矿山井架结构优化刍议

矿山井架结构优化刍议

王鑫

山东黄金矿业（莱州）有限公司焦家金矿山东省莱州市261400

摘要：目前，对钢结构井架空间分析计算研究较少，对于钢结构井架斜撑截面的设计多依照经验选取，造成了结构构件尺寸过大。该研究以矿山单斜撑风井井架为背景，论述了采用SAP2000进行钢井架斜撑设计的过程与方法，分别对10mm、12mm、14mm、16mm板厚的钢井架斜撑结构进行了静力分析计算，提取构件最大变形值和应力比进行对比分析。结果表明，利用SAP2000进行钢井架设计与静力分析是一种非常有效的钢井架计算方法，综合考虑分析安全、经济条件该类型井架斜撑宜采用14mm板厚、12mm板厚，提出了连梁等构件截面优化。

关键词：矿山井架；斜撑；SAP2000；优化设计

随着我国矿山建设的迅猛发展，钢井架作为矿山立井提升的主要构筑物应用的越来越多。《矿山井架设计规范》要求，除规则框架可采用手算外，均要求用计算机采用空间分析方法进行计算。目前，结构计算中常用的计算程序为有限元分析软件，如大型通用有限元程序ANSYS与SAP2000等。ANSYS虽然能进行SAP2000软件所能进行的大部分功能，但建立模型阶段较为复杂，对于空间钢结构的设计多大采用sap2000软件。本文结合实践，采用SAP2000对钢井架斜撑进行设计，以期为相关工程提供借鉴。

1工程背景

某矿山单斜撑钢井架如图1所示，由斜撑和立架组成，斜撑为组合箱型截面组成的空间钢框架结构。斜撑每1.2m设一节间，截面均采用箱型组合截面。井架全高30.8m；上钢丝绳倾角α1为51.62°；下钢丝绳倾角α2为53.81°；斜腿倾角α3为55.10°；最大提升加速度为0.6m/s2；最大静拉力Q为187.61kN；工作荷载标准值Qs为274.71kN；4根钢丝绳，单绳破断力为335kN。

2荷载组合与模型建立

SAP2000结构静力分析的基本步骤是：确定计算简图，选择计算量纲，建立几何模型；定义单元的材料特性组、单元截面特性组；定义结构静力荷载工况、结构分析类型；通过指定菜单施加结点约束，选定单元并指定单元截面组名；选定单元并施加单元荷载；选定结点，施加结点荷载；设置结构类型及相应的结点自由度，运行结构分析，求结点位移；显示计算结果，打印计算结果表，整理计算结果报告。概括起来也就是通常所说的前处理、分析运算和后处理。

图1井架结构尺寸（mm）

2.1荷载计算

按照《矿山井架设计规范》（GB50385－2006），多绳摩擦式提升井架进行断绳荷载验算时，一侧为所有钢绳的断绳荷载，另一侧为所有钢绳的0.33倍断绳荷载。断绳荷载采用整根钢绳的拉断力，即为0.85倍全部钢丝拉断力的总和。将天轮荷载分配到两支座上，在平台处将平台活载和恒载转化为节点荷载，天轮梁受力分析如图3所示，天轮梁荷载值见表1。

表1天轮梁荷载值

计算按正常工作提升荷载和断绳荷载两种形式进行计算，共进行3种工况组合。其工况组合分别按三种情况考虑，工况1：正常提升时；工况2：上绳断绳荷载，下绳0.33倍断绳荷载；工况3：下绳断绳荷载，上绳0.33倍断绳荷载。

2.2荷载组合

参照井架设计规范，荷载组合取如下：

组合1：1.2N1+1.4N2+1.3N3

组合2：N1+1.4×0.6N2+N4

组合3：N1+1.4×0.6N2+N5

图2天轮梁受力状况

式中，N1为自重、N2为平台活荷载、N3为正常工作荷载、N4为上天轮断绳下天轮1/3、N5为下天轮断绳上天轮1/3。

2.3计算模型

计算模型取三维空间框架结构，所有构件截面尺寸均按照施工图尺寸确定，模型支座均为铰支座。三维实体模型如图3所示。

3计算结果与分析

分别取截面板厚16mm、14mm、12mm进行计算分析。为分析方便对代表杆件进行编号，如图4所示。

图3主井井架斜撑计算模型图图4井架斜腿主要构件编号

3.1结构变形

根据SAP2000的计算，得出井架在各工况作用的变形趋势。并提取不同板厚各工况下结构的最大位移，见表2。

表2结构的最大位移

由表2可知，连梁处结构水平向位移较大，顶部横梁竖向位移较大。结合表1、表2可知，组合2作用下结构变形较大；随着板厚的减少各组合作用下结构的位移不断增大，10mm板厚时最大位移值可达30.55mm。

3.2结构应力比

根据SAP2000的计算，得出3种工况下不同板厚各构件的应力比。提取各部位代表杆件应力比进行分析比较，见表3。

表3各工况组合作用下不同板厚主要杆件应力比

3.2.1结构内力变化规律

由表2可知，三种内力组合对杆件影响的规律大致相同。组合3用下对应的各杆件应力比较大。通常将组合3作为设计的控制组合。结合组合3分析各杆件的内力变化规律：对于斜撑杆件，下部靠近连梁处杆件应力比较大。斜撑与下天轮梁相交处杆件，受到牛腿处支反力的的影响，应力比值达到最大。上天轮梁以上斜撑应力比逐渐减小。连梁应力比较小。上天轮梁在组合3作用下，内力值较大，此组合作为上天轮梁设计的控制荷载组合。下天轮梁由于截面较大在各组合作用下应力比都不大，在组合2作用下相对较大，因此组合3作为其设计的控制荷载组合。牛腿应力比较小。

3.2.2不同板厚应力比对比分析

减小构件板的厚度为14mm、12mm，对比16mm板厚的应力比值进行分析。由表3可知，随着板厚的减小，杆件的应力比逐渐增加。16mm减少到14mm板厚，应力比增加2.5%左右；14mm减小到12mm板厚应力比值增加15%左右；12mm减小到10mm板厚应力比值减小15%～20%；可见随着板厚的减小应力比值的减小幅度也变大。根据表2数据，发现XT－3处杆件应力比值最大，10mm板厚时应力比值达0.838，此时接近截面承载力的限制，安全储备较小。

4结论

1）SAP2000可以很好的实现与满足钢井架的结构设计要求。

2）通过对不同板厚在各工况组合下变形和应力比的对比，发现16mm板厚斜腿安全储备较大，可适当的减小板厚，10mm板厚斜腿最大应力比

达0.838，考虑到矿山建设的复杂条件安全储备较低，该板厚不宜采用。综合考虑分析安全、经济条件宜采用14mm板厚、12mm板厚。3）依据结构各杆件应力变化规律，连梁受力较小，主要起构造连接作用，可适当减小该截面的尺寸。下天轮梁荷载安全储备也较大，也可适当减小。考虑到上天轮梁以上斜腿杆件受力逐渐减小，可将该处设计为逐渐减小的变截面形式以节约钢材减轻自重。

参考文献：

［1］战玉宝，赵海涛．矿山钢井架结构设计浅谈［J］．煤炭技术，2010（1）：55．

［2］李照亮．基于SAP2000的钢井架静力弹塑性分析［J］．煤炭工程，2010（9）：17-20．

［3］姜智岭，荣峰．矿山竖井钢井架设计［J］．铀矿冶，2010（3）：124－129．

［4］于建兵，贾勇，朱旦育．煤矿主井井架承载能力验算［J］．铁道建筑，2011（3）：134-137．

［5］许涛．昌邑铁矿主井井架的优化设计［J］．钢结构，2012，27（12）：50-52．

作者简介：王鑫（1986.01.12），男，山东省莱州市朱桥镇盛王村，本科，助理工程师，机械设备管理。