黏滞阻尼器在煤矿井塔结构抗震加固中的应用1

刘小萌张长会卢志强盛宏玉

1）合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009

2）淮北矿业集团临涣煤矿，淮北 235136

黏滞阻尼器在煤矿井塔结构抗震加固中的应用1

刘小萌1)张长会1)卢志强2)盛宏玉1)

1）合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009

2）淮北矿业集团临涣煤矿，淮北 235136

临涣煤矿是淮北矿业集团的主要大型煤矿，于1985年投产，设计年产煤180万吨。该矿主井提升系统塔高64.5m（8层），外剪力墙内框架矩形钢筋混凝土结构。本文采用SAP2000有限元软件，通过选用不同的阻尼器以及支撑布置方式，比较了结构安装黏滞阻尼器后与原结构在地震作用下的动力响应，以及不同的布置方式下阻尼器的耗能减震效果，可为结构在未来的抗震加固中提供一种优选方案和参考。

煤矿井塔 黏滞阻尼器 耗能减震 支撑布置 抗震加固

刘小萌，张长会，卢志强，盛宏玉，2015.黏滞阻尼器在煤矿井塔结构抗震加固中的应用.震灾防御技术，10（1）：126—134. doi：10.11899/zzfy20150113

引言

在机械、煤炭等工业部门存在着大量的有害振动问题，忽视这些问题就等于无视可怕的隐患，可能会招致巨大的破坏和损失，应用振动工程的理论方法和技术来研究与解决这些问题是保证安全生产的当务之急。井塔结构是煤炭生产企业安装提升和通风等大型动力设备的关键结构，除了承受动力设备所产生的各种激励外，还经常遭遇强风和地震等自然激励的作用（苏荣华等，2004）。强烈的结构振动除了危及井塔本身的安全外，还会严重影响提升设备运行的稳定性和生产效率。因此，对煤矿井塔结构进行隔振与耗能减震研究具有较大的现实意义。

大量的工程实例都证明了阻尼器在高层建筑的抗震和抗风中都能起到很好的作用。黏滞阻尼器在工程结构中的应用，相当于给建筑、桥梁等工程结构上安装了“安全气囊”，在地震、强风等外部激励来临时，阻尼器可最大限度地吸收和消耗外部激励输入工程结构中的冲击能量，有效缓解地震等外部激励对工程结构造成的损伤和破坏，因此也普遍用于井塔结构的抗震加固中（王海波等，2002）。

目前，对煤矿井塔这样的复杂结构的动力分析主要采用数值仿真技术。李自林等（2001）采用广义协调元方法分析计算了箱形井塔结构的自由振动；王丽等（2005）对井塔结构的动力特性进行了有限元分析。本文以临涣煤矿主井井塔结构为研究对象，采用有限元分析软件SAP2000建立该井塔结构的三维离散化计算模型，计算结构的地震响应。由于该井塔结构的层高相对较大，为有效控制其在地震中的响应水平，对结构采取了不同的黏滞阻尼器布置方案，通过计算比较了几种方案的减震效果，从中优选出最佳的减震方案，以供研究者借鉴和参考。

1 临涣煤矿井塔原结构概况

该井塔是安徽省淮北矿业集团临涣煤矿矿井的主井，8层，总高度64.5m，为外剪力墙内框架钢筋混凝土结构，如图1（a）所示。为满足煤矿生产的工艺要求，井塔结构具有以下特点：

（1）层高大：煤矿从地下通过提升机箕斗垂直运送到地面，为了提高运送效率，提升机的箕斗通常做的很高，这样可以提高运载能力。所以在井塔的层高也相应设计的比较高。

（2）楼板不连续：井塔的多绳提升机系统是煤矿生产的关键设备，为便于提升机的畅通运行，井塔的楼板通常都开有大洞口。这类洞口的面积往往超过楼层面积的1/3甚至1/2，使得楼板的尺寸和平面刚度急剧变化。

（3）内部空间大：为了能够安装大型的起重设备和提升设备，井塔结构就必须提供较大的内部空间。因此必须尽量减少框架柱的数量，所以柱距和梁的跨度就相应的增大。

（4）层高变化大：井塔结构中，除了安装的大型动力设备的楼层外，还安装有一般的供电设备的楼层。这些楼层的层高比较小。这样，整个井塔在竖向的层高变化很大，使得侧向刚度不规则。

2 计算模型与结构分析

2.1 结构模型

该煤矿井塔抗震设防烈度为8度（0.2g），II类场地土。根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》（中华人民共和国国家标准，2010）设计地震分组为第三组，特征周期0.45s。建筑在进行主体结构的抗震分析过程中，采用SAP2000非线性有限元程序建立三维空间有限元分析模型。用空间框架单元模拟梁、柱以及支撑。楼面和剪力墙采用可同时考虑平面内和平面外刚度的空间壳单元，井塔内的大型设备（提升机、风机等）均按分布质量作用在相应的位置，黏滞阻尼器用软件中的非线性Damper连接单元来模拟，结构的模型如图1（b）所示，图1（c）为结构平面示意图（北京金土木软件技术有限公司等，2006）。

图1 结构图Fig. 1 Brief instructions of the structure

2.2 结构动力特性

由于篇幅所限，表1仅列出了模态分析结果的前10阶振型的周期和质量参与系数。

表1 结构前10阶振型的基本动力特性Table 1 Basic dynamic parameters of the first ten modes of vibration

由表1可以看出，前10阶振型质量参与系数总和达到了90%，满足规范的计算精度要求。第1和第2周期分别为Y向和X向平动，第4周期为扭转，且第4自振周期T4与平动为主的第1自振周期T1之比为0.45，小于0.85，满足《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）》（中华人民共和国行业标准，2010）规定的扭转控制要求。但同时也可以看出，以平动为主的振型中，扭转的质量参与系数也达到了42%，这是由于结构的不规则性造成的平扭耦联（马良喆等，2006）。

2.3 地震动选取

虽然该井塔结构没有达到《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》（中华人民共和国国家标准，2010）要求的采用时程分析的条件，但是由于井塔结构的重要性以及其本身结构的不规则性，笔者还是对其采用时程分析方法进行计算。按结构弹性、连接单元非线性输入实际地震波直接积分。根据《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》（中华人民共和国国家标准，2010）5.1.2条“应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不少于总数的2/3”的要求，地震波选取天然波，即兰州波、唐山波以及EL-Centro波，以满足抗震规范对选用地震的要求。图2和图3是地震波的曲线图。

图2 唐山地震波曲线Fig. 2 Seismic wave from Tangshan earthquake

图3 EL-Centro地震波曲线Fig. 3 Seismic wave from EL-Centro

根据《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》（中华人民共和国国家标准，2010）的要求，多组时程曲线的平均地震影响系数应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，且弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法所计算结果的80%。同时，根据《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》（中华人民共和国国家标准，2010）和《建筑工程抗震设防分类标准（GB 50223-2008）》（中华人民共和国国家标准，2008），按照7度并提高1度，即8度选取地震动参数。所以三组地震波的加速度峰值为：罕遇地震，400cm/s2；多遇地震，70cm/s2。持续时间：根据已有的地震记录，输入地震波时间取30s；同时每组工况按X、Y两个方向进行组合输入，不考虑竖向地震作用。地震作用计算公式为：

式中，SEk为地震作用效应；Sx、Sy分别为x向，y向单向水平地震作用。

2.4 黏滞阻尼器

黏滞阻尼器是一种与刚度、速度相关型阻尼器。液体粘滞阻尼器最适于在结构工程中的应用，其工作原理公式如下：

式中，F为阻尼力；Cα为阻尼系数；V为速度；α为速度指数，当0 < α <1时为非线性阻尼器，α=1时为线性阻尼器，α >1时为超线性阻尼器。这种阻尼器有以下明显的优点：

（1）内置液体，本身没有可计算的刚度，不影响整个结构原有的设计和计算（如周期、振型等），也就不会产生预想不到的副作用。

（2）呈椭圆型的滞迴曲线，保证了安置在结构上的阻尼器在最大位移状态下受力为零，最大受力情况下位移为零，这一性能对减小结构反应十分有利。

（3）它既可以降低地震反应中的结构受力，也可以降低反应位移。可在地震和大风荷载下重复使用。

（4）只要内置液体选用合适，会有很好的抗气候性，几十年没有老化、变质问题。

本文参照常州容大结构减震设备有限公司生产的粘滞阻尼器进行参数设计，该公司的粘滞阻尼器尺寸可以根据不同的要求进行制作加工。先进阻尼器的主要参数，阻尼系数C和速度指数α应该由设计优化的需要自由选择。SAP2000、ETABS等有限元分析软件规定了速度指数α的计算范围在0.2—2之间。本文通过不同方案对比，最终选取的阻尼器参数如表2所示（陈永祁等，2009）。

表2 阻尼器参数Table 2 Parameters of the dampers

研究表明，不同的阻尼器安装方式会带来不同的抗震效果。本文将上述两种不同的阻尼器与两种不同的支撑方式进行组合，表3列出了组合方式及名称，并对比了4种组合情况下各自的耗能减震效果。

表3 组合方式Table 3 Formats of the combination

为了尽可能减小黏滞阻尼器安装对立柱截面和梁、柱节点的削弱作用，所采用的两种阻尼器布置方式如图4所示。因为结构的立面图完全对称，所以图4只列出一个立面的支撑布置形式。这两种布置方式有如下特点：

方式1：斜向型安装，阻尼器串联在对角支撑上，阻尼器两端的相对位移小于结构的层间侧移。构造简单、易于装配，但所占空间较大，节点负担较重。

方式2：人字型安装，阻尼器两端的相对位移等于结构的层间侧移。该安装形式中阻尼器可以充分利用其消耗能力，支撑设计时要充分考虑侧向稳定。

图4 支撑方式Fig. 4 Layouts of brace

3 计算结果

3.1 结构顶点位移

在不同的阻尼器及支撑方式下，结构的顶点位移比较如表4所示。

表4 罕遇地震下结构顶点位移Table 4 Displacement of top point under the rare earthquake

3.2 结构基地剪力和基地弯矩

在地震作用下，基地剪力、基地弯矩是衡量结构整体抗震能力的重要参数（Ahmad Rahimian等，2003）。通过非线性弹塑性分析得出结构在罕遇地震作用下的基地剪力和弯矩如表5所示。

表5 罕遇地震下基地剪力和弯矩Table 5 Shear force and bending moment of the base under the rare earthquake

由表5中的数据可以看出，通过设置阻尼器，可以明显地减小结构在地震作用下的基地剪力和弯矩，其效果能达到17%—45%。而不同的支撑方式，差别很大。可以看出组合2-2的减小幅度最大。

3.3 结构屋顶加速度

虽然《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》（中华人民共和国国家标准，2010）中没有对结构在地震作用下屋顶加速度提出明确的要求，但它能从一定程度上反应结构在地震作用下的动力响应。表6列出了屋顶顶点在地震波时程作用下的最大位移。

表6 屋顶加速度Table 6 The accelerations of the top point

原结构在罕遇地震下的加速度达到了4—5g，通过对比数据可发现，支撑方式1对抑制X向的加速度效果很好，而支撑方式2对Y向的效果更佳。

3.4 层间位移

层间位移是衡量楼层变形大小的一项重要指标。根据《建筑抗震设计规范（GB 50011□2010）》（中华人民共和国国家标准，2010），钢筋混凝土框架剪力墙结构的弹性层间位移角不应小于1/800，结构在多遇地震作用下的层间位移角如图5和图6所示。

图5 X向层间位移角Fig. 5 Angle of interlayer displacement in X direction

图6 Y向层间位移角Fig. 6 Angle of interlayer displacement in Y direction

从图5和图6可以很明显地看出，原结构在多遇地震作用下的层间位移比已经不能满足《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》（中华人民共和国国家标准，2010）的要求。通过设置黏滞阻尼器，可以有效地改善其抗震性能。不过，通过图5和图6可发现，对于Y向的层间位移角，支撑方式1下的效果不佳，而支撑方式2能达到预期的效果。

4 结论

通过上述计算结果的对比，临涣煤矿井塔结构在设置黏滞阻尼器后，抗震性能将有明显的改观。阻尼器的减震效果和增加结构安全储备的作用都十分显著。由分析结果可以得出以下几点结论：

（1）阻尼器在地震作用下有很好的耗能减震作用。

（2）不同参数的阻尼器，其耗能减震效果是不同的。结果表明，其效果与阻尼器的最大阻尼力有关。

（3）同样的阻尼器，不同的布置方式，减震效果有很大的差异。在本文的算例中，X向选择支撑方式1，Y向选择支撑方式2，其效果最佳。

（4）总体来说，只要选用合适的阻尼器以及合理的阻尼器布置方式，黏滞阻尼器对于高层建筑可以起到很大的减震作用。对于现有建筑的加固改造，还需要通过计算模拟，选择最优的阻尼器和阻尼支撑的布置方式，以达到经济合理的目的。

北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院，2006.SAP2000中文版使用指南.北京：人民交通出版社，306—324.

陈永祁，曹铁柱，2009.液体黏滞阻尼器在盘古大观高层建筑上的抗震应用.钢结构，24（8）：39—46.

李自林，韩庆华，刘兴业，2001.用广义协调元分析圆筒形和箱形井塔的自由振动.工程力学，18（5）：108—114.

马良喆，陈永祁，2006.银泰中心主塔楼采用液体黏滞阻尼器的减振设计.建筑结构，36（6）：6—39.

苏荣华，裴衷强，王婷，王丽，2004.塔式多绳摩擦提升机的振源分析与评价.煤矿机械，（3）：54—56.

王海波，李光文，2002.矿副井井塔加固分析与设计.江苏煤炭，（4）：30—31.

王丽，苏荣华，2005.井塔结构有限元分析.矿业工程，3（2）：22—24.

中华人民共和国国家标准，2010.建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）.北京：中国建筑工业出版社.

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中华人民共和国国家标准，2008.建筑工程抗震设防分类标准（GB 50223-2008）.北京：中国建筑工业出版社.

Ahmad Rahimian，Nrique Martinez Romero，2003.Standing Tall for the Torre Mayor Project at Mexico City.Modern Steel Construction，4：1—8.

The Application of Fluid Viscous Damper on the Anti-earthquake Strengthening of Mine Well Tower

Liu Xiaomeng1)，Zhang Changhui1)，Lu Zhiqiang2)and Sheng Hongyu1)
1）School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China
2）Linhuan Coal Mine，Huaibei Mining Group，Huaibei 235136，China

Linhuan coal mine is one of the main coal mines in Huaibei Mining Group. It began to operate in 1985. The annual designed capacity is 1.8 million tons. The height of the main well tower in this mine is 64.5 meters（8 floors）.This building is frame-shear wall structure. A 3D model of the building is set up with the finite element analysis software SAP2000 in this paper. Different dampers and layouts of braces are added to the model. The best scheme of damper and layout pattern is found out for the future seismic strengthening by comparing the seismic responses of the model with different dampers and layouts of braces.

Mine well tower；Viscous damper；Energy dissipation；Layout of brace；Seismic strengthening

安徽省科技攻关计划项目资助（1301042124）

2014-04-22

刘小萌，男，生于1989年。硕士生。主要从事结构动力分析与结构抗震的研究。E-mail:liuxinmeng1989@126.com

盛宏玉，男，生于1957年。教授。主要从事结构动力分析与工程振动测试。E-mail:hysheng_01@sina.com