大型井架悬挂式立架受力特点分析Word文档下载推荐.docx

大型井架悬挂式立架受力特点分析Word文档下载推荐.docx

《大型井架悬挂式立架受力特点分析Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大型井架悬挂式立架受力特点分析Word文档下载推荐.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

非悬挂式是立架落于井颈上，上部与斜撑脱开，结构体系独立，当顶部与斜撑较近时，则利用斜撑限制立架顶部的水平位移。

本文以对比方式探讨悬挂式立架结构形式对斜撑内力、变形及抗震性能的影响。

1立架结构形式对斜撑的影响

根据实际工程，研究对象的基本尺寸及数据见表1。

表1基本数据

工作状态天轮自重/kN最大静张力S/kN加速度a/（m·

s-2）断绳荷载/kN5502498.900.8514973.60

基本风压为0.4kN/m2,地震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，场地类别为III类。

井架主要受力杆件及节点布置见图1。

图1主要杆件及节点布置

计算软件采用上海同济大学开发的钢结构设计软件3D3S10.1计算分析。

构件输入时对变截面构件采用分段输入，每段杆件的截面取距小端0.66L1（L1为单元长度）处的值，动力计算参数选用集中质量矩阵，杆件单元考虑剪切变形。

通过计算，悬挂式与非悬挂式井架两者的自振周期及振型见图2、图3，内力对比见表2-表5，位移对比见表6-表8。

a-第1振型（沿长边方向1.014s）；

b-第2振型（扭转0.688s）；

c-第3振型（沿短边方向0.678s）

图2悬挂式井架周期及振型

a-第1振型（沿长边方向1.349s）；

b-第2振型（沿短边方向0.759s）；

c-第3振型（扭转0.696s）

图3非悬挂式井架周期及振型

从图2、图3可以看出，悬挂式井架第1周期小于非悬挂式井架。

主要原因为悬挂式井架约束了立架底部水平位移，立架本身具有一定刚度，虽然悬挂式井架整体质量较大，但由于总刚度较大的原因，自振周期较小。

表2恒载工况内力对比

杆件悬挂式井架N/kNM/（kN·

m）强轴弱轴V/kN强轴弱轴非悬挂式井架N/kNM/（kN·

m）强轴弱轴V/kN强轴弱轴AB-2846.7-156.1-170.915.832.3-2320.4-132.6-173.917.032.4CD-1940.4699.7680.874.0-33.1-1854.8484.1649.363.6-30.5

表3工作荷载及风荷载组合（Y向）内力对比

m）强轴弱轴V/kN强轴弱轴AB-9025.41525.3-142.194.135.4-8684.92507.3-220.7-14639.6CD-7925.41302.22955.533.9-211.3-7464.42965.42882.695.6-207.3

表4地震组合（Y向）内力对比

m）强轴弱轴V/kN强轴弱轴AB-9975.4619.7-906.357.4-13.9-9206.2541.5-1137.554.482.6CD-8618.51191.63113.663.6-227.7-8120.91050.73353.886.3-253.6

表5断绳工作荷载组合内力对比

m）强轴弱轴V/kN强轴弱轴AB-36546.5-1152.8493.6-36.9-2.8-35946.1-2541.5630.9-110.3-10.1CD-35376.8-719.313704.075.3-1056.0-35144.3-3845.114279.746.3-1099.6

恒载工况是斜撑、立架、天轮等设备的自重，由表2-表5可知，悬挂式斜柱恒载工况最大轴力为-2846.7kN，非悬挂式为-2320.4kN，悬挂式为非悬挂式的1.23倍。

这个比值因杆件截面，设备的大小略有不同，但立架一般不会超过结构总重的40%。

工作荷载及风荷载组合轴力的比值为9025.4/8684.9=1.04；

地震荷载的组合轴力的比值为9975.4/9206.2=1.08；

断绳工况组的组合轴力的比值为36546.5/35946.1=1.02。

即使悬挂式立架重量再增加一倍，其作用相对于提升工作荷载和事故断绳荷载还是较小的。

由于立架的影响，悬挂式斜撑部分杆件弯矩小于非悬挂式斜撑。

由表2-表5还可以看出，断绳工作荷载组合截面内力远大于地震组合，斜撑主要杆件的截面是根据断绳工作荷载组合进行设计的。

由表6-表8可以看出：

由于立架刚度的增加，悬挂式井架的水平位移小于非悬挂式。

当立架不设支撑时，两者的动力性能及内力接近。

表6工作荷载及风荷载组合（Y向）位移对比mm

节点悬挂式井架XYZ非悬挂式井架XYZD-4.231.3-5.8-2.351.8-0.6G-0.529.4-9.3-0.430.8-7.2H1.130.0-10.8-0.951.9-13.4

表7地震组合（Y向）位移对比mm

节点悬挂式井架XYZ非悬挂式井架XYZD4.320.6-8.84.820.7-7.9G4.521.7-10.45.921.0-9.4H8.320.0-6.49.220.6-3.2

表8断绳组合（Y向）位移对比mm

节点悬挂式井架XYZ非悬挂式井架XYZD-19.839.0-58.6-21.8-7.3-69.5G-2.8116.9-52.4-3.1104.8-55.0H2.245.6-27.93.70.7-20.2

从以上分析可以得到，控制组合断绳组合下，立架结构形式对斜撑的内力影响很小，不会超过5%，对斜撑的截面几乎没有影响，其整体受力特点也是一致的；

对于立架，悬挂式立架柱处于受拉状态，结构不存在稳定性问题，截面可以取得更小，立架采用悬挂式更经济。

2悬挂式井架的抗震性能

GB50191-2012《构筑物抗震设计规范》中10.1.6条提出“双斜撑钢井架的立架宜独立支撑在井颈上”，其条文解释为“将立架悬挂在双斜撑上会使井架的地震反应复杂，不利于抗震”。

从前面的计算也可以看出，因为限制立架底部的水平位移，在支撑的作用下，使立架的刚度增大，从而导致地震作用的增加，立架的刚度越大，承担的地震力就越大。

悬挂式井架第2振型为扭转，而非悬挂式井架第3振型为扭转。

对悬挂式立架在不同地震烈度下水平地震的部分，其计算内力见表9。

表9不同烈度悬挂式立架水平地震力工况下内力对比（Y向地震）

地震烈度CD杆件轴力/kN弯矩/（kN·

m）强轴弱轴HJ杆件轴力/kN弯矩/（kN·

m）强轴弱轴MN杆件轴力/kN弯矩/（kN·

m）强轴弱轴6度-192.3157.035.6-93.5-2.9-0.8-65.70.725.17度（0.15g）-539.9446.799.3-254.1-9.6-2.1-178.41.967.98度（0.2g）-767.2640.0142.2-373.9-11.8-3.1-262.92.8100.68度（0.3g）-1150.9959.9213.4-560.9-17.7-4.6-394.34.2150.9

GB50385-2006《矿山井架设计规范》第4.2.5条给出，承载能力极限状态下，地震作用效应分项系数与组合系数为：

重力荷载1.2；

提升工作荷载1.3；

水平地震作用1.3。

从表9中可以看到，在7度0.15g设防烈度的地震组合中，主要控制力还是提升工作荷载，即使在8度0.3g地区，地震作用所产生的内力在地震组合中的比例也不大。

在钢丝绳破断力作用下，井架会发生变形，立架也会受力。

在本例中，立架承担的地震水平剪力为102.1kN，在钢丝绳破断力作用下立架承担的剪力为316.4kN。

在设计中，立架截面一般是按照设备荷载确定而不是按地震作用确定，而且主要杆件处于受拉状态，更易发挥钢结构的延性。

从历次地震来看，井架结构震害较小，因此在GB50191-2012中也要求7度以下设防烈度可以不进行抗震验算。

由此可见，采用悬挂式立架结构，其抗震性能较好。

应注意的是，由于悬挂式立架截面相对较小，在地震作用下变形较大，应严格控制其与井口房抗震缝的水平间距，与井颈顶板的竖向间距。

斜撑与立架都应满足钢结构抗震的构造要求。

3悬挂式立架支撑设置

悬挂式立架正常处于受拉状态，在井架设计中考虑到井架加工的方便和安装的快捷更倾向于去掉支撑，但这样是否合理需验证。

支撑的作用若要提高结构的侧向刚度，则其作用可通过一单跨有斜撑框架侧向平面刚度的估算来说明。

支撑作用简化见图4。

a-刚接支撑简化；

b-铰接支撑简化；

c-支撑变形受力

图4支撑作用简化示意

如图4a所示的框架，其梁柱都是刚接的，为超静定结构，计算比较复杂，所有连接均简化为铰接，见图4b，这样原结构形成一个静定桁架。

设沿斜撑方向的伸长量为d,斜撑顶端的水平位移为u，柱高为h，斜长为l，斜撑的横截面积为A，见图4c，钢材弹性模量为E，则在水平力作用下各变量有如下关系：

P=EAd/l

（1a）

d=ucosθ

（1b）

h=lsinθ

（1c）

将以上公式代入Ph=Pcosθ，则有：

（2）

由斜撑提供的刚度：

（3）

同样当不考虑支撑作用时，设横梁刚度无限大,则：

（4）

两者比值：

（5）

设钢柱选用HW400×

400，支撑选用φ140×

6，角度为45°

，梁柱为铰接，h=4m，则K/K1=4.2。

可见,是否设置支撑，结构的刚度差别很大。

主井正常提升时，主井立架所受的主要荷载为箕斗卸载对曲轨的冲击力，作用过程比较复杂，满载箕斗被提升至井口适当位置时,箕斗闸门上的滚轮进入固定曲轨,箕斗在缓慢提升过程中闸门被强行打开,实现卸载的目的。

作用过程中既有竖向又有水平荷载，主要为箕斗受到立架上曲轨的作用力，作用力的水平部分通过罐耳又传至固定在立架上的角罐道，曲轨卸载受力见图5。

由于作用点不在同一位置，当荷载较大时立架局部几个节间会产生变形，引发立架的振颤，长时间将导致曲轨与立架连接的松动。

通常中小型箕斗闸门开启力相对不大，在200kN以上箕斗和采用液动或气动等外动力开启闸门的卸载形式时立架应设支撑加强，以有效改善立架的工作状态。

悬挂式立架也不是均处于受拉状态，当箕斗或罐笼未在正常位置停车发生过卷事故时，立架柱在防过卷装置部位处于压弯状态，由于悬挂式立架柱截面较小，在此部位设支撑，可减小钢柱的计算长度，提高承载能力。

注：

P为作用于曲轨上的力；

Ph为作用于角罐道上的力。

图5曲轨卸载受力示意

4结语

悬挂式立架柱承受拉力，充分发挥了钢结构抗

拉强度大的性能，结构计算上不用考虑构件稳定问题，节省钢材。

非悬挂式立架柱处于压弯受力状态，要考虑构件的失稳问题，柱截面大，相对悬挂式耗钢量大。

立架是否采用悬挂式对斜撑的影响较小，不会导致斜撑耗钢量的增加，而且由于立架本身有一定的刚度，一定程度上减少了地震作用及风荷载下斜撑的位移。

立架宜设支撑，或在卸载部位设支撑加强，以提高立架的刚度，减少卸载冲击力下立架的变形，如取消支撑应验算卸载部位立架的变形是否满足要求。

参考文献：

[1]GB50191-2012构筑物抗震设计规范[S].

[2]GB50385-2006矿山井架设计规范[S].

[3]许涛.昌邑铁矿主井井架的优化设计[J].钢结构，2012，27（12）：

50-52.

[4]杨海林.胡家河主井井架设计方案优选[J].钢结构，2013，28（6）：

53-56.