基于性能的礦山鋼井架抗震設計方法探析

馮真

（中國煤炭科工集團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計方法探析

馮真

（中國煤炭科工集團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、提升機房等，其中對地震作用影響最為敏感的構筑物為井架。遭遇地震后，礦山鋼井架擔負著救災建筑的角色。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計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)實意義。

1 抗震設計基本理論

抗震設計基本理論主要有承載能力設計、位移設計及能量設計[1]，由于能量設計在實際工程的設計中難以應用，故該文僅介紹前兩種基本理論。

1.1 承載能力設計

該方法是我國現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011—2010）[2]（以下簡稱抗規(guī)）所采用的結構抗震設計理論基礎。由表1可以看出現(xiàn)行《抗規(guī)》所采用的結構抗震設計方法是基于承載力并輔以層間位移角驗算的設計。

表1 抗規(guī)承載力設計基本理論

該設計方法雖然能有效的降低地震造成的破壞，但由于其假定結構處于線彈性狀態(tài)，這與實際地震作用時結構可能處于非彈性狀態(tài)不相一致，且基于承載力的抗震設計不能預估結構屈服后的變形能力及在大震時的實際行為，該方法的不足之處還有難以對建筑物進行經(jīng)濟性評估。

1.2 位移設計

該理論是我國現(xiàn)行《抗規(guī)》中可供業(yè)主及設計人員選擇的設計方法，該方法以結構位移作為結構的性能目標，控制主要結構構件在預期地震作用下的位移在一定限值以內(nèi)，以保證結構的安全或可修復狀態(tài)。通過設計位移譜得出結構在此設定位移時的周期，求出此時結構的水平地震作用并進行結構分析及截面設計。預選的截面不能滿足要求時用增大剛度而不是強度的方法來改進截面設計，最終滿足預設的位移目標要求，其核心是以位移目標為基準進行結構構件設計。該理論考慮了位移在抗震性能設計中的重要地位，在設計初始就可明確結構的性能水平，并且可使設計的結構性能正好達到目標性能水平，但是由于該方法計算的復雜性，在現(xiàn)階段的實際工程設計中較難應用。

2 基于性能的抗震設計方法

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

明確結構的性能目標是進行結構性能設計的前提，我國現(xiàn)行《抗規(guī)》提出的結構性能目標見表2。

表2 性能目標

實現(xiàn)表2所列結構性能目標，需要設計人員落實到具體的設計指標，即各地震水準下構件的承載力、變形及細部構造措施。如果僅提高構件的承載力，則結構的安全性有所提高，但結構的變形不一定滿足要求；另若僅提高結構的變形能力，則在多遇地震、設防地震下結構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。所以結構的性能設計一般可采用以構件的承載力為主、結構的變形能力為輔的目標。

3 礦山鋼井架基于性能的設計

《礦山井架設計規(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構形式，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，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移剛度差別較大，結構豎向不規(guī)則；主斜撐和副斜撐抗側移剛度差別較大；主斜撐由于天輪的存在，其重量遠大于副斜撐，質心和剛心距離較遠，地震時結構扭轉較大的特點?！睹旱V礦井建筑結構設計規(guī)范》（GB50592—2010）[4]規(guī)定井架的抗震設防類別為重點設防類，井架為抗震救災關鍵結構，關乎井下工人能否正常升井及生命安全，對盡快恢復生產(chǎn)，將震害損失降到最低非常關鍵；井架是露天高聳結構，結構高大，震后修復加固比較困難，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，一鋼井架的建設費用多數(shù)在1500萬元左右，建設費用并不高，進行基于性能的抗震設計增加的費用并不高。

可見礦山鋼井架為抗震重要結構，且結構復雜，存在抗震薄弱部位；雖建設投資并不大，但震后損失巨大，且難于修復，進行礦山鋼井架基于性能的抗震設計非常可行且尤為必要。

進行礦山鋼井架基于性能的抗震設計一般需做下列工作。

3.1 選定地震動水準

礦山鋼井架的設計使用年限應根據(jù)煤礦礦井的生產(chǎn)服務年限確定，當生產(chǎn)服務年限小于50年的可按50年設計，由于現(xiàn)有煤礦超采情況比較嚴重，生產(chǎn)服務年限大于50年的也可按50年設計。地震動水準可按《抗規(guī)》選多遇地震、設防地震和罕遇地震的地震作用。

3.2 選定性能目標

圖1 雙斜撐式鋼井架簡圖

雖然《構筑物抗震設計規(guī)范》（GB50191—93）[5]規(guī)定在設防烈度為6度和7度地區(qū)的礦山鋼井架設計時可不考慮地震作用，但是從汶川地震得到的經(jīng)驗是設防烈度較低的地區(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)建設的礦山鋼井架也應進行基于性能的抗震設計，而不僅僅是僅在設防烈度為8度的地區(qū)考慮抗震性能設計。礦山鋼井架的抗震性能目標可按表2選性能1。

3.3 選定性能設計指標

基于性能的設計指標中一般有抗震承載力、變形及構造措施。進行礦山鋼井架的性能化設計時考慮到現(xiàn)階段設計的可操作性，可以選擇承載力和變形同時提高的指標。

《礦規(guī)》規(guī)定井架在工作荷載效應組合時的水平變形值，應控制在H/1000以內(nèi)。此規(guī)定已比較嚴格，所以在確定礦山鋼井架的抗震性能設計指標設計時，宜以承載力為主，目的是推遲主斜撐和副斜撐進入塑性工作階段，減少塑性變形；結構構件的承載力提高后相應的位移也會有一定的提高。

在鋼井架結構中最為重要的構件是位于主斜撐支承天輪的天輪支座，若天輪支座安全，天輪就可以正常運轉，該細部需要加強延性構造。當平臺上布置有用以提升交通罐的小天輪時，支承小天輪的梁也應加強。

4 結論

該文研究了礦山鋼井架基于性能的抗震設計方法，得到如下結論：

（1）礦山鋼井架應進行基于性能的抗震設計；

（2）基于性能的礦山鋼井架抗震設計應主要提高主、副斜撐的抗震性能目標；

（3）天輪支座及下天輪平臺以上主斜撐部分為抗震設計關鍵構件，設計中應加強其抗震構造措施。

[1]孫?。こ探Y構基于性能的抗震設計方法研究[J]．四川建筑科學研究，2005，31(1)

[2]GB50011—2010.建筑抗震設計規(guī)范[S]

[3]GB50385—2006.礦山井架設計規(guī)范[S]

[4]GB50592—2010.煤礦礦井建筑結構設計規(guī)范[S]

[5]GB50191—93.構筑物抗震設計規(guī)范[S]

責任編輯：李紅

Performance-Based Aseismic Design ofMine SteelHeadframes

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

結構抗震；構件；承載力；變形；雙斜撐；構造措施

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，工學碩士，助理工程師，主要從事結構設計與研究。