浅谈煤矿主要建（构）筑物的抗震设计

潘江华

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司工程部，辽宁 沈阳 110015）

0 引言

每次地震的发生都会对人类造成巨大的生命和财产的损失。我国是一个地震活动比较频繁的国家，为了减小地震对煤矿主要建（构）筑物的损害程度，保证矿区工人的生命财产安全，要求结构设计人员必须对结构抗震概念设计有一定的了解。

唐山地震发生时间为1976年7月28日3时42分，震级7.8级，震中位置为北纬39.4°，东经118.2°；震中烈度11度，震源深度12～16k m。开滦煤矿局所属唐山矿的烈度为11度，马家沟矿10度。震后的唐山矿基本上是一片废墟，除了三座钢结构井架有部分杆件弯曲，还基本完好的挺立在工业广场上外，钢筋混凝土井塔塔壁断裂，上部平移落地；钢筋混凝土煤仓仓底柱倾斜，部分倒塌；钢筋混凝土框架结构的洗煤车间，柱子多处出现钢筋外露呈灯笼状或多条斜裂缝、交叉裂缝；皮带走廊严重破坏或倒塌，砖混结构基本倒塌。经过加固和重建后，2013年回访发现，这些建（构）筑物除了个别的由于工艺改造或其他原因已拆除以外，绝大多数都还在使用着。尽管1976年当时我国的建筑抗震规范不完善，但历经30多年风风雨雨的生产实践及几十次的4～5级地震考验（据唐山地震局提供的资料，在唐山老震区198 0年以来4.0级以上地震有24次，最大一次发生在1995年震级5.0级），证明其设计基本上是合理的，当时采取的一些措施是合适的［1］。

1 设计回访调查

本次回访是在震后30周年，由中国煤炭设计协会组织原参建十一家设计院，近40人的队伍，对开滦煤矿局进行震后恢复建设的项目进行了现场走访调查，唐山矿和马家沟矿为中煤国际工程集团沈阳设计研究院有限公司援建项目，调查结果如表1所示。

2 主要建（构）筑物地震破坏情况的分析

开滦煤局始建于清朝末期的老矿区，各矿内的建（构）筑物建成年代不一，过去的唐山地区又是不考虑抗震设防，所以唐山地震对矿山地面建（构）筑物造成的破坏比较严重，下面对唐山地震中矿山主要建（构）筑物的破坏情况做一下分析。

2.1 井架

唐山矿和马家沟矿均采用竖井开采，结构形式主要有：六柱式钢井架(十四座)；六柱式钢和砖组合井架(即井架的立架和斜架上部为钢，下部为砖砌体，共九座)；六柱式现浇钢筋混凝土井架(一座)，六柱式装配式钢筋混凝土井架(一座)，混合井架(钢天轮架、砖立架一座)，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，其中六柱式钢井架、钢筋混凝土井架破坏均较轻，钢和砖组合井架破坏较重。

表1.设计回访调查项目明细表

唐山矿一号井钢井架，高35米，震后，箕斗安装孔框口上方，立柱呈s状变形，井架侧面在该部位上下的两个节间内米字形腹杆，有的被压成折线形，有的在节点处断裂。井架向南倾斜约40毫米，向西倾斜约8 0毫米。斜架基础的地脚螺栓向上拔起10毫米。

唐山矿二号井钢井架，高37.8米，震后，立架最上节间(标高22.5～26.5米)四根立柱都不同程度的呈s状弯曲，井架头部明显向南偏移，天轮平台向南倾斜。据实测天轮平台中心向南偏移约400毫米，向西偏移约40毫米，该节间前后桁架内的立杆和斜杆也都有弯曲，节点处连接铆钉被剪断。斜架南侧弦杆，其中一肢在标高约9米处弯折，使该桁架上部下沉约250毫米，北侧弦杆，在该处也有弯曲和扭转。斜架腹杆与工字钢楼面梁连接处(标高13.5米)铆钉被剪断，标高13.5米以下斜架腹杆都有不同程度的弯曲和扭转。

唐山矿三号井钢井架，高30米，震后，天轮平台中心向西偏移90毫米，向北偏移120毫米，立架未见损坏。斜架上部基本完好。下部在井口房以外部分，被井口房西山墙顶部女儿墙的塌落砸坏。斜架基础的四个地脚螺栓，一个被剪断，三个被拉长。

震后重建时，这三座井架仅用多台稳车和千斤顶进行了整体纠偏扶正，对局部杆件进行了更换，对斜架基础和锚栓进行了修复和补强，维修量并不大，整个修复工期仅用了一个月，目前仍在使用，状态良好。由此可见钢结构井架的抗震性能是很好的，今后在设计中，应优先选择钢结构井架，特别是在高烈度区。

2.2 多绳提升井塔

唐山矿新风井井塔为多绳提升井塔，结构型式为钢筋混凝土结构。震后，唐山矿新风井井塔在底层门洞顶部断裂，上部塔身平移落在地上。其破坏的主要原因是塔身下部开了两个宽4.8米、高4.5米的进出车门洞，大大削弱了井塔下部截面，井塔截面刚度产生突变，导致应力集中，而门洞周边的加固梁柱构造又有一些缺陷，在11度的大地震作用下，使井塔断裂破坏。震后新建的唐山矿新风井井塔，是利用原有井塔完好的倒圆锥壳基础，塔身为正八边形，空间钢桁架组成的钢结构，目前仍在使用，状态良好。由上述可以看出细节决定成败，局部影响全局，应加强节点及局部设计。

2.3 皮带走廊

唐山矿和马家沟矿共有10条皮带走廊，从地震后破坏来看，上部结构为混合式（用砖墙、钢筋混凝土屋面板或木屋架瓦顶的走廊为混合式）的破坏最为严重，大部分倒塌，少数未倒者，墙上也有不少裂缝，而其他类型走廊则多经受住了此次强烈地震的考验，几乎没有什么破坏(不包括由于支座位移而引起的走廊上部结构破坏)。从走廊下部支架来看，钢及钢筋混凝土支架未倒塌，但钢筋混凝土支架的梁、柱上出现了一些较大的裂缝或断裂；砖石支架裂缝更大，有的倒塌；钢支架基本完好。震后唐山矿皮带走廊，除入洗原煤皮带走廊外，均原地重建。

皮带走廊在唐山地震中，总体破坏是比较严重的，这反映了皮带走廊抗震能力相对较弱，在设计中应特别予以重视。皮带走廊抗震能力较弱的主要原因是：①整条皮带走廊下部仅由几榀支架支承着，头重脚轻，整体刚度相对较弱；②皮带走廊一般都是倾斜的，一端高一端低，在地震作用下会有较大的扭转效应；③走廊两端与其他建（构）筑物相联，如果之间未用缝分开时，两者的自震周期和震型都会有较大的差别，从而造成应力集中现象。这些抗震不利因素都应该在走廊的抗震设计中予以特别注意。这次调查，唐山矿皮带走廊修复加固后，目前均正在使用，状态良好。

2.4 煤仓(装车仓)

钢筋混凝土方仓仓体本身具有较大的刚度，抗震性能好，震害多表现在煤仓下部柱和仓顶室部分，少数单排煤仓倒塌或局部倒塌。钢筋混凝土筒仓震后基本完好，震害主要表现为砖混结构的仓顶室倒塌；砖砌圆筒仓大部分倒塌。震后唐山矿煤仓除原煤仓南侧两跨断裂倒塌重建外，其余经加固维修后均继续使用。建议地震区的煤仓，应尽量采用钢筋混凝土筒仓，少采用框架支承的钢筋混凝土方仓，不应采用砖煤仓，特别是在高烈度区。钢筋混凝土煤仓的仓顶结构，也应采用钢筋混凝土及钢结构，不应采用砖混结构。这次调查，唐山矿煤仓修复加固后，使用状态良好。

2.5 洗煤厂主厂房、主井井口房等钢筋混凝土框架房屋

唐山矿和马家沟矿的洗煤厂主厂房、主井井口房及选矸楼等，虽破坏程度不一，但倒塌和局部倒塌的现象甚少，主要破坏为层间的梁端、柱顶混凝土压碎断裂，钢筋弯曲外露，少数框架柱的底部及较短粗框架柱的中部也有断裂破坏现象。其破坏形式主要有：①框架节点柱头的局部水平裂缝和梁端的竖向裂缝，严重者裂缝贯通截面；②柱端混凝土压碎，钢筋外露；③柱端混凝土压碎、崩落，钢筋弯曲；④柱端混凝土散落，钢筋压弯成灯笼状；⑤梁端及柱中部的斜裂缝。

震后唐山矿选煤厂水洗车间框架梁及柱的震害较严重，大部分构件均遭到破坏，总破坏率高达71.0%，越向上梁、柱构件的破坏越重，顶层的框架梁和柱几乎全部遭受破坏，但整个结构并没有倒塌。浮选车间震害较水洗车间轻，两者经加固维修后，使用状态良好。由上可以看出框架结构，震害主要发生在梁柱节点，应加强框架节点设计。

通过上述资料情况可以看出钢筋混凝土框架结构及钢结构震害较轻，倒塌现象也较少，抗震能力较强，材料韧性较好，过去虽未设防，很多却经受住了9～11度强震和多次余震的考验，处于“裂而未倒”的状态，经过修复仍可继续使用。少数破坏倒塌，原因是多方面的，主要是结构本身的弱点或处置不当等。因此，在认真总结经验教训的基础上，改善其布置，增强抗震措施，是可以进一步提高其抗震能力的。另外随着经济的发展，国力的增强，特别是日本大地震中，有主动抗震设施的建筑物，破坏损失都较小，在设计中对一些重要建筑物，因震后产生灾害性大，涉及人员多，增加主动抗震措施，以减少灾害。

3 结论

通过此次对开滦煤矿局所属唐山煤矿和马家沟煤矿主要建（构）筑物的震后破坏情况分析和重建建筑物使用情况的调查可以看出：在进行煤矿建（构）筑物抗震设计时应优先采用下面构造措施［2～6］：

（1）设计中应优先选用抗震能力较强的钢结构和钢筋混土结构。

钢结构是抗震能力的结构，钢材延性好、自重轻、强度高，具有良好的抗震性能，但在井架与井口房或其它邻近建筑物的连接上、井架刚度中心与质量中心在地震力作用下对井架整体产生的扭转作用及结构的防火措施等方面都有待进一步提高；

（2）结构布置要规整，受力要明确，尽量避免刚度局部突变现象。

首先工艺布局要合理，重型设备尽量下放，例如多绳提升绞车，需把绞车大厅放在井塔的顶部，这样使得井塔成为一个“头重脚轻”的高耸建筑物，工艺布置对抗震较为不利；其次井塔设计采用钢筋混凝土较为有利，其断面可为圆形或矩形，可增强井塔的结构韧性，基础宜选用箱形或倒锥壳，但由于井塔塔身底部往往要开洞，断面削弱，所以洞口必需加固，洞口角部的应力集中必须考虑。

（3）细节、局部、节点设计应予以重视加强。

千里大堤，溃于蚁穴，局部影响全局，在多高层房屋结构抗震设计中，节点设计是一个非常重要的组成部分。连接节点是保证梁与柱协同工作、形成结构整体的关键部件，它将直接影响到整个结构的抗震性能。当按抗震设计时，应按结构进入弹塑性阶段设计，节点连接承载力应高于截面承载力。即在强震作用下，梁端和节点域应产生塑性变形，形成塑性铰，有效地吸收和耗散能量，使结构真正实现大震不倒、小震可修的目的。

（4）应对原有的结构设计方法进行重新认识，找到问题的症结。

唐山过去建筑物虽未设防，很多却经受住了9～11烈度强震和多次余震的考验，处于“裂而未倒”的状态，已满足现行抗震规范“当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏”的设计理念，这提示我们，应按照科学发展观和建设资源节约型、环境友好型社会的方针，探讨对一些次要建筑物如何节约建设资源以及节约投资的方法。

［1］中华人民共和国国家标准.GB50111-2010建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，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.

［2］金星.地震转动分量的工程预测［J］.地震工程与工程振动，1991，13(4)：10.Jin xing.Engineer prediction of seismic rotational component ［J］.Earthquake Egineering and Egineering Vihration，1991， 13(4)：10.

［3］ Kinoshita S， Ishikawa H， Satoh T.Tilt motions recorded at two WISE site for the 2003 Tokachi-Oki earthquake(M8.3) ［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，2009， 99(2B)：1251.

［4］ Yang F， Luo Q F， Che W.Torsional phenomena in the great Wenchuan earthquake［J］ .Earthquake Science，2010(1)：75.

［5］ Teisseyre R.Tutorial on the new developments in the physics of rotational motions［J］.Bulletin of the Seismological Society of America， 2009，99(2B)：1028

［6］ Knopoff， Chen Y T.Single-couple component of far-field radation from dynamical fractures［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，2009，99(2B)：1091.