Sap2000結(jié)構(gòu)有限元軟件在礦山井架抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：介紹了目前我國礦山鋼井架的設(shè)計(jì)概況及常用的設(shè)計(jì)軟件，并對(duì)有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述。通過應(yīng)用sap2000分析程序?qū)︿摼苓M(jìn)行了有限元建模分析，通過鋼井架的模態(tài)分析得出低階振型對(duì)震動(dòng)起主導(dǎo)作用，而高階振型對(duì)震動(dòng)影響較小。

關(guān)鍵詞：鋼井架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元

前言

在礦山立井中，作為提升的主要構(gòu)筑物，鋼井架的使用十分常見，同其他材料的井架相比，鋼制的結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的耐震性，并且無論是制造還是安裝都較為便捷，能夠有效降低施工時(shí)間。

在礦山立井中，鋼井架是構(gòu)筑物中的主要部分，同其他材料相比，鋼井架在抗震性能上具有更大的優(yōu)勢(shì)，無論是制造還是安裝操作上都相對(duì)較為簡(jiǎn)便，不會(huì)占用過多的施工時(shí)間，根據(jù)傳統(tǒng)使用的井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，往往都會(huì)采用平面簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，通過手算的方式進(jìn)行，不僅僅結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，同時(shí)還會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，還應(yīng)當(dāng)考慮到在結(jié)構(gòu)布置上鋼井架具有不規(guī)則性，無論在剛度分布還是質(zhì)量分布上都不均勻，所以容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)形變，導(dǎo)致明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)出現(xiàn)，受到地震的作用，這種扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象會(huì)隨之加劇，而在空間中顯現(xiàn)出明顯的相互作用。相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)礦山井架進(jìn)行了明確的要求，手算可以應(yīng)用在規(guī)則框架的計(jì)算中，除此之外，均應(yīng)當(dāng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行空間分析以及精確的計(jì)算，目前使用的主要計(jì)算程序?yàn)橛邢拊治龀绦颍鏏NSYS以及SAP2000。

1 結(jié)構(gòu)概述

對(duì)鋼井架的結(jié)構(gòu)造成影響的主要因素包括：連接位置、結(jié)構(gòu)布置以及連接方式和材料、截面、約束類型等，此外場(chǎng)地以及荷載同樣也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響。通過對(duì)某廠區(qū)中所使用的井架進(jìn)行分析，并結(jié)合目前我國所采用的設(shè)計(jì)規(guī)范。該廠區(qū)的經(jīng)濟(jì)主要有六部分組成，分別為、天輪平臺(tái)、斜撐、立架、起重架以及支撐架。其中斜撐采用了鋼制框架，為箱型截面結(jié)構(gòu)，而井架所采用的則為獨(dú)立的基礎(chǔ)框架。整個(gè)井架分為四層平臺(tái)，分別是下天輪平臺(tái)，標(biāo)高為27.050米，上天倫平臺(tái)，標(biāo)高為34.900米，檢修起吊臺(tái)，標(biāo)高為45.000米以及標(biāo)高為23.150米的平臺(tái)。而天輪的結(jié)構(gòu)直徑為5米。

鋼井架結(jié)構(gòu)是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)體系，主要斜撐構(gòu)件受力都比較復(fù)雜。內(nèi)力分析方法也應(yīng)立足于空間結(jié)構(gòu)分析方法。

2 數(shù)值模擬

對(duì)鋼井架通過SAP2000進(jìn)行建模，但是考慮到井架具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，因此需要對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過將空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行桿系模型的轉(zhuǎn)換進(jìn)行簡(jiǎn)化?？紤]到井架的剛度不會(huì)受到附屬物太大的影響，因此在建模的過程中可以不考慮附屬物，僅僅對(duì)荷載作用進(jìn)行考慮。所以，計(jì)算模型主要采用三維空間框架，計(jì)算則是按照梁?jiǎn)卧M(jìn)行計(jì)算，固支則為立架基礎(chǔ)和斜架基礎(chǔ)。其節(jié)點(diǎn)則為組合桿件連接部位和桿件連接部位，并將節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間當(dāng)做單元，并且，各個(gè)端點(diǎn)都會(huì)相應(yīng)的具有6個(gè)自由度。根據(jù)受力特點(diǎn)，計(jì)算井架的主要結(jié)構(gòu)單元，而對(duì)非主要構(gòu)件，則做為組合梁?jiǎn)卧?/p>

2.1 靜態(tài)分析

靜態(tài)分析按正常工作分提升荷載和斷繩荷載兩種情況、四種工況（上繩重載、下繩空載，下繩重載、上繩空載，上繩破斷力、下繩兩倍工作荷載，下繩破斷力、上繩兩倍工作荷載）進(jìn)行計(jì)算，荷載組合見表1。

表1 荷載組合

由于結(jié)果文件太大，給出了所有單元的內(nèi)力和所有節(jié)點(diǎn)的位移，在此選出最大軸力和最大節(jié)點(diǎn)位移。四種工況下內(nèi)力較大位置是斜架兩側(cè)、上部桿件和立架四角桿件。井架的整體位移面向斜架方向。最大位移和最大軸力見表2。

表2 最大位移和最大軸力

2.2 動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)的自振周期是結(jié)構(gòu)剛度的指標(biāo)，結(jié)構(gòu)的主振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生狀態(tài)有著密切關(guān)系。使用特征值分析模式，求解最小的固有周期和相應(yīng)的模態(tài)數(shù)。由表3結(jié)果可以看出，井架的斜架剛度較低，主振型以斜架的局部振動(dòng)為主，立架振動(dòng)微弱。

表3 自振周期

3 結(jié)束語

通過該有限元軟件對(duì)鋼井架進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)的分析，可以得出十個(gè)階段的振型形態(tài)和周期，從而得出模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過分析可以得出：

（1）分析表3中數(shù)據(jù)的前三個(gè)結(jié)算，結(jié)構(gòu)的振型周期分別是4.89秒，3.73秒和2.86秒，從這個(gè)變化可以看出自振周期較大，整體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較為柔和的狀態(tài)。

（2）而根據(jù)前十個(gè)振型信息對(duì)鋼井架進(jìn)行分析可以總結(jié)出，該種結(jié)構(gòu)在主副斜撐彎折的位置以及天輪支撐的根部會(huì)發(fā)生較為明顯的振型，因此該類部位又被稱作薄弱點(diǎn)，針對(duì)此類位置可以采取適當(dāng)?shù)拇胧┯枰约訌?qiáng)，井架上由于受到荷載所產(chǎn)生的動(dòng)力特征基本可以得到一致的參數(shù)，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)低頻搬動(dòng)的參數(shù)也具有一致性，正是由于低頻的出現(xiàn)，使得井架的剛度相對(duì)較低，在提升井架的過程中，會(huì)使得井架受到較大的外部干擾里，所以應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸?，通過剛度的加強(qiáng)，確保礦井的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

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