單斜撐式鋼井架結構分析

孔令炬

(紫金（廈門）工程設計有限公司)

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，但要消耗大量的優質木材，既不防火又不耐久，現已很少使用；磚井架過去也用于小型礦井，結合井口房設計，可以節省鋼材、資金，但由于抗震性能差、對地基要求高，現也已很少使用；鋼筋混凝土井架自重大，井架高度不宜超過25m；而鋼材具有強度高，自重輕，抗震性能好等優點，是常用的井架材料。

1 總則

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

抗震設防類別：井架是礦山提升系統中的核心構筑物，如發生破壞，則直接危及井下人員的生命；如井下發生事故，利用井架提升又是井下搶險救災的唯一通道，故井架的抗震設防類別應為乙類。

基礎設計等級：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，危及井下人員的安全，故高度大于30m 井架的基礎設計等級應為甲級，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)地區的井架基礎設計等級尚應滿足相應特殊土地基設計的規定。

防火要求：井架生產的火災危險性類別應為丙類，結構的耐火等級應為二級。當井口房的承重構件及非承重外墻為不燃燒材料時，井架結構構件的耐火極限可降低到0.25h。關于防火距離可參《建筑設計防火規范》GB 50016，井口房門窗洞口距離井架主要結構構件的水平距離不應小于2.0m，垂直距離不應小于1.2m。

2 工程概況

本工程井架總高度66.5m，天輪直徑4m。上天輪平臺標高58.5m，下天輪平臺標高52.0m。提升鋼絲繩破斷拉力總和：4 根×1200kN?？拐鹪O防烈度7 度、設計地震分組為第二組、設計基本地震加速度0.15g。結構阻尼比3%，建筑場地類別為Ⅱ類。基本風壓：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 結構分析

3.1 結構布置

具體可查看《礦山井架設計標準》[1]GB 50385-2018（以下簡稱《井標》）第3 章的相關規定，其中需特別注意以下幾條：

⑴立架平面尺寸應滿足工藝要求，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井架提升一側的斜撐基礎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。一般采用將聯系鉸由立架中間向斜撐方向移動0.8m 左右或將立架前后立柱采用不同截面來調整立柱受力及其剛度，以減少位移量。本工程采用將聯系鉸由立架中間向斜撐方向移動0.8m 的方法。

3.2 計算要點及抗震設計

3.2.1 計算要點

具體可查看《井標》第5 章和《構筑物抗震設計規范》[2]GB 50191-2012（以下簡稱《構抗規》）第10 章的相關規定，其中需特別注意以下幾條：

⑴采用振型分解反應譜法時，鋼井架應取不少于15 個振型。

⑵井架進行水平地震作用下的內力和變形分析時，應計入重力二階效應。

⑶天輪支承結構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，應乘以動力系數1.3。

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

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

3.2.2 抗震設計

抗震可查看《井標》第7 章和《構抗規》第10 章的規定，其中需特別注意以下幾條：

⑴對《井標》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：地腳螺栓中心距基礎邊緣的距離不應小于螺栓直徑的8 倍，且不應小于150mm。在地震作用下，基礎底部不應存在零應力區。基礎需進行抗滑移穩定性驗算，但可不進行斷繩、防墜制動荷載效應及地震作用效應組合的驗算。

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：

承載能力極限狀態荷載效應組合，詳見表2。

表2 承載能力極限狀態荷載效應組合

正常使用極限狀態荷載效應組合，詳見表3。

表3 正常使用極限狀態荷載效應組合

3.4 建模注意事項

節點束縛：單斜撐式鋼井架以斜撐牛腿與立架頂部鉸接，按構件重心線建模時連接點分離（見圖3），此兩點間位移相同，允許Y 向轉動。天輪支承梁固結于斜撐橫梁上（見圖4），此兩點間位移及轉角相同。

計算長度系數：模型立架構件的計算長度系數程序一般能算對，但對斜撐構件的計算長度系數程序取值一般都是錯的，需根據《鋼標》附錄E 有側移框架進行手工校核，再對模型中的計算長度系數進行相應修改。一般來說斜撐柱的平面內系數取1.5～1.8，平面外系數取1.1～1.3。

3.5 結果分析

3.5.1 立架

本工程聯系鉸采用銷軸，此鉸受力巨大，需單獨進行驗算?？砂础朵摌恕返?1.6 節的相關規定進行驗算。與鉸直接相連處的框架梁在此處需進行局部承壓驗算。圖3 中鉸對應的支撐對傳力非常重要，根據分析模型得到的軸力包絡圖（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。

圖3

圖4

圖5 軸力包絡圖

另外從軸力包絡圖能發現，盡管聯系鉸由立架中間向斜撐方向移動0.8m 調整了立柱受力，但立架前后柱受力差別還是很大。

立架箕斗卸礦一側需開洞，造成此側支撐桿件不連續。從模型分析結果可知，開洞上下部的支撐內力較未開洞側的支撐內力大很多，接近1.4 倍。需對開洞處立架柱及上下部支撐進行加強。

罐道梁工作荷載可只對直接支承的構件及連接進行計算或驗算。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件及連接進行計算。

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，可采用設置縱向加勁肋加強以滿足寬厚比限制要求。按《鋼結構設計手冊》[3]的相關規定：柱腹板用縱向加勁肋加強時，相應地要設置橫向加勁肋，橫向加勁肋間距不得大于3h0。對于加勁肋尺寸的規定可見《鋼標》相關條文。

斜撐柱承擔平面內及平面外兩個方向的荷載，應按雙向偏心受壓、受扭計算其承載力和穩定性。另從分析結果來看，提升工作荷載、斷繩荷載基本是靠斜撐柱傳至基礎，通過聯系鉸傳至立架的荷載主要是斜撐自重及風荷載等。

4 總結

在單斜撐式鋼井架的設計過程中，應根據相關規范及結構的實際受力狀況，確定合理的結構方案。對這種復雜空間結構，應采用三維軟件如SAP2000 通用設計軟件進行三維結構分析，模擬實際的受力狀況，使得結構體系既安全又經濟。