馮真

（中國煤炭科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司西安分公司，西安710075）

基于性能的礦山鋼井架抗震設(shè)計(jì)方法探析

馮真

（中國煤炭科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司西安分公司，西安710075）

引言

隨著能源的緊缺及淺層煤的枯竭，向深部煤層開拓已成必然趨勢，開拓深部煤層經(jīng)濟(jì)適用的開拓方式為立井開拓。主井采用立井的井田其副井一般也為立井，況且部分采用斜井開拓的井田，副井也有采用立井的，主井一般用于提升煤炭，副井用于提升矸石，下放材料，上下人員。礦山鋼井架正如雨后春筍般在祖國神州大地日益增多。

與立井開拓方式相配套的提升方式為立井提升，其提升系統(tǒng)中的井口建筑一般有鋼井架、井口房、提升機(jī)房等，其中對地震作用影響最為敏感的構(gòu)筑物為井架。遭遇地震后，礦山鋼井架擔(dān)負(fù)著救災(zāi)建筑的角色。確保礦山鋼井架的安全，對于保證人員安全及減輕震害有著不可忽視的重要性。研究基于性能的礦山鋼井架抗震設(shè)計(jì)方法對于建成安全高效礦井、確保礦山的安全生產(chǎn)有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 抗震設(shè)計(jì)基本理論

抗震設(shè)計(jì)基本理論主要有承載能力設(shè)計(jì)、位移設(shè)計(jì)及能量設(shè)計(jì)[1]，由于能量設(shè)計(jì)在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)中難以應(yīng)用，故該文僅介紹前兩種基本理論。

1.1 承載能力設(shè)計(jì)

該方法是我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）[2]（以下簡稱抗規(guī)）所采用的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。由表1可以看出現(xiàn)行《抗規(guī)》所采用的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是基于承載力并輔以層間位移角驗(yàn)算的設(shè)計(jì)。

表1 抗規(guī)承載力設(shè)計(jì)基本理論

該設(shè)計(jì)方法雖然能有效的降低地震造成的破壞，但由于其假定結(jié)構(gòu)處于線彈性狀態(tài)，這與實(shí)際地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)可能處于非彈性狀態(tài)不相一致，且基于承載力的抗震設(shè)計(jì)不能預(yù)估結(jié)構(gòu)屈服后的變形能力及在大震時(shí)的實(shí)際行為，該方法的不足之處還有難以對建筑物進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估。

1.2 位移設(shè)計(jì)

該理論是我國現(xiàn)行《抗規(guī)》中可供業(yè)主及設(shè)計(jì)人員選擇的設(shè)計(jì)方法，該方法以結(jié)構(gòu)位移作為結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，控制主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件在預(yù)期地震作用下的位移在一定限值以內(nèi)，以保證結(jié)構(gòu)的安全或可修復(fù)狀態(tài)。通過設(shè)計(jì)位移譜得出結(jié)構(gòu)在此設(shè)定位移時(shí)的周期，求出此時(shí)結(jié)構(gòu)的水平地震作用并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及截面設(shè)計(jì)。預(yù)選的截面不能滿足要求時(shí)用增大剛度而不是強(qiáng)度的方法來改進(jìn)截面設(shè)計(jì)，最終滿足預(yù)設(shè)的位移目標(biāo)要求，其核心是以位移目標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)。該理論考慮了位移在抗震性能設(shè)計(jì)中的重要地位，在設(shè)計(jì)初始就可明確結(jié)構(gòu)的性能水平，并且可使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)性能正好達(dá)到目標(biāo)性能水平，但是由于該方法計(jì)算的復(fù)雜性，在現(xiàn)階段的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中較難應(yīng)用。

2 基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法

基于位移的設(shè)計(jì)方法由于現(xiàn)階段不具備可操作性。以承載力設(shè)計(jì)為主的設(shè)計(jì)方法雖然經(jīng)過汶川地震的檢驗(yàn)是行之有效的，但實(shí)際震害也發(fā)現(xiàn)并不能保證結(jié)構(gòu)不倒塌，對控制結(jié)構(gòu)的破壞程度更是束手無策。為了能夠改變這一現(xiàn)狀，要求設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不僅要保證安全，同時(shí)也要控制結(jié)構(gòu)的破壞程度，將損失控制在可以接受的范圍內(nèi)，如此就需要在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，針對不同地震作用水準(zhǔn)，明確結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的性能目標(biāo)。

明確結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的前提，我國現(xiàn)行《抗規(guī)》提出的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)見表2。

表2 性能目標(biāo)

實(shí)現(xiàn)表2所列結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)，需要設(shè)計(jì)人員落實(shí)到具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)，即各地震水準(zhǔn)下構(gòu)件的承載力、變形及細(xì)部構(gòu)造措施。如果僅提高構(gòu)件的承載力，則結(jié)構(gòu)的安全性有所提高，但結(jié)構(gòu)的變形不一定滿足要求；另若僅提高結(jié)構(gòu)的變形能力，則在多遇地震、設(shè)防地震下結(jié)構(gòu)的損壞情況基本沒有變化，僅抵御罕遇地震的倒塌能力提高。所以結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)一般可采用以構(gòu)件的承載力為主、結(jié)構(gòu)的變形能力為輔的目標(biāo)。

3 礦山鋼井架基于性能的設(shè)計(jì)

《礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50385—2006）[3]（以下簡稱礦規(guī)）中介紹了兩種常用鋼井架的結(jié)構(gòu)形式，一種是單斜撐式井架，另一種是雙斜撐式井架。隨著大型、現(xiàn)代化礦井的建設(shè)，由于生產(chǎn)能力的大幅增加，提升能力大的雙斜撐式井架鋼井架越來越多，雙斜撐式鋼井架簡圖見圖1。

礦山鋼井架具有下天輪以上和以下主斜撐側(cè)移剛度差別較大，結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則；主斜撐和副斜撐抗側(cè)移剛度差別較大；主斜撐由于天輪的存在，其重量遠(yuǎn)大于副斜撐，質(zhì)心和剛心距離較遠(yuǎn)，地震時(shí)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)較大的特點(diǎn)?！睹旱V礦井建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50592—2010）[4]規(guī)定井架的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，井架為抗震救災(zāi)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，關(guān)乎井下工人能否正常升井及生命安全，對盡快恢復(fù)生產(chǎn)，將震害損失降到最低非常關(guān)鍵；井架是露天高聳結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高大，震后修復(fù)加固比較困難，重建周期長，且重建需要停產(chǎn)，對煤礦的正常安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響。目前鋼井架加工制作、吊裝加上材料每噸不足2.5萬元，一鋼井架的建設(shè)費(fèi)用多數(shù)在1500萬元左右，建設(shè)費(fèi)用并不高，進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計(jì)增加的費(fèi)用并不高。

可見礦山鋼井架為抗震重要結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在抗震薄弱部位；雖建設(shè)投資并不大，但震后損失巨大，且難于修復(fù)，進(jìn)行礦山鋼井架基于性能的抗震設(shè)計(jì)非?？尚星矣葹楸匾?。

進(jìn)行礦山鋼井架基于性能的抗震設(shè)計(jì)一般需做下列工作。

3.1 選定地震動水準(zhǔn)

礦山鋼井架的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)根據(jù)煤礦礦井的生產(chǎn)服務(wù)年限確定，當(dāng)生產(chǎn)服務(wù)年限小于50年的可按50年設(shè)計(jì)，由于現(xiàn)有煤礦超采情況比較嚴(yán)重，生產(chǎn)服務(wù)年限大于50年的也可按50年設(shè)計(jì)。地震動水準(zhǔn)可按《抗規(guī)》選多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震的地震作用。

3.2 選定性能目標(biāo)

圖1 雙斜撐式鋼井架簡圖

雖然《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50191—93）[5]規(guī)定在設(shè)防烈度為6度和7度地區(qū)的礦山鋼井架設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮地震作用，但是從汶川地震得到的經(jīng)驗(yàn)是設(shè)防烈度較低的地區(qū)并不是沒有發(fā)生大地震的可能性，所以在低烈度地區(qū)建設(shè)的礦山鋼井架也應(yīng)進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計(jì)，而不僅僅是僅在設(shè)防烈度為8度的地區(qū)考慮抗震性能設(shè)計(jì)。礦山鋼井架的抗震性能目標(biāo)可按表2選性能1。

3.3 選定性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

基于性能的設(shè)計(jì)指標(biāo)中一般有抗震承載力、變形及構(gòu)造措施。進(jìn)行礦山鋼井架的性能化設(shè)計(jì)時(shí)考慮到現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的可操作性，可以選擇承載力和變形同時(shí)提高的指標(biāo)。

《礦規(guī)》規(guī)定井架在工作荷載效應(yīng)組合時(shí)的水平變形值，應(yīng)控制在H/1000以內(nèi)。此規(guī)定已比較嚴(yán)格，所以在確定礦山鋼井架的抗震性能設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，宜以承載力為主，目的是推遲主斜撐和副斜撐進(jìn)入塑性工作階段，減少塑性變形；結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力提高后相應(yīng)的位移也會有一定的提高。

在鋼井架結(jié)構(gòu)中最為重要的構(gòu)件是位于主斜撐支承天輪的天輪支座，若天輪支座安全，天輪就可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，該細(xì)部需要加強(qiáng)延性構(gòu)造。當(dāng)平臺上布置有用以提升交通罐的小天輪時(shí)，支承小天輪的梁也應(yīng)加強(qiáng)。

4 結(jié)論

該文研究了礦山鋼井架基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，得到如下結(jié)論：

（1）礦山鋼井架應(yīng)進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計(jì)；

（2）基于性能的礦山鋼井架抗震設(shè)計(jì)應(yīng)主要提高主、副斜撐的抗震性能目標(biāo)；

（3）天輪支座及下天輪平臺以上主斜撐部分為抗震設(shè)計(jì)關(guān)鍵構(gòu)件，設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)其抗震構(gòu)造措施。

[1]孫?。こ探Y(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法研究[J]．四川建筑科學(xué)研究，2005，31(1)

[2]GB50011—2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3]GB50385—2006.礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4]GB50592—2010.煤礦礦井建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[5]GB50191—93.構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

責(zé)任編輯：李紅

Performance-Based Aseismic Design ofMine SteelHeadframes

基于性能的礦山鋼井架抗震設(shè)計(jì)方法，對于建成安全高效礦井有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，該文介紹了如何選定地震動水準(zhǔn)、性能目標(biāo)和性能設(shè)計(jì)指標(biāo)等性能設(shè)計(jì)要求，可為礦山鋼井架基于性能的抗震設(shè)計(jì)提供有意義的參考。

結(jié)構(gòu)抗震；構(gòu)件；承載力；變形；雙斜撐；構(gòu)造措施

The performance-based aseismic design ofmine steel headframes is key to establish a safe and efficientmine.In this paper,requirements for performance-based design like choosing ground vibration standards,performance objectives and performance design index are introduced and can providemeaningful reference forperformance-based aseism ic design ofmine steelheadframes.

performance-based;performanceobjectives;steelheadframes;aseismic design

TU352.1

A

1671-9107（2012）06-0021-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.06.021

2012-04-10

馮真（1983-），男，陜西定邊人，工學(xué)碩士，助理工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。