)力。因?yàn)閿M建建筑結(jié)構(gòu)體形比較復(fù)雜，對(duì)沉降變形要求比較高，所以在考慮附加作用的同時(shí)也考慮了時(shí)間的因素，即將擬建建筑置于該場(chǎng)地的面位移場(chǎng)的相應(yīng)位置，計(jì)算出框架柱下在某一時(shí)刻的附加位移。通過這種抗采動(dòng)設(shè)計(jì)，可以比較科學(xué)清晰地分析復(fù)雜建筑的受力狀況，從而可以經(jīng)濟(jì)合理地做框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合理準(zhǔn)確地配置鋼筋，避免了不必要的浪費(fèi)。

在框架設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）、框架結(jié)構(gòu)平面、立面布置應(yīng)盡可能的規(guī)則，單跨跨度不宜太大；

（2）、嚴(yán)格把握抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的原則，從概念設(shè)計(jì)上考慮采動(dòng)影響與地震作用的耦合；

（3）、對(duì)于框架節(jié)點(diǎn)，考慮塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，以加強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)的“柔性”；

（4）、樓板應(yīng)采用現(xiàn)澆樓板；

（5）盡量不設(shè)或者少設(shè)置懸挑結(jié)構(gòu)；

4.2.3、采取有效的抗變形構(gòu)造措施

地基的殘余變形會(huì)使建筑物的墻體出現(xiàn)開裂，裂縫特別容易出現(xiàn)在門窗洞口等薄弱部位。所以需要在填充墻、門窗洞口等部位采取抵抗變形的措施。比如：墻和柱梁連接處設(shè)拉結(jié)筋、布鋼絲網(wǎng)片；長(zhǎng)度或高度大于4米的墻，在墻中設(shè)構(gòu)造柱或水平拉梁；窗洞口處設(shè)鋼筋混凝土框，并和主體有可靠的連接等等。以上措施在工程應(yīng)用中，均能很好地預(yù)防墻體開裂和門窗洞口的裂縫，提高建筑物的使用品質(zhì)。

4.3、建立地表及建筑物沉降觀測(cè)站，定期進(jìn)行觀測(cè)

在工程建設(shè)過程中及工程完工后，都要建立完善的觀測(cè)制度和觀測(cè)方法，并由專人定期進(jìn)行工作，客觀準(zhǔn)確地記錄采空區(qū)地表及建筑物的下沉情況，如發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時(shí)采取措施。

5 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展和城市化的進(jìn)程，會(huì)有越來越多的建設(shè)活動(dòng)在特殊地質(zhì)上進(jìn)行。通過在設(shè)計(jì)階段對(duì)特殊地質(zhì)條件不利影響的充分考慮，經(jīng)過科學(xué)的計(jì)算分析，并采取正確、可行的措施，同樣能保證該建筑的安全性、及后期的正常使用，同時(shí)控制建設(shè)成本，避免無謂地增加造價(jià)。而作為一名工程師，通過對(duì)該工程設(shè)計(jì)的管理，積累了一定的采空區(qū)工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)把控方法和要點(diǎn)，提高了設(shè)計(jì)管理的綜合能力。

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