單斜撐式鋼井架結(jié)構(gòu)分析

孔令炬

(紫金（廈門）工程設(shè)計有限公司)

0 引言

井架分鋼井架、鋼筋混凝土井架、木井架和磚井架。木井架過去用于小型礦井鑿井和生產(chǎn)，但要消耗大量的優(yōu)質(zhì)木材，既不防火又不耐久，現(xiàn)已很少使用；磚井架過去也用于小型礦井，結(jié)合井口房設(shè)計，可以節(jié)省鋼材、資金，但由于抗震性能差、對地基要求高，現(xiàn)也已很少使用；鋼筋混凝土井架自重大，井架高度不宜超過25m；而鋼材具有強(qiáng)度高，自重輕，抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，是常用的井架材料。

1 總則

安全等級：井架是礦山提升系統(tǒng)中的核心構(gòu)筑物，對于煤炭行業(yè)井架的安全等級一般為一級，對于其他行業(yè)的井架安全等級劃分可參照執(zhí)行，但最低不能低于二級。

抗震設(shè)防類別：井架是礦山提升系統(tǒng)中的核心構(gòu)筑物，如發(fā)生破壞，則直接危及井下人員的生命；如井下發(fā)生事故，利用井架提升又是井下?lián)岆U救災(zāi)的唯一通道，故井架的抗震設(shè)防類別應(yīng)為乙類。

基礎(chǔ)設(shè)計等級：因井架對地基變形特別敏感，稍有偏差就會影響整個提升系統(tǒng)，危及井下人員的安全，故高度大于30m 井架的基礎(chǔ)設(shè)計等級應(yīng)為甲級，其他情況可乙級。對位于特殊土(如濕陷性黃土、膨脹土、軟土、凍土、人工填土等)地區(qū)的井架基礎(chǔ)設(shè)計等級尚應(yīng)滿足相應(yīng)特殊土地基設(shè)計的規(guī)定。

防火要求：井架生產(chǎn)的火災(zāi)危險性類別應(yīng)為丙類，結(jié)構(gòu)的耐火等級應(yīng)為二級。當(dāng)井口房的承重構(gòu)件及非承重外墻為不燃燒材料時，井架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限可降低到0.25h。關(guān)于防火距離可參《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB 50016，井口房門窗洞口距離井架主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的水平距離不應(yīng)小于2.0m，垂直距離不應(yīng)小于1.2m。

2 工程概況

本工程井架總高度66.5m，天輪直徑4m。上天輪平臺標(biāo)高58.5m，下天輪平臺標(biāo)高52.0m。提升鋼絲繩破斷拉力總和：4 根×1200kN?？拐鹪O(shè)防烈度7 度、設(shè)計地震分組為第二組、設(shè)計基本地震加速度0.15g。結(jié)構(gòu)阻尼比3%，建筑場地類別為Ⅱ類?；撅L(fēng)壓：W0=0.55kN/m2，場地類別為B 類；基本雪壓：S0=0.35kN/m2。井架整體布置如圖1、圖2。

圖1 井架正立面

圖2 A 視圖

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)布置

具體可查看《礦山井架設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[1]GB 50385-2018（以下簡稱《井標(biāo)》）第3 章的相關(guān)規(guī)定，其中需特別注意以下幾條：

⑴立架平面尺寸應(yīng)滿足工藝要求，并不宜小于立架高度的1/10。本工程立架高度49m，平面尺寸取7×7m。

⑵井架斜撐平面中心線宜與提升鋼繩合力作用線接近，這樣可充分發(fā)揮斜撐柱的受壓作用，同時也可減少井架水平位移量；但兩線夾角過小時，可能導(dǎo)致鋼繩合力作用線跳到斜撐平面中心線上邊，影響井架的安全使用，兩線的夾角一般不宜小于3°。本工程兩線夾角為3.2°。

⑶井架提升一側(cè)的斜撐基礎(chǔ)頂面中心線之間的水平距離，不宜小于井架總高度的1/3。則按規(guī)定66.5/3=22.2m，本工程取26m。

⑷單斜撐式鋼井架以斜撐牛腿與立架頂部鉸接，當(dāng)斜撐安裝后初位移很大，如不控制其初位移值，將對提升工作帶來不利影響。一般采用將聯(lián)系鉸由立架中間向斜撐方向移動0.8m 左右或?qū)⒘⒓芮昂罅⒅捎貌煌孛鎭碚{(diào)整立柱受力及其剛度，以減少位移量。本工程采用將聯(lián)系鉸由立架中間向斜撐方向移動0.8m 的方法。

3.2 計算要點(diǎn)及抗震設(shè)計

3.2.1 計算要點(diǎn)

具體可查看《井標(biāo)》第5 章和《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[2]GB 50191-2012（以下簡稱《構(gòu)抗規(guī)》）第10 章的相關(guān)規(guī)定，其中需特別注意以下幾條：

⑴采用振型分解反應(yīng)譜法時，鋼井架應(yīng)取不少于15 個振型。

⑵井架進(jìn)行水平地震作用下的內(nèi)力和變形分析時，應(yīng)計入重力二階效應(yīng)。

⑶天輪支承結(jié)構(gòu)及其支座梁工作荷載組合、支承框架工作荷載組合、起重架安裝荷載計算時，應(yīng)乘以動力系數(shù)1.3。

⑷井架各構(gòu)件計算長度系數(shù)：立架的立柱平面內(nèi)和平面外系數(shù)可取1.0；立架的腹桿平面內(nèi)系數(shù)可取0.8、平面外系數(shù)可取1.0；斜撐柱根據(jù)梁柱剛度比計算，平面內(nèi)系數(shù)取1.5～1.8，平面外系數(shù)取1.1～1.3。因此在SAP2000 模型中需根據(jù)實際情況手工校核及修改。

⑸井架在工作荷載效應(yīng)組合時（取正常工作標(biāo)準(zhǔn)組合）的水平變形值，應(yīng)控制在h/1000 以內(nèi)(h 為上天輪中心至井頸頂面的距離)。

3.2.2 抗震設(shè)計

抗震可查看《井標(biāo)》第7 章和《構(gòu)抗規(guī)》第10 章的規(guī)定，其中需特別注意以下幾條：

⑴對《井標(biāo)》表7.1.3 查得的井架抗震等級是已按乙類建筑確定的抗震等級，不需再提高。本工程抗震等級為二級。

⑶斜撐基礎(chǔ)：地腳螺栓中心距基礎(chǔ)邊緣的距離不應(yīng)小于螺栓直徑的8 倍，且不應(yīng)小于150mm。在地震作用下，基礎(chǔ)底部不應(yīng)存在零應(yīng)力區(qū)?；A(chǔ)需進(jìn)行抗滑移穩(wěn)定性驗算，但可不進(jìn)行斷繩、防墜制動荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合的驗算。

3.3 荷載組合

本工程有以下荷載工況，詳見表1。

表1 荷載工況

在SAP2000 中需自定義以下荷載組合：

承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合，詳見表2。

表2 承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合

正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合，詳見表3。

表3 正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合

3.4 建模注意事項

節(jié)點(diǎn)束縛：單斜撐式鋼井架以斜撐牛腿與立架頂部鉸接，按構(gòu)件重心線建模時連接點(diǎn)分離（見圖3），此兩點(diǎn)間位移相同，允許Y 向轉(zhuǎn)動。天輪支承梁固結(jié)于斜撐橫梁上（見圖4），此兩點(diǎn)間位移及轉(zhuǎn)角相同。

計算長度系數(shù)：模型立架構(gòu)件的計算長度系數(shù)程序一般能算對，但對斜撐構(gòu)件的計算長度系數(shù)程序取值一般都是錯的，需根據(jù)《鋼標(biāo)》附錄E 有側(cè)移框架進(jìn)行手工校核，再對模型中的計算長度系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改。一般來說斜撐柱的平面內(nèi)系數(shù)取1.5～1.8，平面外系數(shù)取1.1～1.3。

3.5 結(jié)果分析

3.5.1 立架

本工程聯(lián)系鉸采用銷軸，此鉸受力巨大，需單獨(dú)進(jìn)行驗算。可按《鋼標(biāo)》第11.6 節(jié)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行驗算。與鉸直接相連處的框架梁在此處需進(jìn)行局部承壓驗算。圖3 中鉸對應(yīng)的支撐對傳力非常重要，根據(jù)分析模型得到的軸力包絡(luò)圖（圖5）可知，斜撐傳至立架的荷載主要通過此支撐傳至立架柱，再到基礎(chǔ)。

圖3

圖4

圖5 軸力包絡(luò)圖

另外從軸力包絡(luò)圖能發(fā)現(xiàn)，盡管聯(lián)系鉸由立架中間向斜撐方向移動0.8m 調(diào)整了立柱受力，但立架前后柱受力差別還是很大。

立架箕斗卸礦一側(cè)需開洞，造成此側(cè)支撐桿件不連續(xù)。從模型分析結(jié)果可知，開洞上下部的支撐內(nèi)力較未開洞側(cè)的支撐內(nèi)力大很多，接近1.4 倍。需對開洞處立架柱及上下部支撐進(jìn)行加強(qiáng)。

罐道梁工作荷載可只對直接支承的構(gòu)件及連接進(jìn)行計算或驗算。過卷荷載、托罐荷載可只對緩沖裝置、防撞梁及托罐支承的構(gòu)件及連接進(jìn)行計算。

3.5.2 斜撐

本工程斜撐柱采用箱形截面，且其截面較大，板件寬厚比超限，可采用設(shè)置縱向加勁肋加強(qiáng)以滿足寬厚比限制要求。按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[3]的相關(guān)規(guī)定：柱腹板用縱向加勁肋加強(qiáng)時，相應(yīng)地要設(shè)置橫向加勁肋，橫向加勁肋間距不得大于3h0。對于加勁肋尺寸的規(guī)定可見《鋼標(biāo)》相關(guān)條文。

斜撐柱承擔(dān)平面內(nèi)及平面外兩個方向的荷載，應(yīng)按雙向偏心受壓、受扭計算其承載力和穩(wěn)定性。另從分析結(jié)果來看，提升工作荷載、斷繩荷載基本是靠斜撐柱傳至基礎(chǔ)，通過聯(lián)系鉸傳至立架的荷載主要是斜撐自重及風(fēng)荷載等。

4 總結(jié)

在單斜撐式鋼井架的設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范及結(jié)構(gòu)的實際受力狀況，確定合理的結(jié)構(gòu)方案。對這種復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用三維軟件如SAP2000 通用設(shè)計軟件進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)分析，模擬實際的受力狀況，使得結(jié)構(gòu)體系既安全又經(jīng)濟(jì)。