基于EL Centro波的煤矿主井井架抗震研究

刘国庆，李 彦

（淮南师范学院，安徽 淮南 232038）

0 引言

煤矿井架用于提升煤炭、设备、人员、物资等，是井下与地面人员、实物联系通道，其结构需满足工况强度要求，同时具备抗震性能，现有研究主要集中于静力学分析和可靠性研究［1-6］，对于井架在地震响应下的动态性能及抗震研究较少。因此本文以淮南某矿井架为实例，在井架施加工况载荷情况下，研究遭遇8级地震井架的应力情况。

1 模型建立及静载

主井井架结构多，主副腿、起重架、天轮平台、支撑框架和基础为主要构成部分，组成双斜撑式结构，为安全考虑，罐笼采用4绳提升，安全系数为6，天轮直径为5.0m。

主井井架结构较为复杂，高度近80m，为研究方便，建模时利用梁结构，材料弹性模量E=206Gpa，泊松比μ=0.3［7-8］。依据模型进行简化，将简化的部分依据其质量换算成重力载荷，在各计算中施加到模型上［9］，各结构尺寸重力载荷如表1所示。基于AN‐SYS软件建立井架模型并分割网格后如图1所示，网格数240余万。

图1 井架网格划分模型

进行抗震性能研究前，井架自重及其余各部件重力载荷，通过ANSYS设置于各节点，井架单次提升煤炭等重16t，将工况载荷分别施加于相应节点，各部件节点数如表1中所示。

表1各部件重力荷载

2 模态分析

根据井架工作情况，井架底角四个支撑处由混凝土固定，研究中不考虑地震对支撑地脚混凝土影响，假定为刚性体，因此进行全约束施加，对井架进行模态分析，综合比较采用分块兰索斯法（Block Lanczos法）提取模态，通过求解计算，得出前十阶频率及周期如表2所示。

表2 井架前10阶频率及周期

3 EL Centro波时程分析

3.1 调整EL Centro波

设置井架结构所处场地为I类场地，8级多遇地震，时程分析采用埃尔森特罗波（EL Centro），需对地震记录波进行频率和强度的调整。根据《建筑抗震设计规范》，特征周期取0.3s，水平地震影响系数最大取0.25［10-14］。研究中采用调整地震波幅值方法，最大水平加速度为0.25g，而EL Centro波最大加速度为αmax=3.417m/s2依据公式如下：

主井井架结果在X、Y、Z方向结构不同，且地震发生时，地震波传播方向皆有可能性，因此需研究EL Centro波分别单独施加于X、Y方向和在Y、X、Z三方向按1：0.85：0.65综合施加地震波的抗震性能情况。

3.2 EL Centro波单独施加于X方向结果

模型中X方向即为井架对称方向，井架X方向单独施加于井架，获得其时程分析应力和位移结果，前十阶固有频率中较大的应力值如表3所示。针对井架材料，结构不会出现损坏。单独施加于X方向时刻应力云图如图2所示。顶部节点最大位移如表4所示，其中X方向位移最大，但总体值较小，井架结构安全，X方向位移变化如图3所示。

图3 井架顶部节点0.18s时刻X方向位移响应曲线

表3 EL Centro波单独施加于X方向前十阶固有频率较大应力值

表4 EL Centro波单独施加于X方向位移变化值

图2 X方向0.18s时刻井架结构应力图

3.3 EL Centro单独施加于Y方向结果

井架Y方向即为井架地面长度方向，将EL Centro施加于井架长度方向，进行时程分析，获得其时程分析应力和位移结果，前十阶固有频率中较大的应力值如表5所示。应力值较小，结构不会出现损坏，其中0.18s时刻应力值最大，最大应力云图如图4所示。单独施加Y方向地震波后顶部节点各方向位移值如表6所示，Y方向最大，顶部节点处Y方向位移云图如图5所示。

图4 Y方向0.18s时刻井架结构应力图

图5 井架顶部节点时间Y方向位移响应曲线

表5 EL Centro波单独施加于Y方向前十阶固有频率较大应力值

表6 EL Centro波单独施加于Y方向位移变化值

3.4 EL Centro综合施加于X、Y、Z方向结果

从以上结果分析得出，当单方向施加载荷时，施加于Y方向得到的应力和位移大于施加于X方向。但地震发生时不会规则地单独施加于井架的X、Y方向，因此将EL Centro地震波在Y、X、Z三方向按1：0.85：0.65施加地震波。前十阶固有频率中较大的应力值如表7所示。结果显示，在0.18s时应力值最大，其应力云图如图6所示。三方向按比例施加地震波后，获得顶部节点各方向位移值如表8所示，结果显示在Y方向位移值最大，Y方向时间位移曲线图如图7所示。

表7 EL Centro波施加于Y、X、Z三方向前十阶固有频率较大应力值

表8 EL Centro波施加于X、Y、Z三方向Y方向位移变化值

图6 X、Y、Z方向0.18s时刻井架结构应力图

图7 井架顶部节点Y方向时间位移响应曲线

4 总结

对煤矿主井井架建立ANSYS模型进行模态分析，在模态分析基础上施加工作载荷和按八级抗震场地要求转换后的EL Centro波，为研究其抗震性能，将EL Centro波分别单独施加于X方向、Y方向及按1:0.85:0.65比例综合施加于X、Y、Z方向。

分析结果发现，地震波单独施于X方向时，应力结果最大值为17.3Mpa，位移为5.3mm，最大位移方向为X方向。加载于Y方向得到的应力结果最大值为21.7Mpa，位移为9.4mm，最大位移方向为Y方向。地震波在Y、X、Z方向按1：0.85：0.65综合施加于井架结构，得到应力值最大为23.8Mpa，位移最大值为7.4mm，最大位移方向为X方向。井架设计安全，抗震性能强。

通过地震波单独施加于X和Y方向上结果比较，单独施加于Y方向时，应力和位移都比单独施加于X方向上结果大，从井架结构分析，井架结构在X方向轴对称，Y方向不对称且不平衡。综合施加于X、Y、Z方向应力结果比单独施加于X、Y方向大，但相比材料屈服应力结果较小，井架设计安全，安全系数高。但在本研究中，井架地脚支撑设为固定全约束，在分析中没有考虑地震波对地面的影响及对井架地脚稳定性影响。本研究验证了井架结构抗震性能的安全性，但井架安全系数过大。本结果可为井架简化设计提供参考，也为下一步进行缩比例尺寸实体抗震实验提供参考。