基于SAP2000軟件的鋼井架設(shè)計(jì)

趙海濤

摘 要：確定構(gòu)件截面尺寸是鋼井架設(shè)計(jì)中的核心內(nèi)容，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。SAP2000軟件除能進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)力學(xué)分析外，還能進(jìn)行構(gòu)件截面的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。該文通過一個(gè)實(shí)例，利用SAP2000對(duì)某礦鋼井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，SAP2000軟件在鋼井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大，是一種比較有效的礦山鋼井架設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：鋼井架 SAP2000 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 截面

中圖分類號(hào)：TP319；TD53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（c）-0120-02

1 目前鋼結(jié)構(gòu)井架常用的計(jì)算方法

1.1 傳統(tǒng)的計(jì)算方法

以前鋼井架的計(jì)算大多將其簡(jiǎn)化為平面桁架結(jié)構(gòu)，對(duì)荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化和分析，然后根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算方法，對(duì)于規(guī)則的井架結(jié)構(gòu)，計(jì)算精度尚能滿足要求。但對(duì)于稍微復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)井架來說，該計(jì)算方法就顯得力不從心，其計(jì)算精度也很難滿足工程需要。

1.2 現(xiàn)代鋼井架的設(shè)計(jì)方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外能夠進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件如雨后春筍般開發(fā)出來。和傳統(tǒng)的計(jì)算方法相比，這些軟件都可以空間建模，實(shí)現(xiàn)空間井架結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析。SAP2000軟件被譽(yù)為結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件的常青樹，SAP是“Structural Analysis Program”的縮寫，從它的縮寫也可以看出，該軟件主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析。

2 基于SAP2000的鋼井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 SAP2000簡(jiǎn)介

SAP2000是美國(guó)CSI公司產(chǎn)品，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用[1]。除去滿足的構(gòu)造及使用功能之外，鋼結(jié)構(gòu)井架設(shè)計(jì)的核心工作就是對(duì)各構(gòu)件的截面進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法都是初選構(gòu)件截面尺寸，然后進(jìn)行受力驗(yàn)算，從而判斷截面的選取是否滿足要求。對(duì)于設(shè)計(jì)者來說，截面不能選太大，當(dāng)然也不能太小，確定構(gòu)件截面的過程是一個(gè)反復(fù)試算的過程，工作量相對(duì)來說很大。SAP2000恰恰在這方面有其獨(dú)特之處，它可以根據(jù)程序設(shè)定的位移或周期目標(biāo)對(duì)構(gòu)件截面進(jìn)行分析，如果截面不滿足要求，程序可以自動(dòng)選擇截面再進(jìn)行計(jì)算，重復(fù)這個(gè)過程，直至截面滿足要求為止。所以，SAP2000在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面優(yōu)勢(shì)明顯[2]。

2.2 基于SAP2000的鋼井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某煤礦礦井，擬設(shè)計(jì)井架為單斜撐式鋼井架，單繩提升。擬設(shè)計(jì)鋼井架立架四角柱及主斜撐均采用H型鋼HM390×300×10×16，立架四角柱之間用H型鋼HN350×175×7×11在水平方向相連。其余構(gòu)件選擇的型鋼型號(hào)有H型鋼HN194×150×6×9、角鋼L75×8等。因井筒防墜緩沖裝置、罐道拉緊裝置、防撞鋼絲繩拉緊裝置皆設(shè)于天輪平臺(tái)之上，天輪平臺(tái)為井架主要受力部位，設(shè)計(jì)天輪平臺(tái)采用40號(hào)工字鋼作骨架。

2.2.1 計(jì)算的一般規(guī)定

《礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.1明確說明，井架結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)可按彈性理論分析[3]。井架結(jié)構(gòu)上的荷載，對(duì)不同工況進(jìn)行分析，取最不利工況作為結(jié)構(gòu)分析的荷載工況。根據(jù)《礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范》，單斜撐井架，立架支座采用鋼接處理，斜撐支座簡(jiǎn)化為鉸接，立架與斜撐之間由于為單繩提升所以簡(jiǎn)化為鋼接。

2.2.2 SAP2000中計(jì)算模型的建立

該算例在SAP2000中的計(jì)算模型如圖1所示，因天輪平臺(tái)是主要受力結(jié)構(gòu)，建模時(shí)將平臺(tái)護(hù)欄等構(gòu)件略去不計(jì)。桿件截面與桿件單元在SAP2000中可以獨(dú)立定義，然后再指定給單元。該程序中，幾乎涵蓋了目前結(jié)構(gòu)中常用的所有截面形式，這是其他軟件所不能具備的。

2.2.3 井架結(jié)構(gòu)線性靜力分析

模型中，斜撐采用鉸支座，立柱采用固定支座。以鋼絲繩的破斷力作為計(jì)算工況為例對(duì)井架進(jìn)行分析。將作用在井架上的荷載分別計(jì)算水平分力106 kN與垂直分力396 kN，并施加在平臺(tái)梁上。

篇幅所限，此處僅給出鋼井架受力后的位移圖（為了分析方便，圖中位移大小為實(shí)際位移的60倍）。分析圖2位移圖可以看出，整個(gè)井架位移最大產(chǎn)生在平臺(tái)梁上，而斜撐的位移量很小，幾乎可以不計(jì)。通過提取平臺(tái)梁荷載作用點(diǎn)處的位移發(fā)現(xiàn)，此處在水平方向的最大位移為3.4 mm，在豎直方向上的最大位移為3.9 mm，完全滿足鋼井架的使用要求。

2.2.4 鋼結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析選項(xiàng)，結(jié)構(gòu)分析完成后運(yùn)行鋼框架設(shè)計(jì)選項(xiàng)，進(jìn)行構(gòu)件截面分析。分析后，程序界面中會(huì)顯示計(jì)算結(jié)果圖。如果圖中有紅顏色的構(gòu)件，表示該構(gòu)件不符合要求，需要重新修改構(gòu)件截面。該算例中，SAP2000計(jì)算后顯示10根使用角鋼L75×8的構(gòu)件不符合設(shè)計(jì)要求，通過程序重新選擇角鋼L100×10，計(jì)算后顯示構(gòu)件截面符合要求。

3 結(jié)語

SAP2000軟件界面友好，具有交互優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，在構(gòu)件截面設(shè)計(jì)中優(yōu)勢(shì)明顯。利用SAP2000進(jìn)行礦山鋼井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)人員極易掌握。在今后的井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，完全可以利用該軟件完成。

參考文獻(xiàn)

[1] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 戰(zhàn)玉寶，楊永騰，宋慶軍，等.井架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有限元分析[J].煤礦機(jī)械，2007，27（11）：60-62.

[3] 中國(guó)煤炭建設(shè)協(xié)會(huì).GB 50385-2006，礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.