Sap2000結構有限元軟件在礦山井架抗震設計中的應用

摘 要：介紹了目前我國礦山鋼井架的設計概況及常用的設計軟件，并對有限元法進行結構計算的原理進行了簡單的闡述。通過應用sap2000分析程序對鋼井架進行了有限元建模分析，通過鋼井架的模態分析得出低階振型對震動起主導作用，而高階振型對震動影響較小。

關鍵詞：鋼井架；結構設計；有限元

前言

在礦山立井中，作為提升的主要構筑物，鋼井架的使用十分常見，同其他材料的井架相比，鋼制的結構具有更強的耐震性，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間。

在礦山立井中，鋼井架是構筑物中的主要部分，同其他材料相比，鋼井架在抗震性能上具有更大的優勢，無論是制造還是安裝操作上都相對較為簡便，不會占用過多的施工時間，根據傳統使用的井架結構進行計算，往往都會采用平面簡化結構，通過手算的方式進行，不僅僅結果會產生很大的誤差，同時還會耗費大量的時間，還應當考慮到在結構布置上鋼井架具有不規則性，無論在剛度分布還是質量分布上都不均勻，所以容易出現結構形變，導致明顯的扭轉效應出現，受到地震的作用，這種扭轉現象會隨之加劇，而在空間中顯現出明顯的相互作用。相關設計規范中對礦山井架進行了明確的要求，手算可以應用在規則框架的計算中，除此之外，均應當采用計算機進行空間分析以及精確的計算，目前使用的主要計算程序為有限元分析程序，例如ANSYS以及SAP2000。

1 結構概述

對鋼井架的結構造成影響的主要因素包括：連接位置、結構布置以及連接方式和材料、截面、約束類型等，此外場地以及荷載同樣也會對結構設計產生一定的影響。通過對某廠區中所使用的井架進行分析，并結合目前我國所采用的設計規范。該廠區的經濟主要有六部分組成，分別為、天輪平臺、斜撐、立架、起重架以及支撐架。其中斜撐采用了鋼制框架，為箱型截面結構，而井架所采用的則為獨立的基礎框架。整個井架分為四層平臺，分別是下天輪平臺，標高為27.050米，上天倫平臺，標高為34.900米，檢修起吊臺，標高為45.000米以及標高為23.150米的平臺。而天輪的結構直徑為5米。

鋼井架結構是一個空間結構體系，主要斜撐構件受力都比較復雜。內力分析方法也應立足于空間結構分析方法。

2 數值模擬

對鋼井架通過SAP2000進行建模，但是考慮到井架具有復雜的結構形式，因此需要對此進行簡化，通過將空間結構進行桿系模型的轉換進行簡化。考慮到井架的剛度不會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，僅僅對荷載作用進行考慮。所以，計算模型主要采用三維空間框架，計算則是按照梁單元進行計算，固支則為立架基礎和斜架基礎。其節點則為組合桿件連接部位和桿件連接部位，并將節點和節點間當做單元，并且，各個端點都會相應的具有6個自由度。根據受力特點，計算井架的主要結構單元，而對非主要構件，則做為組合梁單元。

2.1 靜態分析

靜態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）進行計算，荷載組合見表1。

表1 荷載組合

由于結果文件太大，給出了所有單元的內力和所有節點的位移，在此選出最大軸力和最大節點位移。四種工況下內力較大位置是斜架兩側、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 動力特性分析

結構的自振周期是結構剛度的指標，結構的主振型對結構的動力響應發生狀態有著密切關系。使用特征值分析模式，求解最小的固有周期和相應的模態數。由表3結果可以看出，井架的斜架剛度較低，主振型以斜架的局部振動為主，立架振動微弱。

表3 自振周期

3 結束語

通過該有限元軟件對鋼井架進行結構模態的分析，可以得出十個階段的振型形態和周期，從而得出模型的相關數據，并通過分析可以得出：

（1）分析表3中數據的前三個結算，結構的振型周期分別是4.89秒，3.73秒和2.86秒，從這個變化可以看出自振周期較大，整體結構表現出較為柔和的狀態。

（2）而根據前十個振型信息對鋼井架進行分析可以總結出，該種結構在主副斜撐彎折的位置以及天輪支撐的根部會發生較為明顯的振型，因此該類部位又被稱作薄弱點，針對此類位置可以采取適當的措施予以加強，井架上由于受到荷載所產生的動力特征基本可以得到一致的參數，同時也可以發現低頻搬動的參數也具有一致性，正是由于低頻的出現，使得井架的剛度相對較低，在提升井架的過程中，會使得井架受到較大的外部干擾里，所以應當對其進行適當的加固，通過剛度的加強，確保礦井的生產效率和產品質量。

參考文獻

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