劉書賢， 魏曉剛， 劉魁星， 譚廣柱， 張慧瑩

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 遼寧 阜新 123000；2．天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 30072；3.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001)

我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，而且80%以上的礦區(qū)位于地震區(qū)。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)裂縫等一系列問題[1]。

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)”[2]。

1 基于隔震技術(shù)的雙重保護(hù)支座

建筑隔震是通過在建筑的底部設(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[3]。

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[4，5]，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 半主動(dòng)雙重保護(hù)裝置構(gòu)造的設(shè)計(jì)及其力學(xué)模型

2.1 構(gòu)造組成

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，通過信號(hào)采集器調(diào)節(jié)粘滯性阻尼器來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并聯(lián)來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。

圖1 抗震抗變形雙重保護(hù)支座

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 工作原理

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)功能的過程如下：在地下煤炭開采過程中，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，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)粘滯阻尼器來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 主要組成部分的力學(xué)性能參數(shù)

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/T 1972-2005)[6]，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=180 mm，H0=14 mm，d=92 mm，h0=4 mm，t=10 mm，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[6～9]為

(1)

(2)

(3)

其中：

(4)

(5)

(6)

C1=

(7)

(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過大，則導(dǎo)致外徑D過大，此時(shí)空間利用不理想；若C過小，內(nèi)外直徑的尺寸過于接近，給實(shí)際設(shè)計(jì)帶來難度。根據(jù)實(shí)際計(jì)算：?jiǎn)纹螐椈傻呢?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=12 mm，碟形彈簧的總高度Hz=56 mm，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。

表1 形狀記憶合金SMA主要力學(xué)參數(shù)

表2 疊層橡膠支座的幾何參數(shù)

表3 橡膠支座中橡膠和鋼板材料力學(xué)參數(shù)

3 半主動(dòng)雙重保護(hù)體系動(dòng)力學(xué)方程

圖2 多質(zhì)點(diǎn)平擺動(dòng)體系基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型

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：

(13)

把式(13)代入式(12)得

(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：

(15)

(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 雙重保護(hù)計(jì)算模型及數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值計(jì)算分析模型

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4.2 m，其余各層層高為3.3 m，縱向4跨，跨度為6 m。橫向2跨，跨度為4.2 m，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1 m，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)。

圖3 框架結(jié)構(gòu)有限元模型

圖4 采動(dòng)區(qū)整體結(jié)構(gòu)有限元模型

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[3]，其中地表的不均勻沉降主要通過ANSYS的單元生死功能來實(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48 s，時(shí)間間隔為0.02 s。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)?1.3 cm/s，南北向?yàn)?4.3 cm/s；最大位移：東西向?yàn)?7.68 cm，南北向?yàn)?9.95 cm。

考慮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5～25 s之間的20 s記錄做為時(shí)程分析的地震波輸入，如圖5所示。

圖5 日本阪神地震波

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在數(shù)值計(jì)算分析過程中，主要通過對(duì)比普通橡膠支座和雙重保護(hù)支座的隔震效應(yīng)來對(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24.33 mm，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38.59 mm，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)過小，而支座位移相對(duì)過大的缺陷。

圖6 位移響應(yīng)時(shí)程曲線

圖7 速度響應(yīng)時(shí)程曲線

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0.276 m/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0.398 m/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 加速度響應(yīng)時(shí)程曲線

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，雙重保護(hù)支座的土-結(jié)構(gòu)相互作用的整體系統(tǒng)的最大加速度為2.26 m/s2，普通橡膠支座系統(tǒng)的最大加速度為3.38 m/s2，雙重保護(hù)支座的土-結(jié)構(gòu)相互作用的整體系統(tǒng)的加速度峰值減小33.13%。

綜上可知：雙重保護(hù)支座跟普通橡膠支座相比，其水平剛度相對(duì)適中、位移反應(yīng)更加合理、隔震耗能效果相對(duì)更好。

5 結(jié) 語

采動(dòng)區(qū)半主動(dòng)雙重保護(hù)裝置的數(shù)值模擬分析表明，該雙重保護(hù)裝置能夠有效地控制采動(dòng)區(qū)建筑物的地震響應(yīng)，抵抗開采沉陷變形，較好地保證了采動(dòng)區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，具有很好的減震耗能效果。

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