淺談煤礦主要建（構(gòu)）筑物的抗震設(shè)計(jì)

潘江華

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司工程部，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

0 引言

每次地震的發(fā)生都會(huì)對(duì)人類造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)的損失。我國(guó)是一個(gè)地震活動(dòng)比較頻繁的國(guó)家，為了減小地震對(duì)煤礦主要建（構(gòu)）筑物的損害程度，保證礦區(qū)工人的生命財(cái)產(chǎn)安全，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須對(duì)結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)有一定的了解。

唐山地震發(fā)生時(shí)間為1976年7月28日3時(shí)42分，震級(jí)7.8級(jí)，震中位置為北緯39.4°，東經(jīng)118.2°；震中烈度11度，震源深度12～16k m。開(kāi)灤煤礦局所屬唐山礦的烈度為11度，馬家溝礦10度。震后的唐山礦基本上是一片廢墟，除了三座鋼結(jié)構(gòu)井架有部分桿件彎曲，還基本完好的挺立在工業(yè)廣場(chǎng)上外，鋼筋混凝土井塔塔壁斷裂，上部平移落地；鋼筋混凝土煤倉(cāng)倉(cāng)底柱傾斜，部分倒塌；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的洗煤車間，柱子多處出現(xiàn)鋼筋外露呈燈籠狀或多條斜裂縫、交叉裂縫；皮帶走廊嚴(yán)重破壞或倒塌，磚混結(jié)構(gòu)基本倒塌。經(jīng)過(guò)加固和重建后，2013年回訪發(fā)現(xiàn)，這些建（構(gòu)）筑物除了個(gè)別的由于工藝改造或其他原因已拆除以外，絕大多數(shù)都還在使用著。盡管1976年當(dāng)時(shí)我國(guó)的建筑抗震規(guī)范不完善，但歷經(jīng)30多年風(fēng)風(fēng)雨雨的生產(chǎn)實(shí)踐及幾十次的4～5級(jí)地震考驗(yàn)（據(jù)唐山地震局提供的資料，在唐山老震區(qū)198 0年以來(lái)4.0級(jí)以上地震有24次，最大一次發(fā)生在1995年震級(jí)5.0級(jí)），證明其設(shè)計(jì)基本上是合理的，當(dāng)時(shí)采取的一些措施是合適的［1］。

1 設(shè)計(jì)回訪調(diào)查

本次回訪是在震后30周年，由中國(guó)煤炭設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)組織原參建十一家設(shè)計(jì)院，近40人的隊(duì)伍，對(duì)開(kāi)灤煤礦局進(jìn)行震后恢復(fù)建設(shè)的項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)走訪調(diào)查，唐山礦和馬家溝礦為中煤國(guó)際工程集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司援建項(xiàng)目，調(diào)查結(jié)果如表1所示。

2 主要建（構(gòu)）筑物地震破壞情況的分析

開(kāi)灤煤局始建于清朝末期的老礦區(qū)，各礦內(nèi)的建（構(gòu)）筑物建成年代不一，過(guò)去的唐山地區(qū)又是不考慮抗震設(shè)防，所以唐山地震對(duì)礦山地面建（構(gòu)）筑物造成的破壞比較嚴(yán)重，下面對(duì)唐山地震中礦山主要建（構(gòu)）筑物的破壞情況做一下分析。

2.1 井架

唐山礦和馬家溝礦均采用豎井開(kāi)采，結(jié)構(gòu)形式主要有：六柱式鋼井架(十四座)；六柱式鋼和磚組合井架(即井架的立架和斜架上部為鋼，下部為磚砌體，共九座)；六柱式現(xiàn)澆鋼筋混凝土井架(一座)，六柱式裝配式鋼筋混凝土井架(一座)，混合井架(鋼天輪架、磚立架一座)，共二十六座。在唐山地震中除一座混合井架在地震中倒塌外，其余各井架均未倒塌，其中六柱式鋼井架、鋼筋混凝土井架破壞均較輕，鋼和磚組合井架破壞較重。

表1.設(shè)計(jì)回訪調(diào)查項(xiàng)目明細(xì)表

唐山礦一號(hào)井鋼井架，高35米，震后，箕斗安裝孔框口上方，立柱呈s狀變形，井架側(cè)面在該部位上下的兩個(gè)節(jié)間內(nèi)米字形腹桿，有的被壓成折線形，有的在節(jié)點(diǎn)處斷裂。井架向南傾斜約40毫米，向西傾斜約8 0毫米。斜架基礎(chǔ)的地腳螺栓向上拔起10毫米。

唐山礦二號(hào)井鋼井架，高37.8米，震后，立架最上節(jié)間(標(biāo)高22.5～26.5米)四根立柱都不同程度的呈s狀彎曲，井架頭部明顯向南偏移，天輪平臺(tái)向南傾斜。據(jù)實(shí)測(cè)天輪平臺(tái)中心向南偏移約400毫米，向西偏移約40毫米，該節(jié)間前后桁架內(nèi)的立桿和斜桿也都有彎曲，節(jié)點(diǎn)處連接鉚釘被剪斷。斜架南側(cè)弦桿，其中一肢在標(biāo)高約9米處彎折，使該桁架上部下沉約250毫米，北側(cè)弦桿，在該處也有彎曲和扭轉(zhuǎn)。斜架腹桿與工字鋼樓面梁連接處(標(biāo)高13.5米)鉚釘被剪斷，標(biāo)高13.5米以下斜架腹桿都有不同程度的彎曲和扭轉(zhuǎn)。

唐山礦三號(hào)井鋼井架，高30米，震后，天輪平臺(tái)中心向西偏移90毫米，向北偏移120毫米，立架未見(jiàn)損壞。斜架上部基本完好。下部在井口房以外部分，被井口房西山墻頂部女兒墻的塌落砸壞。斜架基礎(chǔ)的四個(gè)地腳螺栓，一個(gè)被剪斷，三個(gè)被拉長(zhǎng)。

震后重建時(shí)，這三座井架僅用多臺(tái)穩(wěn)車和千斤頂進(jìn)行了整體糾偏扶正，對(duì)局部桿件進(jìn)行了更換，對(duì)斜架基礎(chǔ)和錨栓進(jìn)行了修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)，維修量并不大，整個(gè)修復(fù)工期僅用了一個(gè)月，目前仍在使用，狀態(tài)良好。由此可見(jiàn)鋼結(jié)構(gòu)井架的抗震性能是很好的，今后在設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先選擇鋼結(jié)構(gòu)井架，特別是在高烈度區(qū)。

2.2 多繩提升井塔

唐山礦新風(fēng)井井塔為多繩提升井塔，結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。震后，唐山礦新風(fēng)井井塔在底層門(mén)洞頂部斷裂，上部塔身平移落在地上。其破壞的主要原因是塔身下部開(kāi)了兩個(gè)寬4.8米、高4.5米的進(jìn)出車門(mén)洞，大大削弱了井塔下部截面，井塔截面剛度產(chǎn)生突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中，而門(mén)洞周邊的加固梁柱構(gòu)造又有一些缺陷，在11度的大地震作用下，使井塔斷裂破壞。震后新建的唐山礦新風(fēng)井井塔，是利用原有井塔完好的倒圓錐殼基礎(chǔ)，塔身為正八邊形，空間鋼桁架組成的鋼結(jié)構(gòu)，目前仍在使用，狀態(tài)良好。由上述可以看出細(xì)節(jié)決定成敗，局部影響全局，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)及局部設(shè)計(jì)。

2.3 皮帶走廊

唐山礦和馬家溝礦共有10條皮帶走廊，從地震后破壞來(lái)看，上部結(jié)構(gòu)為混合式（用磚墻、鋼筋混凝土屋面板或木屋架瓦頂?shù)淖呃葹榛旌鲜剑┑钠茐淖顬閲?yán)重，大部分倒塌，少數(shù)未倒者，墻上也有不少裂縫，而其他類型走廊則多經(jīng)受住了此次強(qiáng)烈地震的考驗(yàn)，幾乎沒(méi)有什么破壞(不包括由于支座位移而引起的走廊上部結(jié)構(gòu)破壞)。從走廊下部支架來(lái)看，鋼及鋼筋混凝土支架未倒塌，但鋼筋混凝土支架的梁、柱上出現(xiàn)了一些較大的裂縫或斷裂；磚石支架裂縫更大，有的倒塌；鋼支架基本完好。震后唐山礦皮帶走廊，除入洗原煤皮帶走廊外，均原地重建。

皮帶走廊在唐山地震中，總體破壞是比較嚴(yán)重的，這反映了皮帶走廊抗震能力相對(duì)較弱，在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別予以重視。皮帶走廊抗震能力較弱的主要原因是：①整條皮帶走廊下部?jī)H由幾榀支架支承著，頭重腳輕，整體剛度相對(duì)較弱；②皮帶走廊一般都是傾斜的，一端高一端低，在地震作用下會(huì)有較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；③走廊兩端與其他建（構(gòu)）筑物相聯(lián)，如果之間未用縫分開(kāi)時(shí)，兩者的自震周期和震型都會(huì)有較大的差別，從而造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。這些抗震不利因素都應(yīng)該在走廊的抗震設(shè)計(jì)中予以特別注意。這次調(diào)查，唐山礦皮帶走廊修復(fù)加固后，目前均正在使用，狀態(tài)良好。

2.4 煤倉(cāng)(裝車倉(cāng))

鋼筋混凝土方倉(cāng)倉(cāng)體本身具有較大的剛度，抗震性能好，震害多表現(xiàn)在煤倉(cāng)下部柱和倉(cāng)頂室部分，少數(shù)單排煤倉(cāng)倒塌或局部倒塌。鋼筋混凝土筒倉(cāng)震后基本完好，震害主要表現(xiàn)為磚混結(jié)構(gòu)的倉(cāng)頂室倒塌；磚砌圓筒倉(cāng)大部分倒塌。震后唐山礦煤倉(cāng)除原煤倉(cāng)南側(cè)兩跨斷裂倒塌重建外，其余經(jīng)加固維修后均繼續(xù)使用。建議地震區(qū)的煤倉(cāng)，應(yīng)盡量采用鋼筋混凝土筒倉(cāng)，少采用框架支承的鋼筋混凝土方倉(cāng)，不應(yīng)采用磚煤倉(cāng)，特別是在高烈度區(qū)。鋼筋混凝土煤倉(cāng)的倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)，也應(yīng)采用鋼筋混凝土及鋼結(jié)構(gòu)，不應(yīng)采用磚混結(jié)構(gòu)。這次調(diào)查，唐山礦煤倉(cāng)修復(fù)加固后，使用狀態(tài)良好。

2.5 洗煤廠主廠房、主井井口房等鋼筋混凝土框架房屋

唐山礦和馬家溝礦的洗煤廠主廠房、主井井口房及選矸樓等，雖破壞程度不一，但倒塌和局部倒塌的現(xiàn)象甚少，主要破壞為層間的梁端、柱頂混凝土壓碎斷裂，鋼筋彎曲外露，少數(shù)框架柱的底部及較短粗框架柱的中部也有斷裂破壞現(xiàn)象。其破壞形式主要有：①框架節(jié)點(diǎn)柱頭的局部水平裂縫和梁端的豎向裂縫，嚴(yán)重者裂縫貫通截面；②柱端混凝土壓碎，鋼筋外露；③柱端混凝土壓碎、崩落，鋼筋彎曲；④柱端混凝土散落，鋼筋壓彎成燈籠狀；⑤梁端及柱中部的斜裂縫。

震后唐山礦選煤廠水洗車間框架梁及柱的震害較嚴(yán)重，大部分構(gòu)件均遭到破壞，總破壞率高達(dá)71.0%，越向上梁、柱構(gòu)件的破壞越重，頂層的框架梁和柱幾乎全部遭受破壞，但整個(gè)結(jié)構(gòu)并沒(méi)有倒塌。浮選車間震害較水洗車間輕，兩者經(jīng)加固維修后，使用狀態(tài)良好。由上可以看出框架結(jié)構(gòu)，震害主要發(fā)生在梁柱節(jié)點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

通過(guò)上述資料情況可以看出鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)震害較輕，倒塌現(xiàn)象也較少，抗震能力較強(qiáng)，材料韌性較好，過(guò)去雖未設(shè)防，很多卻經(jīng)受住了9～11度強(qiáng)震和多次余震的考驗(yàn)，處于“裂而未倒”的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)修復(fù)仍可繼續(xù)使用。少數(shù)破壞倒塌，原因是多方面的，主要是結(jié)構(gòu)本身的弱點(diǎn)或處置不當(dāng)?shù)取Ｒ虼?，在認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，改善其布置，增強(qiáng)抗震措施，是可以進(jìn)一步提高其抗震能力的。另外隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)力的增強(qiáng)，特別是日本大地震中，有主動(dòng)抗震設(shè)施的建筑物，破壞損失都較小，在設(shè)計(jì)中對(duì)一些重要建筑物，因震后產(chǎn)生災(zāi)害性大，涉及人員多，增加主動(dòng)抗震措施，以減少災(zāi)害。

3 結(jié)論

通過(guò)此次對(duì)開(kāi)灤煤礦局所屬唐山煤礦和馬家溝煤礦主要建（構(gòu)）筑物的震后破壞情況分析和重建建筑物使用情況的調(diào)查可以看出：在進(jìn)行煤礦建（構(gòu)）筑物抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用下面構(gòu)造措施［2～6］：

（1）設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選用抗震能力較強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混土結(jié)構(gòu)。

鋼結(jié)構(gòu)是抗震能力的結(jié)構(gòu)，鋼材延性好、自重輕、強(qiáng)度高，具有良好的抗震性能，但在井架與井口房或其它鄰近建筑物的連接上、井架剛度中心與質(zhì)量中心在地震力作用下對(duì)井架整體產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)作用及結(jié)構(gòu)的防火措施等方面都有待進(jìn)一步提高；

（2）結(jié)構(gòu)布置要規(guī)整，受力要明確，盡量避免剛度局部突變現(xiàn)象。

首先工藝布局要合理，重型設(shè)備盡量下放，例如多繩提升絞車，需把絞車大廳放在井塔的頂部，這樣使得井塔成為一個(gè)“頭重腳輕”的高聳建筑物，工藝布置對(duì)抗震較為不利；其次井塔設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土較為有利，其斷面可為圓形或矩形，可增強(qiáng)井塔的結(jié)構(gòu)韌性，基礎(chǔ)宜選用箱形或倒錐殼，但由于井塔塔身底部往往要開(kāi)洞，斷面削弱，所以洞口必需加固，洞口角部的應(yīng)力集中必須考慮。

（3）細(xì)節(jié)、局部、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)予以重視加強(qiáng)。

千里大堤，潰于蟻穴，局部影響全局，在多高層房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的組成部分。連接節(jié)點(diǎn)是保證梁與柱協(xié)同工作、形成結(jié)構(gòu)整體的關(guān)鍵部件，它將直接影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能。當(dāng)按抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)連接承載力應(yīng)高于截面承載力。即在強(qiáng)震作用下，梁端和節(jié)點(diǎn)域應(yīng)產(chǎn)生塑性變形，形成塑性鉸，有效地吸收和耗散能量，使結(jié)構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)大震不倒、小震可修的目的。

（4）應(yīng)對(duì)原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)，找到問(wèn)題的癥結(jié)。

唐山過(guò)去建筑物雖未設(shè)防，很多卻經(jīng)受住了9～11烈度強(qiáng)震和多次余震的考驗(yàn)，處于“裂而未倒”的狀態(tài)，已滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范“當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞”的設(shè)計(jì)理念，這提示我們，應(yīng)按照科學(xué)發(fā)展觀和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的方針，探討對(duì)一些次要建筑物如何節(jié)約建設(shè)資源以及節(jié)約投資的方法。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB50111-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.The National Standard of the People’s Republic of China.GB50111-2010 Code for seismic design of building［S］.Beijing： China Architecture and Building Press，2010.

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