潘江華

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司工程部，遼寧 沈陽 110015）

0 引言

每次地震的發(fā)生都會對人類造成巨大的生命和財產(chǎn)的損失。我國是一個地震活動比較頻繁的國家，為了減小地震對煤礦主要建（構(gòu)）筑物的損害程度，保證礦區(qū)工人的生命財產(chǎn)安全，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員必須對結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計有一定的了解。

唐山地震發(fā)生時間為1976年7月28日3時42分，震級7.8級，震中位置為北緯39.4°，東經(jīng)118.2°；震中烈度11度，震源深度12～16k m。開灤煤礦局所屬唐山礦的烈度為11度，馬家溝礦10度。震后的唐山礦基本上是一片廢墟，除了三座鋼結(jié)構(gòu)井架有部分桿件彎曲，還基本完好的挺立在工業(yè)廣場上外，鋼筋混凝土井塔塔壁斷裂，上部平移落地；鋼筋混凝土煤倉倉底柱傾斜，部分倒塌；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的洗煤車間，柱子多處出現(xiàn)鋼筋外露呈燈籠狀或多條斜裂縫、交叉裂縫；皮帶走廊嚴重破壞或倒塌，磚混結(jié)構(gòu)基本倒塌。經(jīng)過加固和重建后，2013年回訪發(fā)現(xiàn)，這些建（構(gòu)）筑物除了個別的由于工藝改造或其他原因已拆除以外，絕大多數(shù)都還在使用著。盡管1976年當時我國的建筑抗震規(guī)范不完善，但歷經(jīng)30多年風風雨雨的生產(chǎn)實踐及幾十次的4～5級地震考驗（據(jù)唐山地震局提供的資料，在唐山老震區(qū)198 0年以來4.0級以上地震有24次，最大一次發(fā)生在1995年震級5.0級），證明其設(shè)計基本上是合理的，當時采取的一些措施是合適的［1］。

1 設(shè)計回訪調(diào)查

本次回訪是在震后30周年，由中國煤炭設(shè)計協(xié)會組織原參建十一家設(shè)計院，近40人的隊伍，對開灤煤礦局進行震后恢復(fù)建設(shè)的項目進行了現(xiàn)場走訪調(diào)查，唐山礦和馬家溝礦為中煤國際工程集團沈陽設(shè)計研究院有限公司援建項目，調(diào)查結(jié)果如表1所示。

2 主要建（構(gòu)）筑物地震破壞情況的分析

開灤煤局始建于清朝末期的老礦區(qū)，各礦內(nèi)的建（構(gòu)）筑物建成年代不一，過去的唐山地區(qū)又是不考慮抗震設(shè)防，所以唐山地震對礦山地面建（構(gòu)）筑物造成的破壞比較嚴重，下面對唐山地震中礦山主要建（構(gòu)）筑物的破壞情況做一下分析。

2.1 井架

唐山礦和馬家溝礦均采用豎井開采，結(jié)構(gòu)形式主要有：六柱式鋼井架(十四座)；六柱式鋼和磚組合井架(即井架的立架和斜架上部為鋼，下部為磚砌體，共九座)；六柱式現(xiàn)澆鋼筋混凝土井架(一座)，六柱式裝配式鋼筋混凝土井架(一座)，混合井架(鋼天輪架、磚立架一座)，共二十六座。在唐山地震中除一座混合井架在地震中倒塌外，其余各井架均未倒塌，其中六柱式鋼井架、鋼筋混凝土井架破壞均較輕，鋼和磚組合井架破壞較重。

表1.設(shè)計回訪調(diào)查項目明細表

唐山礦一號井鋼井架，高35米，震后，箕斗安裝孔框口上方，立柱呈s狀變形，井架側(cè)面在該部位上下的兩個節(jié)間內(nèi)米字形腹桿，有的被壓成折線形，有的在節(jié)點處斷裂。井架向南傾斜約40毫米，向西傾斜約8 0毫米。斜架基礎(chǔ)的地腳螺栓向上拔起10毫米。

唐山礦二號井鋼井架，高37.8米，震后，立架最上節(jié)間(標高22.5～26.5米)四根立柱都不同程度的呈s狀彎曲，井架頭部明顯向南偏移，天輪平臺向南傾斜。據(jù)實測天輪平臺中心向南偏移約400毫米，向西偏移約40毫米，該節(jié)間前后桁架內(nèi)的立桿和斜桿也都有彎曲，節(jié)點處連接鉚釘被剪斷。斜架南側(cè)弦桿，其中一肢在標高約9米處彎折，使該桁架上部下沉約250毫米，北側(cè)弦桿，在該處也有彎曲和扭轉(zhuǎn)。斜架腹桿與工字鋼樓面梁連接處(標高13.5米)鉚釘被剪斷，標高13.5米以下斜架腹桿都有不同程度的彎曲和扭轉(zhuǎn)。

唐山礦三號井鋼井架，高30米，震后，天輪平臺中心向西偏移90毫米，向北偏移120毫米，立架未見損壞。斜架上部基本完好。下部在井口房以外部分，被井口房西山墻頂部女兒墻的塌落砸壞。斜架基礎(chǔ)的四個地腳螺栓，一個被剪斷，三個被拉長。

震后重建時，這三座井架僅用多臺穩(wěn)車和千斤頂進行了整體糾偏扶正，對局部桿件進行了更換，對斜架基礎(chǔ)和錨栓進行了修復(fù)和補強，維修量并不大，整個修復(fù)工期僅用了一個月，目前仍在使用，狀態(tài)良好。由此可見鋼結(jié)構(gòu)井架的抗震性能是很好的，今后在設(shè)計中，應(yīng)優(yōu)先選擇鋼結(jié)構(gòu)井架，特別是在高烈度區(qū)。

2.2 多繩提升井塔

唐山礦新風井井塔為多繩提升井塔，結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。震后，唐山礦新風井井塔在底層門洞頂部斷裂，上部塔身平移落在地上。其破壞的主要原因是塔身下部開了兩個寬4.8米、高4.5米的進出車門洞，大大削弱了井塔下部截面，井塔截面剛度產(chǎn)生突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中，而門洞周邊的加固梁柱構(gòu)造又有一些缺陷，在11度的大地震作用下，使井塔斷裂破壞。震后新建的唐山礦新風井井塔，是利用原有井塔完好的倒圓錐殼基礎(chǔ)，塔身為正八邊形，空間鋼桁架組成的鋼結(jié)構(gòu)，目前仍在使用，狀態(tài)良好。由上述可以看出細節(jié)決定成敗，局部影響全局，應(yīng)加強節(jié)點及局部設(shè)計。

2.3 皮帶走廊

唐山礦和馬家溝礦共有10條皮帶走廊，從地震后破壞來看，上部結(jié)構(gòu)為混合式（用磚墻、鋼筋混凝土屋面板或木屋架瓦頂?shù)淖呃葹榛旌鲜剑┑钠茐淖顬閲乐兀蟛糠值顾?，少?shù)未倒者，墻上也有不少裂縫，而其他類型走廊則多經(jīng)受住了此次強烈地震的考驗，幾乎沒有什么破壞(不包括由于支座位移而引起的走廊上部結(jié)構(gòu)破壞)。從走廊下部支架來看，鋼及鋼筋混凝土支架未倒塌，但鋼筋混凝土支架的梁、柱上出現(xiàn)了一些較大的裂縫或斷裂；磚石支架裂縫更大，有的倒塌；鋼支架基本完好。震后唐山礦皮帶走廊，除入洗原煤皮帶走廊外，均原地重建。

皮帶走廊在唐山地震中，總體破壞是比較嚴重的，這反映了皮帶走廊抗震能力相對較弱，在設(shè)計中應(yīng)特別予以重視。皮帶走廊抗震能力較弱的主要原因是：①整條皮帶走廊下部僅由幾榀支架支承著，頭重腳輕，整體剛度相對較弱；②皮帶走廊一般都是傾斜的，一端高一端低，在地震作用下會有較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；③走廊兩端與其他建（構(gòu)）筑物相聯(lián)，如果之間未用縫分開時，兩者的自震周期和震型都會有較大的差別，從而造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。這些抗震不利因素都應(yīng)該在走廊的抗震設(shè)計中予以特別注意。這次調(diào)查，唐山礦皮帶走廊修復(fù)加固后，目前均正在使用，狀態(tài)良好。

2.4 煤倉(裝車倉)

鋼筋混凝土方倉倉體本身具有較大的剛度，抗震性能好，震害多表現(xiàn)在煤倉下部柱和倉頂室部分，少數(shù)單排煤倉倒塌或局部倒塌。鋼筋混凝土筒倉震后基本完好，震害主要表現(xiàn)為磚混結(jié)構(gòu)的倉頂室倒塌；磚砌圓筒倉大部分倒塌。震后唐山礦煤倉除原煤倉南側(cè)兩跨斷裂倒塌重建外，其余經(jīng)加固維修后均繼續(xù)使用。建議地震區(qū)的煤倉，應(yīng)盡量采用鋼筋混凝土筒倉，少采用框架支承的鋼筋混凝土方倉，不應(yīng)采用磚煤倉，特別是在高烈度區(qū)。鋼筋混凝土煤倉的倉頂結(jié)構(gòu)，也應(yīng)采用鋼筋混凝土及鋼結(jié)構(gòu)，不應(yīng)采用磚混結(jié)構(gòu)。這次調(diào)查，唐山礦煤倉修復(fù)加固后，使用狀態(tài)良好。

2.5 洗煤廠主廠房、主井井口房等鋼筋混凝土框架房屋

唐山礦和馬家溝礦的洗煤廠主廠房、主井井口房及選矸樓等，雖破壞程度不一，但倒塌和局部倒塌的現(xiàn)象甚少，主要破壞為層間的梁端、柱頂混凝土壓碎斷裂，鋼筋彎曲外露，少數(shù)框架柱的底部及較短粗框架柱的中部也有斷裂破壞現(xiàn)象。其破壞形式主要有：①框架節(jié)點柱頭的局部水平裂縫和梁端的豎向裂縫，嚴重者裂縫貫通截面；②柱端混凝土壓碎，鋼筋外露；③柱端混凝土壓碎、崩落，鋼筋彎曲；④柱端混凝土散落，鋼筋壓彎成燈籠狀；⑤梁端及柱中部的斜裂縫。

震后唐山礦選煤廠水洗車間框架梁及柱的震害較嚴重，大部分構(gòu)件均遭到破壞，總破壞率高達71.0%，越向上梁、柱構(gòu)件的破壞越重，頂層的框架梁和柱幾乎全部遭受破壞，但整個結(jié)構(gòu)并沒有倒塌。浮選車間震害較水洗車間輕，兩者經(jīng)加固維修后，使用狀態(tài)良好。由上可以看出框架結(jié)構(gòu)，震害主要發(fā)生在梁柱節(jié)點，應(yīng)加強框架節(jié)點設(shè)計。

通過上述資料情況可以看出鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)震害較輕，倒塌現(xiàn)象也較少，抗震能力較強，材料韌性較好，過去雖未設(shè)防，很多卻經(jīng)受住了9～11度強震和多次余震的考驗，處于“裂而未倒”的狀態(tài)，經(jīng)過修復(fù)仍可繼續(xù)使用。少數(shù)破壞倒塌，原因是多方面的，主要是結(jié)構(gòu)本身的弱點或處置不當?shù)?。因此，在認真總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，改善其布置，增強抗震措施，是可以進一步提高其抗震能力的。另外隨著經(jīng)濟的發(fā)展，國力的增強，特別是日本大地震中，有主動抗震設(shè)施的建筑物，破壞損失都較小，在設(shè)計中對一些重要建筑物，因震后產(chǎn)生災(zāi)害性大，涉及人員多，增加主動抗震措施，以減少災(zāi)害。

3 結(jié)論

通過此次對開灤煤礦局所屬唐山煤礦和馬家溝煤礦主要建（構(gòu)）筑物的震后破壞情況分析和重建建筑物使用情況的調(diào)查可以看出：在進行煤礦建（構(gòu)）筑物抗震設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先采用下面構(gòu)造措施［2～6］：

（1）設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先選用抗震能力較強的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混土結(jié)構(gòu)。

鋼結(jié)構(gòu)是抗震能力的結(jié)構(gòu)，鋼材延性好、自重輕、強度高，具有良好的抗震性能，但在井架與井口房或其它鄰近建筑物的連接上、井架剛度中心與質(zhì)量中心在地震力作用下對井架整體產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)作用及結(jié)構(gòu)的防火措施等方面都有待進一步提高；

（2）結(jié)構(gòu)布置要規(guī)整，受力要明確，盡量避免剛度局部突變現(xiàn)象。

首先工藝布局要合理，重型設(shè)備盡量下放，例如多繩提升絞車，需把絞車大廳放在井塔的頂部，這樣使得井塔成為一個“頭重腳輕”的高聳建筑物，工藝布置對抗震較為不利；其次井塔設(shè)計采用鋼筋混凝土較為有利，其斷面可為圓形或矩形，可增強井塔的結(jié)構(gòu)韌性，基礎(chǔ)宜選用箱形或倒錐殼，但由于井塔塔身底部往往要開洞，斷面削弱，所以洞口必需加固，洞口角部的應(yīng)力集中必須考慮。

（3）細節(jié)、局部、節(jié)點設(shè)計應(yīng)予以重視加強。

千里大堤，潰于蟻穴，局部影響全局，在多高層房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，節(jié)點設(shè)計是一個非常重要的組成部分。連接節(jié)點是保證梁與柱協(xié)同工作、形成結(jié)構(gòu)整體的關(guān)鍵部件，它將直接影響到整個結(jié)構(gòu)的抗震性能。當按抗震設(shè)計時，應(yīng)按結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段設(shè)計，節(jié)點連接承載力應(yīng)高于截面承載力。即在強震作用下，梁端和節(jié)點域應(yīng)產(chǎn)生塑性變形，形成塑性鉸，有效地吸收和耗散能量，使結(jié)構(gòu)真正實現(xiàn)大震不倒、小震可修的目的。

（4）應(yīng)對原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行重新認識，找到問題的癥結(jié)。

唐山過去建筑物雖未設(shè)防，很多卻經(jīng)受住了9～11烈度強震和多次余震的考驗，處于“裂而未倒”的狀態(tài)，已滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范“當遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞”的設(shè)計理念，這提示我們，應(yīng)按照科學發(fā)展觀和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的方針，探討對一些次要建筑物如何節(jié)約建設(shè)資源以及節(jié)約投資的方法。

［1］中華人民共和國國家標準.GB50111-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.The National Standard of the People’s Republic of China.GB50111-2010 Code for seismic design of building［S］.Beijing： China Architecture and Building Press，2010.

［2］金星.地震轉(zhuǎn)動分量的工程預(yù)測［J］.地震工程與工程振動，1991，13(4)：10.Jin xing.Engineer prediction of seismic rotational component ［J］.Earthquake Egineering and Egineering Vihration，1991， 13(4)：10.

［3］ Kinoshita S， Ishikawa H， Satoh T.Tilt motions recorded at two WISE site for the 2003 Tokachi-Oki earthquake(M8.3) ［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，2009， 99(2B)：1251.

［4］ Yang F， Luo Q F， Che W.Torsional phenomena in the great Wenchuan earthquake［J］ .Earthquake Science，2010(1)：75.

［5］ Teisseyre R.Tutorial on the new developments in the physics of rotational motions［J］.Bulletin of the Seismological Society of America， 2009，99(2B)：1028

［6］ Knopoff， Chen Y T.Single-couple component of far-field radation from dynamical fractures［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，2009，99(2B)：1091.