強(qiáng)震作用下?lián)p傷井架結(jié)構(gòu)的力學(xué)演化規(guī)律

楊明飛 程華瑞 沙志平

摘 要：為了研究強(qiáng)震作用下?lián)p傷井架結(jié)構(gòu)的力學(xué)演化規(guī)律，利用有限元建立某礦山井架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型。在模型中，按15%失重率的梯度遞增考慮井架立柱的局部損傷。首先對(duì)井架模型進(jìn)行靜力和模態(tài)分析，靜力分析結(jié)果表明：隨失重率的增加，井架結(jié)構(gòu)損傷處應(yīng)力和頂層最大位移均增大，并且呈現(xiàn)出二次函數(shù)關(guān)系;模態(tài)分析顯示，在所選的失重率范圍內(nèi)，井架結(jié)構(gòu)的局部損傷對(duì)其模態(tài)頻率影響不大。接著對(duì)模型進(jìn)行了強(qiáng)震作用下的動(dòng)力分析，結(jié)果表明：隨著地震波峰值加速度的增加，井架頂層最大位移、最大層間位移角和損傷處應(yīng)力均呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)。同時(shí)在地震波峰值加速度相同的情況下，失重率對(duì)井架結(jié)構(gòu)頂層位移影響顯著，和無(wú)損井架結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)頂層最大位移增幅達(dá)到76.89%。

關(guān)鍵詞：損傷井架結(jié)構(gòu);強(qiáng)震作用;力學(xué)演化;失重率;模態(tài)頻率;峰值加速度

Abstract：To study the mechanical evolution law of the damaged derrick structure under the strong earthquake action， a numerical modelwas established by using ANSYS software， in which the local damage of the column was considered according to the increase gradient of 15% weight loss rate. Firstly， the static and modal analyses of the derrick model were carried out. The results of static analysis showed that the stress at the damaged region and the maximum displacement at the top layer increased with the increase of the weight loss rate， showing a quadratic function relationship， while the results of modal analysis showed that the local damage in the chosen range of weight loss rate had little effect on its modal frequency in this paper. From the dynamic analysis with the strong earthquake action considered， it was found that the maximum displacement， the maximum interlayer displacement angle and the maximum stress at the damaged region all increased linearly with the increase of the peak acceleration of seismic wave， while the weight loss rate had a significant effect on the top layer displacement of the derrick structure when the peak acceleration value of seismic wave was certain. Compared with the undamaged derrick structure， the maximum top displacement of the damaged derrick structure increased by 76.89%.

Key words：damaged derrick structure; strong earthquake action; mechanical evolution; weight loss rate; modal frequency; peak acceleration

井架作為鑿井設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)，其安全對(duì)鑿井工程至關(guān)重要。在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中，結(jié)構(gòu)材料經(jīng)過(guò)腐蝕介質(zhì)的侵蝕，在表面逐漸出現(xiàn)局部銹蝕現(xiàn)象，這對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生不利影響。近年，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)鋼材腐蝕展開(kāi)了大量研究[1-6] 。文獻(xiàn)[7-8]研究了經(jīng)銹蝕處理鋼材后力學(xué)性能的退化，發(fā)現(xiàn)銹蝕率對(duì)鋼材屈服強(qiáng)度有顯著變化，銹蝕率越高，鋼材強(qiáng)度退化越明顯。文獻(xiàn)[9]研究了在潮濕環(huán)境下，不同銹蝕位置和銹蝕時(shí)間等參數(shù)對(duì)鋼管力學(xué)性能的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，擬合出鋼管在銹蝕狀態(tài)下的極限承載力計(jì)算式。文獻(xiàn)[10]研究了鋼梁在無(wú)規(guī)則腐蝕作用下，其極限承載能力下降。試驗(yàn)研究表明，通過(guò)失重率可以反映鋼材有效截面積減小導(dǎo)致應(yīng)力集中對(duì)鋼構(gòu)件材料性質(zhì)的弱化程度[11]。文獻(xiàn)[12]研究表明隨著腐蝕齡期的延長(zhǎng)，鋼框架整體剛度減小，其整體力學(xué)性能減弱。文獻(xiàn)[13]研究了銹蝕損傷對(duì)鋼材的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合缺陷損傷對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯不利。文獻(xiàn)[14]通過(guò)低周疲勞試驗(yàn)研究了H型鋼在銹蝕狀態(tài)下的力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明構(gòu)件的滯回性能隨著銹蝕率的增加而降低。文獻(xiàn)[15-16]研究發(fā)現(xiàn)可以建立鋼結(jié)構(gòu)損傷模型，反映銹蝕對(duì)鋼框架抗震性能的影響。目前的研究針對(duì)靜力情況較多，而對(duì)于動(dòng)力荷載作用下?lián)p傷鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)研究偏少。

為了分析局部損傷對(duì)井架結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響，本文通過(guò)有限元軟件ANSYS建立井架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型。以改變結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的失重率來(lái)反映結(jié)構(gòu)的損傷程度，接著對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析和強(qiáng)震作用下的動(dòng)力分析，得出局部損傷下井架結(jié)構(gòu)力學(xué)演化規(guī)律，其相關(guān)結(jié)論為現(xiàn)役井架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供參考。

1 井架結(jié)構(gòu)案例

1.1 工程概況

井架結(jié)構(gòu)所處區(qū)域7度設(shè)防、Ⅱ類場(chǎng)地，服役超過(guò)10a。由于氣候復(fù)雜、環(huán)境惡劣等條件影響，井架結(jié)構(gòu)受到酸性介質(zhì)和積水的侵蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)立柱的局部表面出現(xiàn)銹蝕點(diǎn)坑，進(jìn)而影響到井架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。因此，需要對(duì)井架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估分析。

1.2 結(jié)構(gòu)平立面布置

井架結(jié)構(gòu)立柱、首層和中間層平臺(tái)布置如圖1（a）所示，立柱為圓形鋼管，一、二層截面為450mm×25mm，第三層截面為325mm×25mm。井架頂層為天輪平臺(tái)，如圖1（b）所示，天輪平臺(tái)上、下布置主鋼梁（Q345），鋼梁主要以N-0至N-5為主，其中N-0采用組合梁，N-1至N-5均采用I56a，天輪平臺(tái)主梁與次梁連接方式為焊接。井架相鄰層間布置斜撐構(gòu)件，以增大井架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

2 井架結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

2.1 模型荷載簡(jiǎn)化

井架結(jié)構(gòu)上的主要荷載有吊繩拉力、滑架托平臺(tái)自重、翻矸平臺(tái)自重、井架整體自重和水平風(fēng)荷載等。其中可以將吊繩拉力、滑架托平臺(tái)自重、翻矸平臺(tái)自重和井架整體自重等簡(jiǎn)化為集中荷載考慮，加載點(diǎn)如圖1中符號(hào)所示。其中，井架首層平臺(tái)橫梁上各點(diǎn)均豎向加載2kN，中間層平臺(tái)橫梁各點(diǎn)均豎向加載10.04kN，天輪平臺(tái)橫梁水平方向上共加載1 841.93kN，豎向共加載2 979.87kN，天輪平臺(tái)與四根立柱交點(diǎn)處在豎向均載為8.76kN。水平方向風(fēng)載根據(jù)《礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50385-2006）進(jìn)行計(jì)算，在井架首層、中間層和頂層平臺(tái)處的簡(jiǎn)化結(jié)果如圖1（a）所示。

2.2 井架模型建立

利用ANSYS軟件建立的無(wú)損井架結(jié)構(gòu)模型如圖2（a）所示。其中，井架結(jié)構(gòu)使用非線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，構(gòu)件均采用BEAM188單元模擬，泊松比為0.3，彈性模量為206GPa，井架結(jié)構(gòu)模型中天輪平臺(tái)上橫梁的屈服強(qiáng)度為255MPa，立柱和其他構(gòu)件的屈服強(qiáng)度為345MPa，節(jié)點(diǎn)采用剛接。結(jié)合圖1（a），損傷井架結(jié)構(gòu)損傷部位為井架結(jié)構(gòu)一、二層的四根立柱，如圖2（b）所示。

根據(jù)立柱損傷情況，對(duì)其有效截面、彈模和屈服強(qiáng)度進(jìn)行折減。其中，立柱的有效截面折減是通過(guò)體積相等原則進(jìn)行，即材料損傷失去的體積與鋼管柱外截面折減的體積相等，材料彈模和屈服強(qiáng)度的折減是由損傷鋼管構(gòu)件的軸壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出。具體折減公式[17]如下

為了得出損傷對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)的影響規(guī)律，失重率設(shè)置為0、15%、30%、45%、60%。鋼材屬性折減后數(shù)值如表1所示。

3 井架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3.1 靜力分析

對(duì)模型進(jìn)行靜力分析，得到不同失重率下的井架結(jié)構(gòu)在損傷處最大位移和頂層最大應(yīng)力曲線，如圖3所示。

從圖3得知， 井架結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下， 隨失重率的增加， 損傷處最大應(yīng)力和井架頂層最大位移均增加， 呈現(xiàn)出二次函數(shù)關(guān)系。 無(wú)損井架結(jié)構(gòu)在一、 二層立柱部位最大應(yīng)力為19.9MPa，發(fā)生在立柱底部，同時(shí)無(wú)損井架在井架頂層最大位移為2.287mm。當(dāng)失重率達(dá)到60%時(shí)，立柱損傷區(qū)域最大應(yīng)力為32.2MPa，和無(wú)損傷結(jié)構(gòu)相比增加61.3%，最大應(yīng)力出現(xiàn)在井架一、二層立柱與中間層平臺(tái)橫梁交接處，頂層最大位移為2.841mm，和無(wú)損傷結(jié)構(gòu)相比增加24.2%。

3.2 模態(tài)分析

對(duì)無(wú)損傷井架結(jié)構(gòu)和失重率為60%的損傷井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，損傷井架結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率發(fā)生了改變，說(shuō)明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷。對(duì)前10階井架結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)由于井架結(jié)構(gòu)的剛度較大，因此對(duì)前四階模態(tài)頻率的影響較小，同時(shí)振型沒(méi)有明顯變化。

3.3 強(qiáng)震作用分析

在強(qiáng)震分析中，選用無(wú)損傷井架結(jié)構(gòu)和失重率分別為60%的損傷井架模型進(jìn)行分析。地震峰值加速度按照現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行選?。ㄒ?jiàn)表3）。本文選取三條地震波，分別為Elcentro波、Taft波和一條Ⅱ類場(chǎng)地的人工波對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行三向激勵(lì)，峰值加速度的x∶y∶z=1∶0.85∶0.65?，F(xiàn)以Taft波為例進(jìn)行說(shuō)明。

在不同峰值加速度的作用下，得到無(wú)損傷和有損傷井架結(jié)構(gòu)在損傷處最大應(yīng)力和井架結(jié)構(gòu)頂層最大位移曲線，如圖4所示。

通過(guò)圖4可知，隨地震波峰值加速度的增加，井架結(jié)構(gòu)損傷處最大應(yīng)力和頂層最大位移均呈現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì)。

當(dāng)?shù)卣鸩ǚ逯导铀俣葹?5cm/s2時(shí)，無(wú)損傷井架一、二層立柱最大應(yīng)力為1.23MPa，井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為13.0MPa;損傷井架損傷立柱的最大應(yīng)力為1.36MPa， 井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為14.8MPa。地震波峰值加速度為620cm/s2時(shí)，無(wú)損傷井架一、二層立柱處最大應(yīng)力是24.9MPa， 井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為111.0MPa;損傷井架損傷立柱的最大應(yīng)力為 25.1MPa，而井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力達(dá)到141.0MPa。表明隨地震波峰值加速度的增加，無(wú)損傷井架和損傷井架的損傷處應(yīng)力以及井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力也隨之增大。但是文中所設(shè)置的立柱失重率對(duì)井架損傷處最大應(yīng)力影響不明顯，表明井架結(jié)構(gòu)剛度較大，仍處于安全范圍。由圖4（b）知，不同失重率下的井架頂層最大位移均在地震波峰值加速度為620cm/s2的時(shí)候出現(xiàn)，最大位移達(dá)到33.936mm，和無(wú)損井架結(jié)構(gòu)頂層最大位移為19.185mm相比，增幅達(dá)到76.89%，說(shuō)明失重率對(duì)井架結(jié)構(gòu)頂層最大位移影響顯著。

通過(guò)計(jì)算分析，得到井架結(jié)構(gòu)層間位移角（按彈性方法計(jì)算的風(fēng)荷載或多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層層間最大水平位移與層高之比）隨地震波峰值加速度增加的變化曲線，如圖5所示。

由圖5知，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震荷載作用下，井架層間位移角隨地震波峰值加速度的增加而線性增長(zhǎng)。無(wú)損井架最大層間位移角為1/926，發(fā)生在井架一、二層立柱底部;而失重率為60%的損傷井架最大層間位移角為1/752，發(fā)生在井架一、二層立柱中間部位，層間位移角數(shù)值仍滿足《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

4 結(jié)論

（1）在靜力荷載作用下，井架結(jié)構(gòu)隨失重率的增加，其頂層最大位移和損傷處的最大應(yīng)力均明顯增大，并且呈現(xiàn)出二次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)失重率達(dá)到60%的情況下，井架結(jié)構(gòu)在損傷處最大應(yīng)力發(fā)生的位置出現(xiàn)上移。

（2）模態(tài)分析顯示，損傷井架結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率出現(xiàn)變化，可以證實(shí)結(jié)構(gòu)受損，但文中設(shè)置的立柱局部損傷對(duì)井架結(jié)構(gòu)的模態(tài)影響不明顯。

（3）在地震作用下，損傷井架的頂層最大位移和損傷處最大應(yīng)力均呈現(xiàn)出線性增加。隨著地震峰值加速度的增加，失重率對(duì)井架結(jié)構(gòu)的損傷處最大應(yīng)力影響較小，但是對(duì)井架頂層最大位移影響顯著。

（4）井架層間位移角隨地震波峰值加速度增加而出現(xiàn)線性增長(zhǎng)。在失重率為60%、地震波峰值加速度為620cm/s2時(shí)，井架層間位移角達(dá)到1/752，仍滿足《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

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（責(zé)任編輯：丁 寒）