黏滯阻尼器在煤礦井塔結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用1

劉小萌張長會盧志強盛宏玉

1）合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009

2）淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙煤礦，淮北 235136

黏滯阻尼器在煤礦井塔結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用1

劉小萌1)張長會1)盧志強2)盛宏玉1)

1）合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009

2）淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙煤礦，淮北 235136

臨渙煤礦是淮北礦業(yè)集團(tuán)的主要大型煤礦，于1985年投產(chǎn)，設(shè)計年產(chǎn)煤180萬噸。該礦主井提升系統(tǒng)塔高64.5m（8層），外剪力墻內(nèi)框架矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。本文采用SAP2000有限元軟件，通過選用不同的阻尼器以及支撐布置方式，比較了結(jié)構(gòu)安裝黏滯阻尼器后與原結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)，以及不同的布置方式下阻尼器的耗能減震效果，可為結(jié)構(gòu)在未來的抗震加固中提供一種優(yōu)選方案和參考。

煤礦井塔 黏滯阻尼器 耗能減震 支撐布置 抗震加固

劉小萌，張長會，盧志強，盛宏玉，2015.黏滯阻尼器在煤礦井塔結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用.震災(zāi)防御技術(shù)，10（1）：126—134. doi：10.11899/zzfy20150113

引言

在機械、煤炭等工業(yè)部門存在著大量的有害振動問題，忽視這些問題就等于無視可怕的隱患，可能會招致巨大的破壞和損失，應(yīng)用振動工程的理論方法和技術(shù)來研究與解決這些問題是保證安全生產(chǎn)的當(dāng)務(wù)之急。井塔結(jié)構(gòu)是煤炭生產(chǎn)企業(yè)安裝提升和通風(fēng)等大型動力設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，除了承受動力設(shè)備所產(chǎn)生的各種激勵外，還經(jīng)常遭遇強風(fēng)和地震等自然激勵的作用（蘇榮華等，2004）。強烈的結(jié)構(gòu)振動除了危及井塔本身的安全外，還會嚴(yán)重影響提升設(shè)備運行的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。因此，對煤礦井塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔振與耗能減震研究具有較大的現(xiàn)實意義。

大量的工程實例都證明了阻尼器在高層建筑的抗震和抗風(fēng)中都能起到很好的作用。黏滯阻尼器在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，相當(dāng)于給建筑、橋梁等工程結(jié)構(gòu)上安裝了“安全氣囊”，在地震、強風(fēng)等外部激勵來臨時，阻尼器可最大限度地吸收和消耗外部激勵輸入工程結(jié)構(gòu)中的沖擊能量，有效緩解地震等外部激勵對工程結(jié)構(gòu)造成的損傷和破壞，因此也普遍用于井塔結(jié)構(gòu)的抗震加固中（王海波等，2002）。

目前，對煤礦井塔這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力分析主要采用數(shù)值仿真技術(shù)。李自林等（2001）采用廣義協(xié)調(diào)元方法分析計算了箱形井塔結(jié)構(gòu)的自由振動；王麗等（2005）對井塔結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行了有限元分析。本文以臨渙煤礦主井井塔結(jié)構(gòu)為研究對象，采用有限元分析軟件SAP2000建立該井塔結(jié)構(gòu)的三維離散化計算模型，計算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。由于該井塔結(jié)構(gòu)的層高相對較大，為有效控制其在地震中的響應(yīng)水平，對結(jié)構(gòu)采取了不同的黏滯阻尼器布置方案，通過計算比較了幾種方案的減震效果，從中優(yōu)選出最佳的減震方案，以供研究者借鑒和參考。

1 臨渙煤礦井塔原結(jié)構(gòu)概況

該井塔是安徽省淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙煤礦礦井的主井，8層，總高度64.5m，為外剪力墻內(nèi)框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。為滿足煤礦生產(chǎn)的工藝要求，井塔結(jié)構(gòu)具有以下特點：

（1）層高大：煤礦從地下通過提升機箕斗垂直運送到地面，為了提高運送效率，提升機的箕斗通常做的很高，這樣可以提高運載能力。所以在井塔的層高也相應(yīng)設(shè)計的比較高。

（2）樓板不連續(xù)：井塔的多繩提升機系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，為便于提升機的暢通運行，井塔的樓板通常都開有大洞口。這類洞口的面積往往超過樓層面積的1/3甚至1/2，使得樓板的尺寸和平面剛度急劇變化。

（3）內(nèi)部空間大：為了能夠安裝大型的起重設(shè)備和提升設(shè)備，井塔結(jié)構(gòu)就必須提供較大的內(nèi)部空間。因此必須盡量減少框架柱的數(shù)量，所以柱距和梁的跨度就相應(yīng)的增大。

（4）層高變化大：井塔結(jié)構(gòu)中，除了安裝的大型動力設(shè)備的樓層外，還安裝有一般的供電設(shè)備的樓層。這些樓層的層高比較小。這樣，整個井塔在豎向的層高變化很大，使得側(cè)向剛度不規(guī)則。

2 計算模型與結(jié)構(gòu)分析

2.1 結(jié)構(gòu)模型

該煤礦井塔抗震設(shè)防烈度為8度（0.2g），II類場地土。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011—2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）設(shè)計地震分組為第三組，特征周期0.45s。建筑在進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的抗震分析過程中，采用SAP2000非線性有限元程序建立三維空間有限元分析模型。用空間框架單元模擬梁、柱以及支撐。樓面和剪力墻采用可同時考慮平面內(nèi)和平面外剛度的空間殼單元，井塔內(nèi)的大型設(shè)備（提升機、風(fēng)機等）均按分布質(zhì)量作用在相應(yīng)的位置，黏滯阻尼器用軟件中的非線性Damper連接單元來模擬，結(jié)構(gòu)的模型如圖1（b）所示，圖1（c）為結(jié)構(gòu)平面示意圖（北京金土木軟件技術(shù)有限公司等，2006）。

圖1 結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Brief instructions of the structure

2.2 結(jié)構(gòu)動力特性

由于篇幅所限，表1僅列出了模態(tài)分析結(jié)果的前10階振型的周期和質(zhì)量參與系數(shù)。

表1 結(jié)構(gòu)前10階振型的基本動力特性Table 1 Basic dynamic parameters of the first ten modes of vibration

由表1可以看出，前10階振型質(zhì)量參與系數(shù)總和達(dá)到了90%，滿足規(guī)范的計算精度要求。第1和第2周期分別為Y向和X向平動，第4周期為扭轉(zhuǎn)，且第4自振周期T4與平動為主的第1自振周期T1之比為0.45，小于0.85，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2010）》（中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2010）規(guī)定的扭轉(zhuǎn)控制要求。但同時也可以看出，以平動為主的振型中，扭轉(zhuǎn)的質(zhì)量參與系數(shù)也達(dá)到了42%，這是由于結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性造成的平扭耦聯(lián)（馬良喆等，2006）。

2.3 地震動選取

雖然該井塔結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）要求的采用時程分析的條件，但是由于井塔結(jié)構(gòu)的重要性以及其本身結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，筆者還是對其采用時程分析方法進(jìn)行計算。按結(jié)構(gòu)彈性、連接單元非線性輸入實際地震波直接積分。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）5.1.2條“應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數(shù)量不少于總數(shù)的2/3”的要求，地震波選取天然波，即蘭州波、唐山波以及EL-Centro波，以滿足抗震規(guī)范對選用地震的要求。圖2和圖3是地震波的曲線圖。

圖2 唐山地震波曲線Fig. 2 Seismic wave from Tangshan earthquake

圖3 EL-Centro地震波曲線Fig. 3 Seismic wave from EL-Centro

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）的要求，多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符，且彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法所計算結(jié)果的80%。同時，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）和《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)（GB 50223-2008）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2008），按照7度并提高1度，即8度選取地震動參數(shù)。所以三組地震波的加速度峰值為：罕遇地震，400cm/s2；多遇地震，70cm/s2。持續(xù)時間：根據(jù)已有的地震記錄，輸入地震波時間取30s；同時每組工況按X、Y兩個方向進(jìn)行組合輸入，不考慮豎向地震作用。地震作用計算公式為：

式中，SEk為地震作用效應(yīng)；Sx、Sy分別為x向，y向單向水平地震作用。

2.4 黏滯阻尼器

黏滯阻尼器是一種與剛度、速度相關(guān)型阻尼器。液體粘滯阻尼器最適于在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用，其工作原理公式如下：

式中，F(xiàn)為阻尼力；Cα為阻尼系數(shù)；V為速度；α為速度指數(shù)，當(dāng)0 < α <1時為非線性阻尼器，α=1時為線性阻尼器，α >1時為超線性阻尼器。這種阻尼器有以下明顯的優(yōu)點：

（1）內(nèi)置液體，本身沒有可計算的剛度，不影響整個結(jié)構(gòu)原有的設(shè)計和計算（如周期、振型等），也就不會產(chǎn)生預(yù)想不到的副作用。

（2）呈橢圓型的滯迴曲線，保證了安置在結(jié)構(gòu)上的阻尼器在最大位移狀態(tài)下受力為零，最大受力情況下位移為零，這一性能對減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)十分有利。

（3）它既可以降低地震反應(yīng)中的結(jié)構(gòu)受力，也可以降低反應(yīng)位移。可在地震和大風(fēng)荷載下重復(fù)使用。

（4）只要內(nèi)置液體選用合適，會有很好的抗氣候性，幾十年沒有老化、變質(zhì)問題。

本文參照常州容大結(jié)構(gòu)減震設(shè)備有限公司生產(chǎn)的粘滯阻尼器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，該公司的粘滯阻尼器尺寸可以根據(jù)不同的要求進(jìn)行制作加工。先進(jìn)阻尼器的主要參數(shù)，阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)α應(yīng)該由設(shè)計優(yōu)化的需要自由選擇。SAP2000、ETABS等有限元分析軟件規(guī)定了速度指數(shù)α的計算范圍在0.2—2之間。本文通過不同方案對比，最終選取的阻尼器參數(shù)如表2所示（陳永祁等，2009）。

表2 阻尼器參數(shù)Table 2 Parameters of the dampers

研究表明，不同的阻尼器安裝方式會帶來不同的抗震效果。本文將上述兩種不同的阻尼器與兩種不同的支撐方式進(jìn)行組合，表3列出了組合方式及名稱，并對比了4種組合情況下各自的耗能減震效果。

表3 組合方式Table 3 Formats of the combination

為了盡可能減小黏滯阻尼器安裝對立柱截面和梁、柱節(jié)點的削弱作用，所采用的兩種阻尼器布置方式如圖4所示。因為結(jié)構(gòu)的立面圖完全對稱，所以圖4只列出一個立面的支撐布置形式。這兩種布置方式有如下特點：

方式1：斜向型安裝，阻尼器串聯(lián)在對角支撐上，阻尼器兩端的相對位移小于結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移。構(gòu)造簡單、易于裝配，但所占空間較大，節(jié)點負(fù)擔(dān)較重。

方式2：人字型安裝，阻尼器兩端的相對位移等于結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移。該安裝形式中阻尼器可以充分利用其消耗能力，支撐設(shè)計時要充分考慮側(cè)向穩(wěn)定。

圖4 支撐方式Fig. 4 Layouts of brace

3 計算結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)頂點位移

在不同的阻尼器及支撐方式下，結(jié)構(gòu)的頂點位移比較如表4所示。

表4 罕遇地震下結(jié)構(gòu)頂點位移Table 4 Displacement of top point under the rare earthquake

3.2 結(jié)構(gòu)基地剪力和基地彎矩

在地震作用下，基地剪力、基地彎矩是衡量結(jié)構(gòu)整體抗震能力的重要參數(shù)（Ahmad Rahimian等，2003）。通過非線性彈塑性分析得出結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的基地剪力和彎矩如表5所示。

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

由表5中的數(shù)據(jù)可以看出，通過設(shè)置阻尼器，可以明顯地減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的基地剪力和彎矩，其效果能達(dá)到17%—45%。而不同的支撐方式，差別很大。可以看出組合2-2的減小幅度最大。

3.3 結(jié)構(gòu)屋頂加速度

雖然《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）中沒有對結(jié)構(gòu)在地震作用下屋頂加速度提出明確的要求，但它能從一定程度上反應(yīng)結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)。表6列出了屋頂頂點在地震波時程作用下的最大位移。

表6 屋頂加速度Table 6 The accelerations of the top point

原結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的加速度達(dá)到了4—5g，通過對比數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，支撐方式1對抑制X向的加速度效果很好，而支撐方式2對Y向的效果更佳。

3.4 層間位移

層間位移是衡量樓層變形大小的一項重要指標(biāo)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011□2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010），鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角不應(yīng)小于1/800，結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的層間位移角如圖5和圖6所示。

圖5 X向?qū)娱g位移角Fig. 5 Angle of interlayer displacement in X direction

圖6 Y向?qū)娱g位移角Fig. 6 Angle of interlayer displacement in Y direction

從圖5和圖6可以很明顯地看出，原結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的層間位移比已經(jīng)不能滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）的要求。通過設(shè)置黏滯阻尼器，可以有效地改善其抗震性能。不過，通過圖5和圖6可發(fā)現(xiàn)，對于Y向的層間位移角，支撐方式1下的效果不佳，而支撐方式2能達(dá)到預(yù)期的效果。

4 結(jié)論

通過上述計算結(jié)果的對比，臨渙煤礦井塔結(jié)構(gòu)在設(shè)置黏滯阻尼器后，抗震性能將有明顯的改觀。阻尼器的減震效果和增加結(jié)構(gòu)安全儲備的作用都十分顯著。由分析結(jié)果可以得出以下幾點結(jié)論：

（1）阻尼器在地震作用下有很好的耗能減震作用。

（2）不同參數(shù)的阻尼器，其耗能減震效果是不同的。結(jié)果表明，其效果與阻尼器的最大阻尼力有關(guān)。

（3）同樣的阻尼器，不同的布置方式，減震效果有很大的差異。在本文的算例中，X向選擇支撐方式1，Y向選擇支撐方式2，其效果最佳。

（4）總體來說，只要選用合適的阻尼器以及合理的阻尼器布置方式，黏滯阻尼器對于高層建筑可以起到很大的減震作用。對于現(xiàn)有建筑的加固改造，還需要通過計算模擬，選擇最優(yōu)的阻尼器和阻尼支撐的布置方式，以達(dá)到經(jīng)濟合理的目的。

北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院，2006.SAP2000中文版使用指南.北京：人民交通出版社，306—324.

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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

安徽省科技攻關(guān)計劃項目資助（1301042124）

2014-04-22

劉小萌，男，生于1989年。碩士生。主要從事結(jié)構(gòu)動力分析與結(jié)構(gòu)抗震的研究。E-mail:liuxinmeng1989@126.com

盛宏玉，男，生于1957年。教授。主要從事結(jié)構(gòu)動力分析與工程振動測試。E-mail:hysheng_01@sina.com