采動(dòng)區(qū)半主動(dòng)雙重保護(hù)的設(shè)計(jì)與分析

中國(guó)是一個(gè)經(jīng)常發(fā)生地震的國(guó)家，80%以上的礦區(qū)位于地震范圍內(nèi)。采動(dòng)區(qū)地下的有用礦物(如煤炭、金屬礦石等)被開采出來(lái)后,采出空間周圍的巖層失去支撐而向采空區(qū)內(nèi)逐漸移動(dòng),其上覆巖體失去支撐而導(dǎo)致原來(lái)的巖層應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞。為達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài),采動(dòng)區(qū)附近的巖層進(jìn)行應(yīng)力重分布,在此過(guò)程中,采動(dòng)區(qū)周圍的巖體向采空區(qū)逐漸移動(dòng)、彎曲變形和破壞,此時(shí)巖體的移動(dòng)和變形會(huì)向外、向上擴(kuò)展移動(dòng),直至波及采動(dòng)區(qū)上方的地表,進(jìn)而導(dǎo)致地表發(fā)生塌陷、產(chǎn)生裂縫等多種形式的破壞變形。所以采動(dòng)區(qū)建筑物的變形損壞是由于采空區(qū)上的土層變形與建筑的基礎(chǔ)變形不協(xié)調(diào),產(chǎn)生附加應(yīng)力而引起的,主要表現(xiàn)為建筑物傾斜、出現(xiàn)裂縫等一系列問(wèn)題。建筑物的抗采動(dòng)保護(hù)與抗地震保護(hù)是對(duì)立統(tǒng)一的,抗震設(shè)計(jì)和抗開采沉陷變形設(shè)計(jì)的共同點(diǎn)是提高建筑結(jié)構(gòu)的抗變形能力,把既能抵抗地表移動(dòng)變形又能抗地震動(dòng)的措施稱為“雙重保護(hù)”。1采動(dòng)區(qū)雙重保護(hù)裝置研究建筑隔震是通過(guò)在建筑的底部設(shè)置由橡膠支座或阻尼器等部件組成的隔震層,來(lái)延長(zhǎng)建筑結(jié)構(gòu)體系的自振周期,減少輸入到上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用。國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)表明:隔震結(jié)構(gòu)一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震加速度反應(yīng)降低60%左右,但不能降低地表變形對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向作用。采動(dòng)區(qū)屬于對(duì)抗震不利的場(chǎng)地,在地震時(shí)極有可能加劇原有的地表變形,甚至產(chǎn)生較大的震陷,使得地面運(yùn)動(dòng)具有比較復(fù)雜的空間特性,這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的隔震技術(shù)在采動(dòng)區(qū)的建筑物保護(hù)方面具有一定的局限性?；诖?本文研發(fā)了半主動(dòng)雙重保護(hù)裝置,此裝置主要用于煤礦沉陷區(qū)的建筑保護(hù),以實(shí)現(xiàn)抵抗開采沉陷變形所引起的地表不均勻沉陷和隔震作用。目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)采動(dòng)區(qū)建筑物抗震性能、變形特性分析的研究多是將二者分開進(jìn)行分析研究,將抗震性能和抗變形特性分析結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析的較少,本文將采動(dòng)區(qū)建筑物的抗開采沉陷變形和抗震性能設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析,利用碟形彈簧較好的豎向隔震性能、形狀記憶合金SMA的超彈性性能、橡膠支座和粘滯阻尼器的抗震特性設(shè)計(jì)了一種新型的采動(dòng)區(qū)半主動(dòng)雙重保護(hù)裝置,系統(tǒng)分析了在強(qiáng)震下該裝置的力學(xué)參數(shù)、性能、構(gòu)造和工作原理,并通過(guò)數(shù)值模擬分析了該雙重保護(hù)裝置的抗震抗變形性能。2設(shè)計(jì)與雙天然保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型2.1碟形彈簧、橫向的筒式粘滯阻尼器、鉛芯橡膠隔震合成成藏機(jī)理半主動(dòng)雙重保護(hù)裝置主要由雙重保護(hù)支座和外接計(jì)算機(jī)組成,通過(guò)信號(hào)采集器調(diào)節(jié)粘滯性阻尼器來(lái)壓縮或釋放蝶形彈簧,從而實(shí)現(xiàn)采動(dòng)區(qū)建筑物的雙重保護(hù)作用。其中雙重保護(hù)支座(圖1)主要由豎向隔振的碟形彈簧、豎向的筒式粘滯阻尼器、鉛芯橡膠隔震支座(內(nèi)含SMA絲,主要是為了防止傾覆和支座的復(fù)位)以及導(dǎo)向套筒等部分組成。導(dǎo)向套筒內(nèi)的粘滯阻尼器和碟形彈簧通過(guò)并聯(lián)來(lái)提供合適的豎向阻尼和剛度,主要用于抵抗開采沉陷所引起的地表變形和豎向隔震,調(diào)節(jié)地表不均勻沉陷和豎向地震作用對(duì)建筑的損害和破壞;鉛芯橡膠隔震支座則能提供較為適宜的阻尼和水平剛度,主要用于抵抗水平方向的地震作用;導(dǎo)向套筒的主要作用則是傳遞水平力以及保護(hù)其內(nèi)部的碟形彈簧和粘滯阻尼器不受水平力的作用。雙重保護(hù)支座不僅構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,受力很明確,而且能夠同時(shí)在豎向和水平方向提供較為適宜的阻尼和剛度。2.2半主動(dòng)雙重保護(hù)裝置豎向抵抗開采沉陷變形的筒式粘滯阻尼器和碟形彈簧并聯(lián)組成的支座主要通過(guò)碟形彈簧的串并聯(lián)組合,然后在組合支座的中心孔的中間裝上筒式粘滯阻尼器導(dǎo)向套筒。此時(shí)的導(dǎo)向套筒能夠限制碟形彈簧的水平位移,使其只能在豎向上產(chǎn)生位移。筒式粘滯阻尼器-碟形彈簧組合支座具有較為適宜的阻尼性能和豎向剛度,并且豎向剛度相對(duì)于水平剛度要小得多。這一性質(zhì)正好能對(duì)抵抗開采沉陷變形和豎向地震起到較好的效果,并且容易通過(guò)調(diào)整碟形彈簧的型號(hào)以及組合方式獲得所需要的合適剛度,利用筒式粘滯阻尼器導(dǎo)向套筒則可以保證阻尼比滿足需要。通過(guò)鉛芯疊層橡膠支座(內(nèi)含SMA)、筒式粘滯阻尼器和碟形彈簧支座的串聯(lián)組合,然后對(duì)此裝置進(jìn)行焊接拼裝,形成了一個(gè)三向都具有適宜的阻尼性能和剛度的三維環(huán)形基礎(chǔ)隔震抗變形半主動(dòng)雙重保護(hù)裝置。半主動(dòng)雙重保護(hù)裝置主要利用主動(dòng)變剛度裝置(AVS)來(lái)實(shí)現(xiàn)在保護(hù)支座不同的工作環(huán)境和工作狀態(tài)間進(jìn)行合理切換。在工作狀態(tài)切換的過(guò)程中,其內(nèi)部的物理參數(shù)及其向建筑物提供的等效控制力是不連續(xù)的。雙重保護(hù)支座實(shí)現(xiàn)其雙重保護(hù)功能的過(guò)程如下:在地下煤炭開采過(guò)程中,半主動(dòng)雙重保護(hù)裝置根據(jù)其地表的移動(dòng)變形情況,通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)粘滯阻尼器來(lái)壓縮或釋放蝶形彈簧,保證建筑的基礎(chǔ)始終處于同一高度,來(lái)抵抗地基的不均勻沉降,改善整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能和傳力路徑,使建筑物始終處于正常安全使用狀態(tài),避免因采動(dòng)區(qū)的開采沉陷所引起的地表移動(dòng)變形,改變地面建筑物的重心,而使建筑物產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng),從而可以有效緩解開采沉陷變形對(duì)建筑物的危害;地震發(fā)生時(shí),根據(jù)支座的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力情況產(chǎn)生機(jī)械鎖死,使豎向隔振體不參與工作,豎向剛度由水平隔震支座提供,這時(shí)的豎向剛度大,可抑制隔震結(jié)構(gòu)的搖擺。還提供了必須的柔度和耗能能力,減小了地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),最后達(dá)到保護(hù)建筑主體結(jié)構(gòu)的目的。半主動(dòng)雙重保護(hù)裝置不僅能有效降低水平地震動(dòng)對(duì)上部建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),同時(shí)也能緩解地下煤炭開采引起的地表不均勻沉陷對(duì)建筑的損害破壞,還能有效降低豎向地震作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),并且構(gòu)造簡(jiǎn)單,功能易于實(shí)現(xiàn)。2.3普通碟形彈簧剛度簡(jiǎn)介雙重保護(hù)支座碟形彈簧的力學(xué)性能參數(shù)的選取,主要是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)碟形彈簧(GB/T1972-2005),采動(dòng)區(qū)建筑物的豎向荷載、剛度、變形量的要求,以及實(shí)際設(shè)計(jì)的半主動(dòng)雙重保護(hù)支座的尺寸進(jìn)行選擇碟簧。單片碟簧的主要參數(shù)為D=180mm,H0=14mm,d=92mm,h0=4mm,t=10mm,h/t=0.4<0.5,此時(shí)蝶形彈簧的特征曲線近似線性變化,其彈性模量為E=2.06×104N/mm2,泊松比μ=0.3。碟形彈簧的負(fù)荷、剛度和變形能的計(jì)算公式為F=4E1-μ2?t4Κ1D2?Κ24?ft[Κ24(h0t-ft)(h0t-f2t)+1](1)F′=4E1-μ2?t3Κ1D2?Κ24{Κ24[(h0t)2-3?h0t?ft+32(ft)2]+1}(2)F=4E1?μ2?t4K1D2?K24?ft[K24(h0t?ft)(h0t?f2t)+1](1)F′=4E1?μ2?t3K1D2?K24{K24[(h0t)2?3?h0t?ft+32(ft)2]+1}(2)U=∫f0F?df=2E1-μ2?t5Κ1D2?Κ24(ft)2[Κ24(h0t-f2t)2+1](3)U=∫f0F?df=2E1?μ2?t5K1D2?K24(ft)2[K24(h0t?f2t)2+1](3)其中:Κ1=1π?[(C-1)/C]2(C+1)/(C-1)-2/lnC(4)Κ4=√-C12+√(C12)2+C2(5)C=Dd(6)C1=(t′t)2[(14)?(Η0t)-t′t+34][(58)?(Η0t)-t′t+38](7)C2=C1(t′/t)3[532(Η0t-1)2+1](8)一般地,C=1.7～2.5,對(duì)吸振、緩沖的碟形彈簧,可取C=1.7～2。如果C過(guò)大,則導(dǎo)致外徑D過(guò)大,此時(shí)空間利用不理想;若C過(guò)小,內(nèi)外直徑的尺寸過(guò)于接近,給實(shí)際設(shè)計(jì)帶來(lái)難度。根據(jù)實(shí)際計(jì)算:單片碟形彈簧的負(fù)荷F=2.31×105N,剛度F′=5.28×104N/mm。由公式Fz=F(9)fz=i·f(10)Hz=i·H0(11)經(jīng)計(jì)算得出豎向承載力Fz=2.31×105N,豎向總壓縮量fz=12mm,碟形彈簧的總高度Hz=56mm,串聯(lián)的碟形彈簧組豎向阻尼比為0.20,總豎向剛度F′/4=1.32×104N/mm。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算,形狀記憶合金SMA和橡膠支座的力學(xué)性能參數(shù)詳見表1,表2和表3。3隔震結(jié)構(gòu)體系運(yùn)動(dòng)方程由圖2可知,上部結(jié)構(gòu)第i層的地震反應(yīng)為xi=xg+xb+xθ+xsi;可表達(dá)為:xi=xg+xb+Hiθb+xsi(12)上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程為:[m]{¨xs}+[C]{˙xs}+[Κ]{xs}=0(13)把式(13)代入式(12)得[m]{¨xs}+[C]{˙xs}+[Κ]{xs}=-(¨xg+¨xb)[m]-θb[Η][m](14)式中[H]=diag{H1,H2,…,Hi,…,Hn},由達(dá)朗貝爾原理,可列出隔震結(jié)構(gòu)體系運(yùn)動(dòng)方程:m0(¨xg+¨xb)+n∑i=1mi(¨xg+¨xb+Ηiθb+¨xsi)+C˙xb+Κxb=0(15)n∑i=1miΗi(¨xg+¨xb+Ηiθb+¨xsi)+Μ=0(16)式中,M為開采沉陷變形所引起隔震結(jié)構(gòu)擺動(dòng)對(duì)底層產(chǎn)生的彎矩。4雙保護(hù)計(jì)算模型和數(shù)值模擬4.1anasas的數(shù)值模型某礦區(qū)有現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的辦公樓(圖3),底層層高為4.2m,其余各層層高為3.3m,縱向4跨,跨度為6m。橫向2跨,跨度為4.2m,礦區(qū)設(shè)防烈度為7度,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25,彈性模量為E=2.8×104N/mm2,泊松比為0.2,地基土采用Drucker-Parger彈塑性本構(gòu)模型?；A(chǔ)采用筏板基礎(chǔ),厚度為1m,采用C30混凝土,彈性模量為E=3.0×104N/mm2。因?yàn)樯婕暗接捎诘叵旅禾块_采所造成的地表不均勻沉降,建立了考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的采動(dòng)土-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)的整體模型(圖4)。在ANSYS有限元數(shù)值計(jì)算中,梁、柱采用BEAM188單元;樓板采用SHELL63單元;雙重保護(hù)支座采用COMBIN40和COMBIN14單元進(jìn)行模擬;普通支座采用COMBIN40單元進(jìn)行模擬,用D-P材料模擬土的材料非線性;用接觸單元模擬采動(dòng)土與筏板基礎(chǔ)的接觸,其中地表的不均勻沉降主要通過(guò)ANSYS的單元生死功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸入地震波為加速度峰值較大的日本阪神地震波,其震級(jí)為6.9級(jí),地震波的記錄時(shí)長(zhǎng)為48s,時(shí)間間隔為0.02s。日本阪神地震波最大加速度:東西向?yàn)?.821g,南北向0.599g;最大速度:東西向?yàn)?1.3cm/s,南北向?yàn)?4.3cm/s;最大位移:東西向?yàn)?7.68cm,南北向?yàn)?9.95cm?？紤]到阪神地震波的低頻成分較大,以及礦區(qū)的抗震設(shè)防烈度,截取了阪神地震波加速度較大的5～25s之間的20s記錄做為時(shí)程分析的地震波輸入,如圖5所示。4.2橡膠合成甲基的位移在數(shù)值計(jì)算分析過(guò)程中,主要通過(guò)對(duì)比普通橡膠支座和雙重保護(hù)支座的隔震效應(yīng)來(lái)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析。圖6為采動(dòng)區(qū)建筑物在阪神地震波激勵(lì)作用下的位移響應(yīng)時(shí)程曲線,雙重保護(hù)支座的土-結(jié)構(gòu)相互作用的整體系統(tǒng)的最大位移為24.33mm,普通橡膠隔震支座的土結(jié)構(gòu)相互作用的整體系統(tǒng)的最大位移為38.59mm,雙重保護(hù)支座的土-結(jié)構(gòu)相互作用的整體系統(tǒng)的峰值位移減小36.95%,較為合理地減小普通隔震支座的相對(duì)位移,彌補(bǔ)了普通橡膠支座水平剛度相對(duì)過(guò)小,而支座位移相對(duì)過(guò)大的缺陷。圖7為采動(dòng)區(qū)建筑物在阪神地震波激勵(lì)作用下速度響應(yīng)時(shí)程曲線,雙重保護(hù)支座的土-結(jié)構(gòu)相互作用的整體系統(tǒng)的最大速度為0.276m/s,普通橡膠支座雙重保護(hù)支座的土-結(jié)構(gòu)相互作用的整體系統(tǒng)的的最大速度為0.398m/s,雙重保護(hù)支座的土-結(jié)構(gòu)相互作用的整體系統(tǒng)的峰值速度減小30.65%。圖8為采動(dòng)區(qū)建筑物在阪神地震波激勵(lì)作用下加速度響應(yīng)時(shí)程曲線,雙重保