底部托柱转换R.C.井塔结构抗震性能及设计方法研究

摘要

井塔是矿山地面工业建筑中最重要的建筑物之一，一般也是工业广场最高的建筑物，作为矿山的标志性建筑，其具有荷载大、层高大、楼板开洞大、结构竖向不均匀等特点。现阶段，一方面由于设计规范的滞后性，对大直径(>4.0m)提升机的大厅层楼面安装检修活荷载取值暂无规定，对大层高(近20.0m)剪力墙的稳定性计算也较为模糊。另一方面，由于冻结法立井施工需要较长的施工周期及作业面积，传统的井塔结构布置方案将不能满足实际需要。为了解决这一矛盾，本文提出了抽柱亦即托柱转换的设计对策。由于井塔处于矿井的咽喉部位，属于地震中及地震震后功能不能中断建筑，因此本文对其抗震性能进行了研究和分析。
　　本研究主要内容包括：⑴基于《煤矿矿井建筑结构设计规范》(GB50592-2010)对大直径(4.5m、5.0m)提升机大厅层楼面安装检修活荷载取值没有给定的情况，本文对国内在建、已建的部分井塔的设计和使用情况以及提升机生产厂家进行了实地调研，通过分析和计算得出可供设计用的大直径提升机大厅层楼面安装检修活荷载代表值。⑵基于现阶段井塔施工工艺的需要，提出采用“抽柱”的办法从而形成底层托柱转换的结构设计方案。为了减轻转换梁的自重，在对井塔结构进行弹性受力性能分析计算的基础上，论文提出可以利用壳单元对转换梁进行详细的挖空优化，得出了符合工程实际需要的桁架设计方案，同时对转换构件的设计方法提出了相应的设计建议。⑶基于托柱转换井塔功能特殊、结构复杂、抗震性能要求高的特点，利用抗震性能分析软件PERFORM-3D建立抽柱前后井塔结构的弹塑性模型，对其整体及关键构件的抗震性能进行了分析。在分析了抽柱对井塔的动力特性、层间位移角、基底剪力、能量耗散、顶点位移、整体屈服机制等方面的影响后，综合利用抗弯、抗剪等性能指标对托柱转换井塔结构的抗震性能进行分析评价，结果表明抽柱后的井塔结构有良好的抗震性能。⑷基于剪力墙在平面外弯曲失稳时和楼板在垂直板面荷载作用下有相同的变形特征的特点，论文以弹性理论、薄板理论为依据，把梁板构件截面相对抗弯刚度和相对抗扭刚度引入到剪力墙和扶壁柱的相对刚度计算中，用有限元模拟的方法对扶壁柱约束剪力墙的边界条件进行了数值界定，依据板的小挠度弯曲变形计算理论，建立了考虑弹性支承梁约束的剪力墙稳定承载力计算方程，依据平衡法求解的原理用软件编制了相应的计算程序。在此基础上，结合《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)的计算方法提出了适合于大层高剪力墙稳定性计算的解析解法和ANSYS有限元计算法。⑸基于剪力墙在地震作用下截面的抗弯抗剪强度利用率低的特点，利用本文提出的考虑扶壁柱(翼墙)约束作用的大层高剪力墙稳定性的计算理论与方法，对剪力墙的厚度重新进行了设计，并对剪力墙减薄后的井塔与原井塔进行了结构整体及关键构件的对比分析。结论表明减薄后的剪力墙在满足稳定性要求的基础上，在结构自重得到减轻的同时剪力墙的抗弯抗剪性能也得到更充分的发挥，结构整体依然有良好的抗震性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 井塔设计方法研究现状

1.3 基于性能的井塔结构抗震设计理论研究现状

1.4 本文的主要研究内容及其意义

2 井塔提升机大厅层楼面活荷载代表值取值研究

2.1 引言

2.2 提升设备规格及安装检修区布置调查

2.3 提升机大厅层楼面活荷载的计算

2.4 楼面可变荷载作用标准值的推断

2.5 大直径提升机大厅层楼面活荷载代表值的设计取值

2.6 本章小结

3 R.C.井塔结构的弹性受力分析及托柱转换设计方案研究

3.1 引言

3.2 工程背景及选用的分析计算程序

3.3 模型参数及水平荷载计算原理

3.4 原型结构有限元计算结果可靠性验证

3.5 抽柱对井塔结构的受力性能影响

3.6 转换构件的受力分析

3.7 本章小结

4 基于性能的R.C.井塔结构弹塑性模型研究

4.1 引言

4.2 PERFORM-3D简介

4.3 进行结构弹塑性分析的目的

4.4 井塔计算模型

4.5 井塔结构抗震性能目标的确定

4.6 井塔结构基于性能的抗震设计计算方法

4.7 地震波的选取与使用

4.8 本章小结

5 抽柱对R.C.井塔结构抗震性能影响研究

5.1 引言

5.2 模态计算结果分析

5.3 静力弹塑性结果分析

5.4 动力弹塑性结果分析

5.5 本章小结

6 R.C.井塔剪力墙稳定性的计算方法研究

6.1 引言

6.2 剪力墙屈曲计算基本理论

6.3 剪力墙稳定计算的弹性边界条件

6.4 剪力墙稳定性的《高规》计算方法

6.5 大层高剪力墙稳定性计算的解析解法

6.6 大层高剪力墙稳定性计算的ANSYS有限元计算方法

6.7 井塔剪力墙稳定性的计算方法与应用

6.8 本章小结

7 剪力墙厚度减少对R.C.井塔结构抗震性能影响研究

7.1 引言

7.2 结构整体计算结果对比分析

7.3 关键构件承载力及变形对比分析

7.4 本章小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

致谢

附录

附录1：攻读博士学位期间发表的著作与论文

附录2：攻读博士学位期间参加的主要科研项目

附录3：专利授权

附录4：论文中使用的部分资料