基于EL Centro波的煤礦主井井架抗震研究

劉國慶，李 彥

（淮南師范學院，安徽 淮南 232038）

0 引言

煤礦井架用于提升煤炭、設備、人員、物資等，是井下與地面人員、實物聯系通道，其結構需滿足工況強度要求，同時具備抗震性能，現有研究主要集中于靜力學分析和可靠性研究［1-6］，對于井架在地震響應下的動態性能及抗震研究較少。因此本文以淮南某礦井架為實例，在井架施加工況載荷情況下，研究遭遇8級地震井架的應力情況。

1 模型建立及靜載

主井井架結構多，主副腿、起重架、天輪平臺、支撐框架和基礎為主要構成部分，組成雙斜撐式結構，為安全考慮，罐籠采用4繩提升，安全系數為6，天輪直徑為5.0m。

主井井架結構較為復雜，高度近80m，為研究方便，建模時利用梁結構，材料彈性模量E=206Gpa，泊松比μ=0.3［7-8］。依據模型進行簡化，將簡化的部分依據其質量換算成重力載荷，在各計算中施加到模型上［9］，各結構尺寸重力載荷如表1所示。基于AN‐SYS軟件建立井架模型并分割網格后如圖1所示，網格數240余萬。

圖1 井架網格劃分模型

進行抗震性能研究前，井架自重及其余各部件重力載荷，通過ANSYS設置于各節點，井架單次提升煤炭等重16t，將工況載荷分別施加于相應節點，各部件節點數如表1中所示。

表1各部件重力荷載

2 模態分析

根據井架工作情況，井架底角四個支撐處由混凝土固定，研究中不考慮地震對支撐地腳混凝土影響，假定為剛性體，因此進行全約束施加，對井架進行模態分析，綜合比較采用分塊蘭索斯法（Block Lanczos法）提取模態，通過求解計算，得出前十階頻率及周期如表2所示。

表2 井架前10階頻率及周期

3 EL Centro波時程分析

3.1 調整EL Centro波

設置井架結構所處場地為I類場地，8級多遇地震，時程分析采用埃爾森特羅波（EL Centro），需對地震記錄波進行頻率和強度的調整。根據《建筑抗震設計規范》，特征周期取0.3s，水平地震影響系數最大取0.25［10-14］。研究中采用調整地震波幅值方法，最大水平加速度為0.25g，而EL Centro波最大加速度為αmax=3.417m/s2依據公式如下：

主井井架結果在X、Y、Z方向結構不同，且地震發生時，地震波傳播方向皆有可能性，因此需研究EL Centro波分別單獨施加于X、Y方向和在Y、X、Z三方向按1：0.85：0.65綜合施加地震波的抗震性能情況。

3.2 EL Centro波單獨施加于X方向結果

模型中X方向即為井架對稱方向，井架X方向單獨施加于井架，獲得其時程分析應力和位移結果，前十階固有頻率中較大的應力值如表3所示。針對井架材料，結構不會出現損壞。單獨施加于X方向時刻應力云圖如圖2所示。頂部節點最大位移如表4所示，其中X方向位移最大，但總體值較小，井架結構安全，X方向位移變化如圖3所示。

圖3 井架頂部節點0.18s時刻X方向位移響應曲線

表3 EL Centro波單獨施加于X方向前十階固有頻率較大應力值

表4 EL Centro波單獨施加于X方向位移變化值

圖2 X方向0.18s時刻井架結構應力圖

3.3 EL Centro單獨施加于Y方向結果

井架Y方向即為井架地面長度方向，將EL Centro施加于井架長度方向，進行時程分析，獲得其時程分析應力和位移結果，前十階固有頻率中較大的應力值如表5所示。應力值較小，結構不會出現損壞，其中0.18s時刻應力值最大，最大應力云圖如圖4所示。單獨施加Y方向地震波后頂部節點各方向位移值如表6所示，Y方向最大，頂部節點處Y方向位移云圖如圖5所示。

圖4 Y方向0.18s時刻井架結構應力圖

圖5 井架頂部節點時間Y方向位移響應曲線

表5 EL Centro波單獨施加于Y方向前十階固有頻率較大應力值

表6 EL Centro波單獨施加于Y方向位移變化值

3.4 EL Centro綜合施加于X、Y、Z方向結果

從以上結果分析得出，當單方向施加載荷時，施加于Y方向得到的應力和位移大于施加于X方向。但地震發生時不會規則地單獨施加于井架的X、Y方向，因此將EL Centro地震波在Y、X、Z三方向按1：0.85：0.65施加地震波。前十階固有頻率中較大的應力值如表7所示。結果顯示，在0.18s時應力值最大，其應力云圖如圖6所示。三方向按比例施加地震波后，獲得頂部節點各方向位移值如表8所示，結果顯示在Y方向位移值最大，Y方向時間位移曲線圖如圖7所示。

表7 EL Centro波施加于Y、X、Z三方向前十階固有頻率較大應力值

表8 EL Centro波施加于X、Y、Z三方向Y方向位移變化值

圖6 X、Y、Z方向0.18s時刻井架結構應力圖

圖7 井架頂部節點Y方向時間位移響應曲線

4 總結

對煤礦主井井架建立ANSYS模型進行模態分析，在模態分析基礎上施加工作載荷和按八級抗震場地要求轉換后的EL Centro波，為研究其抗震性能，將EL Centro波分別單獨施加于X方向、Y方向及按1:0.85:0.65比例綜合施加于X、Y、Z方向。

分析結果發現，地震波單獨施于X方向時，應力結果最大值為17.3Mpa，位移為5.3mm，最大位移方向為X方向。加載于Y方向得到的應力結果最大值為21.7Mpa，位移為9.4mm，最大位移方向為Y方向。地震波在Y、X、Z方向按1：0.85：0.65綜合施加于井架結構，得到應力值最大為23.8Mpa，位移最大值為7.4mm，最大位移方向為X方向。井架設計安全，抗震性能強。

通過地震波單獨施加于X和Y方向上結果比較，單獨施加于Y方向時，應力和位移都比單獨施加于X方向上結果大，從井架結構分析，井架結構在X方向軸對稱，Y方向不對稱且不平衡。綜合施加于X、Y、Z方向應力結果比單獨施加于X、Y方向大，但相比材料屈服應力結果較小，井架設計安全，安全系數高。但在本研究中，井架地腳支撐設為固定全約束，在分析中沒有考慮地震波對地面的影響及對井架地腳穩定性影響。本研究驗證了井架結構抗震性能的安全性，但井架安全系數過大。本結果可為井架簡化設計提供參考，也為下一步進行縮比例尺寸實體抗震實驗提供參考。