基于性能的矿山钢井架抗震设计方法探析

冯真

（中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司西安分公司，西安710075）

基于性能的矿山钢井架抗震设计方法探析

冯真

（中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司西安分公司，西安710075）

引言

随着能源的紧缺及浅层煤的枯竭，向深部煤层开拓已成必然趋势，开拓深部煤层经济适用的开拓方式为立井开拓。主井采用立井的井田其副井一般也为立井，况且部分采用斜井开拓的井田，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，上下人员。矿山钢井架正如雨后春笋般在祖国神州大地日益增多。

与立井开拓方式相配套的提升方式为立井提升，其提升系统中的井口建筑一般有钢井架、井口房、提升机房等，其中对地震作用影响最为敏感的构筑物为井架。遭遇地震后，矿山钢井架担负着救灾建筑的角色。确保矿山钢井架的安全，对于保证人员安全及减轻震害有着不可忽视的重要性。研究基于性能的矿山钢井架抗震设计方法对于建成安全高效矿井、确保矿山的安全生产有着重大的现实意义。

1 抗震设计基本理论

抗震设计基本理论主要有承载能力设计、位移设计及能量设计[1]，由于能量设计在实际工程的设计中难以应用，故该文仅介绍前两种基本理论。

1.1 承载能力设计

该方法是我国现行《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）[2]（以下简称抗规）所采用的结构抗震设计理论基础。由表1可以看出现行《抗规》所采用的结构抗震设计方法是基于承载力并辅以层间位移角验算的设计。

表1 抗规承载力设计基本理论

该设计方法虽然能有效的降低地震造成的破坏，但由于其假定结构处于线弹性状态，这与实际地震作用时结构可能处于非弹性状态不相一致，且基于承载力的抗震设计不能预估结构屈服后的变形能力及在大震时的实际行为，该方法的不足之处还有难以对建筑物进行经济性评估。

1.2 位移设计

该理论是我国现行《抗规》中可供业主及设计人员选择的设计方法，该方法以结构位移作为结构的性能目标，控制主要结构构件在预期地震作用下的位移在一定限值以内，以保证结构的安全或可修复状态。通过设计位移谱得出结构在此设定位移时的周期，求出此时结构的水平地震作用并进行结构分析及截面设计。预选的截面不能满足要求时用增大刚度而不是强度的方法来改进截面设计，最终满足预设的位移目标要求，其核心是以位移目标为基准进行结构构件设计。该理论考虑了位移在抗震性能设计中的重要地位，在设计初始就可明确结构的性能水平，并且可使设计的结构性能正好达到目标性能水平，但是由于该方法计算的复杂性，在现阶段的实际工程设计中较难应用。

2 基于性能的抗震设计方法

基于位移的设计方法由于现阶段不具备可操作性。以承载力设计为主的设计方法虽然经过汶川地震的检验是行之有效的，但实际震害也发现并不能保证结构不倒塌，对控制结构的破坏程度更是束手无策。为了能够改变这一现状，要求设计的结构不仅要保证安全，同时也要控制结构的破坏程度，将损失控制在可以接受的范围内，如此就需要在实际工程设计中，针对不同地震作用水准，明确结构应具备的性能目标。

明确结构的性能目标是进行结构性能设计的前提，我国现行《抗规》提出的结构性能目标见表2。

表2 性能目标

实现表2所列结构性能目标，需要设计人员落实到具体的设计指标，即各地震水准下构件的承载力、变形及细部构造措施。如果仅提高构件的承载力，则结构的安全性有所提高，但结构的变形不一定满足要求；另若仅提高结构的变形能力，则在多遇地震、设防地震下结构的损坏情况基本没有变化，仅抵御罕遇地震的倒塌能力提高。所以结构的性能设计一般可采用以构件的承载力为主、结构的变形能力为辅的目标。

3 矿山钢井架基于性能的设计

《矿山井架设计规范》（GB50385—2006）[3]（以下简称矿规）中介绍了两种常用钢井架的结构形式，一种是单斜撑式井架，另一种是双斜撑式井架。随着大型、现代化矿井的建设，由于生产能力的大幅增加，提升能力大的双斜撑式井架钢井架越来越多，双斜撑式钢井架简图见图1。

矿山钢井架具有下天轮以上和以下主斜撑侧移刚度差别较大，结构竖向不规则；主斜撑和副斜撑抗侧移刚度差别较大；主斜撑由于天轮的存在，其重量远大于副斜撑，质心和刚心距离较远，地震时结构扭转较大的特点。《煤矿矿井建筑结构设计规范》（GB50592—2010）[4]规定井架的抗震设防类别为重点设防类，井架为抗震救灾关键结构，关乎井下工人能否正常升井及生命安全，对尽快恢复生产，将震害损失降到最低非常关键；井架是露天高耸结构，结构高大，震后修复加固比较困难，重建周期长，且重建需要停产，对煤矿的正常安全生产造成严重的影响。目前钢井架加工制作、吊装加上材料每吨不足2.5万元，一钢井架的建设费用多数在1500万元左右，建设费用并不高，进行基于性能的抗震设计增加的费用并不高。

可见矿山钢井架为抗震重要结构，且结构复杂，存在抗震薄弱部位；虽建设投资并不大，但震后损失巨大，且难于修复，进行矿山钢井架基于性能的抗震设计非常可行且尤为必要。

进行矿山钢井架基于性能的抗震设计一般需做下列工作。

3.1 选定地震动水准

矿山钢井架的设计使用年限应根据煤矿矿井的生产服务年限确定，当生产服务年限小于50年的可按50年设计，由于现有煤矿超采情况比较严重，生产服务年限大于50年的也可按50年设计。地震动水准可按《抗规》选多遇地震、设防地震和罕遇地震的地震作用。

3.2 选定性能目标

图1 双斜撑式钢井架简图

虽然《构筑物抗震设计规范》（GB50191—93）[5]规定在设防烈度为6度和7度地区的矿山钢井架设计时可不考虑地震作用，但是从汶川地震得到的经验是设防烈度较低的地区并不是没有发生大地震的可能性，所以在低烈度地区建设的矿山钢井架也应进行基于性能的抗震设计，而不仅仅是仅在设防烈度为8度的地区考虑抗震性能设计。矿山钢井架的抗震性能目标可按表2选性能1。

3.3 选定性能设计指标

基于性能的设计指标中一般有抗震承载力、变形及构造措施。进行矿山钢井架的性能化设计时考虑到现阶段设计的可操作性，可以选择承载力和变形同时提高的指标。

《矿规》规定井架在工作荷载效应组合时的水平变形值，应控制在H/1000以内。此规定已比较严格，所以在确定矿山钢井架的抗震性能设计指标设计时，宜以承载力为主，目的是推迟主斜撑和副斜撑进入塑性工作阶段，减少塑性变形；结构构件的承载力提高后相应的位移也会有一定的提高。

在钢井架结构中最为重要的构件是位于主斜撑支承天轮的天轮支座，若天轮支座安全，天轮就可以正常运转，该细部需要加强延性构造。当平台上布置有用以提升交通罐的小天轮时，支承小天轮的梁也应加强。

4 结论

该文研究了矿山钢井架基于性能的抗震设计方法，得到如下结论：

（1）矿山钢井架应进行基于性能的抗震设计；

（2）基于性能的矿山钢井架抗震设计应主要提高主、副斜撑的抗震性能目标；

（3）天轮支座及下天轮平台以上主斜撑部分为抗震设计关键构件，设计中应加强其抗震构造措施。

[1]孙俊．工程结构基于性能的抗震设计方法研究[J]．四川建筑科学研究，2005，31(1)

[2]GB50011—2010.建筑抗震设计规范[S]

[3]GB50385—2006.矿山井架设计规范[S]

[4]GB50592—2010.煤矿矿井建筑结构设计规范[S]

[5]GB50191—93.构筑物抗震设计规范[S]

责任编辑：李红

Performance-Based Aseismic Design ofMine SteelHeadframes

基于性能的矿山钢井架抗震设计方法，对于建成安全高效矿井有着非常重要的现实意义，该文介绍了如何选定地震动水准、性能目标和性能设计指标等性能设计要求，可为矿山钢井架基于性能的抗震设计提供有意义的参考。

结构抗震；构件；承载力；变形；双斜撑；构造措施

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

冯真（1983-），男，陕西定边人，工学硕士，助理工程师，主要从事结构设计与研究。