基于SAP2000軟件的鋼井架設計

趙海濤

摘 要：確定構件截面尺寸是鋼井架設計中的核心內容，傳統的設計方法費時、費力。SAP2000軟件除能進行鋼結構的傳統力學分析外，還能進行構件截面的自動優化設計。該文通過一個實例，利用SAP2000對某礦鋼井架結構設計過程進行了分析。結果表明，SAP2000軟件在鋼井架結構設計中操作簡單、功能強大，是一種比較有效的礦山鋼井架設計方法。

關鍵詞：鋼井架 SAP2000 結構設計 截面

中圖分類號：TP319；TD53 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（c）-0120-02

1 目前鋼結構井架常用的計算方法

1.1 傳統的計算方法

以前鋼井架的計算大多將其簡化為平面桁架結構，對荷載進行簡化和分析，然后根據鋼結構設計規范進行計算。這種計算方法，對于規則的井架結構，計算精度尚能滿足要求。但對于稍微復雜的鋼結構井架來說，該計算方法就顯得力不從心，其計算精度也很難滿足工程需要。

1.2 現代鋼井架的設計方法

隨著計算機技術的發展，國內外能夠進行鋼結構設計的軟件如雨后春筍般開發出來。和傳統的計算方法相比，這些軟件都可以空間建模，實現空間井架結構的計算與分析。SAP2000軟件被譽為結構分析與設計軟件的常青樹，SAP是“Structural Analysis Program”的縮寫，從它的縮寫也可以看出，該軟件主要應用于結構的設計與分析。

2 基于SAP2000的鋼井架結構設計

2.1 SAP2000簡介

SAP2000是美國CSI公司產品，在世界范圍內廣泛應用[1]。除去滿足的構造及使用功能之外，鋼結構井架設計的核心工作就是對各構件的截面進行設計。傳統的設計方法都是初選構件截面尺寸，然后進行受力驗算，從而判斷截面的選取是否滿足要求。對于設計者來說，截面不能選太大，當然也不能太小，確定構件截面的過程是一個反復試算的過程，工作量相對來說很大。SAP2000恰恰在這方面有其獨特之處，它可以根據程序設定的位移或周期目標對構件截面進行分析，如果截面不滿足要求，程序可以自動選擇截面再進行計算，重復這個過程，直至截面滿足要求為止。所以，SAP2000在鋼結構設計方面優勢明顯[2]。

2.2 基于SAP2000的鋼井架結構設計

某煤礦礦井，擬設計井架為單斜撐式鋼井架，單繩提升。擬設計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。其余構件選擇的型鋼型號有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于天輪平臺之上，天輪平臺為井架主要受力部位，設計天輪平臺采用40號工字鋼作骨架。

2.2.1 計算的一般規定

《礦山井架設計規范》5.1.1明確說明，井架結構的荷載效應可按彈性理論分析[3]。井架結構上的荷載，對不同工況進行分析，取最不利工況作為結構分析的荷載工況。根據《礦山井架設計規范》，單斜撐井架，立架支座采用鋼接處理，斜撐支座簡化為鉸接，立架與斜撐之間由于為單繩提升所以簡化為鋼接。

2.2.2 SAP2000中計算模型的建立

該算例在SAP2000中的計算模型如圖1所示，因天輪平臺是主要受力結構，建模時將平臺護欄等構件略去不計。桿件截面與桿件單元在SAP2000中可以獨立定義，然后再指定給單元。該程序中，幾乎涵蓋了目前結構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 井架結構線性靜力分析

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算工況為例對井架進行分析。將作用在井架上的荷載分別計算水平分力106 kN與垂直分力396 kN，并施加在平臺梁上。

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，圖中位移大小為實際位移的60倍）。分析圖2位移圖可以看出，整個井架位移最大產生在平臺梁上，而斜撐的位移量很小，幾乎可以不計。通過提取平臺梁荷載作用點處的位移發現，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 鋼結構截面優化設計

首先運行結構分析選項，結構分析完成后運行鋼框架設計選項，進行構件截面分析。分析后，程序界面中會顯示計算結果圖。如果圖中有紅顏色的構件，表示該構件不符合要求，需要重新修改構件截面。該算例中，SAP2000計算后顯示10根使用角鋼L75×8的構件不符合設計要求，通過程序重新選擇角鋼L100×10，計算后顯示構件截面符合要求。

3 結語

SAP2000軟件界面友好，具有交互優化設計功能，在構件截面設計中優勢明顯。利用SAP2000進行礦山鋼井架結構設計，操作簡單，設計人員極易掌握。在今后的井架結構設計中，完全可以利用該軟件完成。

參考文獻

[1] 北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 戰玉寶，楊永騰，宋慶軍，等.井架結構力學性能的有限元分析[J].煤礦機械，2007，27（11）：60-62.

[3] 中國煤炭建設協會.GB 50385-2006，礦山井架設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2006.