单斜撑式钢井架结构分析

孔令炬

(紫金（厦门）工程设计有限公司)

0 引言

井架分钢井架、钢筋混凝土井架、木井架和砖井架。木井架过去用于小型矿井凿井和生产，但要消耗大量的优质木材，既不防火又不耐久，现已很少使用；砖井架过去也用于小型矿井，结合井口房设计，可以节省钢材、资金，但由于抗震性能差、对地基要求高，现也已很少使用；钢筋混凝土井架自重大，井架高度不宜超过25m；而钢材具有强度高，自重轻，抗震性能好等优点，是常用的井架材料。

1 总则

安全等级：井架是矿山提升系统中的核心构筑物，对于煤炭行业井架的安全等级一般为一级，对于其他行业的井架安全等级划分可参照执行，但最低不能低于二级。

抗震设防类别：井架是矿山提升系统中的核心构筑物，如发生破坏，则直接危及井下人员的生命；如井下发生事故，利用井架提升又是井下抢险救灾的唯一通道，故井架的抗震设防类别应为乙类。

基础设计等级：因井架对地基变形特别敏感，稍有偏差就会影响整个提升系统，危及井下人员的安全，故高度大于30m 井架的基础设计等级应为甲级，其他情况可乙级。对位于特殊土(如湿陷性黄土、膨胀土、软土、冻土、人工填土等)地区的井架基础设计等级尚应满足相应特殊土地基设计的规定。

防火要求：井架生产的火灾危险性类别应为丙类，结构的耐火等级应为二级。当井口房的承重构件及非承重外墙为不燃烧材料时，井架结构构件的耐火极限可降低到0.25h。关于防火距离可参《建筑设计防火规范》GB 50016，井口房门窗洞口距离井架主要结构构件的水平距离不应小于2.0m，垂直距离不应小于1.2m。

2 工程概况

本工程井架总高度66.5m，天轮直径4m。上天轮平台标高58.5m，下天轮平台标高52.0m。提升钢丝绳破断拉力总和：4 根×1200kN。抗震设防烈度7 度、设计地震分组为第二组、设计基本地震加速度0.15g。结构阻尼比3%，建筑场地类别为Ⅱ类。基本风压：W0=0.55kN/m2，场地类别为B 类；基本雪压：S0=0.35kN/m2。井架整体布置如图1、图2。

图1 井架正立面

图2 A 视图

3 结构分析

3.1 结构布置

具体可查看《矿山井架设计标准》[1]GB 50385-2018（以下简称《井标》）第3 章的相关规定，其中需特别注意以下几条：

⑴立架平面尺寸应满足工艺要求，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井架斜撑平面中心线宜与提升钢绳合力作用线接近，这样可充分发挥斜撑柱的受压作用，同时也可减少井架水平位移量；但两线夹角过小时，可能导致钢绳合力作用线跳到斜撑平面中心线上边，影响井架的安全使用，两线的夹角一般不宜小于3°。本工程两线夹角为3.2°。

⑶井架提升一侧的斜撑基础顶面中心线之间的水平距离，不宜小于井架总高度的1/3。则按规定66.5/3=22.2m，本工程取26m。

⑷单斜撑式钢井架以斜撑牛腿与立架顶部铰接，当斜撑安装后初位移很大，如不控制其初位移值，将对提升工作带来不利影响。一般采用将联系铰由立架中间向斜撑方向移动0.8m 左右或将立架前后立柱采用不同截面来调整立柱受力及其刚度，以减少位移量。本工程采用将联系铰由立架中间向斜撑方向移动0.8m 的方法。

3.2 计算要点及抗震设计

3.2.1 计算要点

具体可查看《井标》第5 章和《构筑物抗震设计规范》[2]GB 50191-2012（以下简称《构抗规》）第10 章的相关规定，其中需特别注意以下几条：

⑴采用振型分解反应谱法时，钢井架应取不少于15 个振型。

⑵井架进行水平地震作用下的内力和变形分析时，应计入重力二阶效应。

⑶天轮支承结构及其支座梁工作荷载组合、支承框架工作荷载组合、起重架安装荷载计算时，应乘以动力系数1.3。

⑷井架各构件计算长度系数：立架的立柱平面内和平面外系数可取1.0；立架的腹杆平面内系数可取0.8、平面外系数可取1.0；斜撑柱根据梁柱刚度比计算，平面内系数取1.5～1.8，平面外系数取1.1～1.3。因此在SAP2000 模型中需根据实际情况手工校核及修改。

⑸井架在工作荷载效应组合时（取正常工作标准组合）的水平变形值，应控制在h/1000 以内(h 为上天轮中心至井颈顶面的距离)。

3.2.2 抗震设计

抗震可查看《井标》第7 章和《构抗规》第10 章的规定，其中需特别注意以下几条：

⑴对《井标》表7.1.3 查得的井架抗震等级是已按乙类建筑确定的抗震等级，不需再提高。本工程抗震等级为二级。

⑶斜撑基础：地脚螺栓中心距基础边缘的距离不应小于螺栓直径的8 倍，且不应小于150mm。在地震作用下，基础底部不应存在零应力区。基础需进行抗滑移稳定性验算，但可不进行断绳、防坠制动荷载效应及地震作用效应组合的验算。

3.3 荷载组合

本工程有以下荷载工况，详见表1。

表1 荷载工况

在SAP2000 中需自定义以下荷载组合：

承载能力极限状态荷载效应组合，详见表2。

表2 承载能力极限状态荷载效应组合

正常使用极限状态荷载效应组合，详见表3。

表3 正常使用极限状态荷载效应组合

3.4 建模注意事项

节点束缚：单斜撑式钢井架以斜撑牛腿与立架顶部铰接，按构件重心线建模时连接点分离（见图3），此两点间位移相同，允许Y 向转动。天轮支承梁固结于斜撑横梁上（见图4），此两点间位移及转角相同。

计算长度系数：模型立架构件的计算长度系数程序一般能算对，但对斜撑构件的计算长度系数程序取值一般都是错的，需根据《钢标》附录E 有侧移框架进行手工校核，再对模型中的计算长度系数进行相应修改。一般来说斜撑柱的平面内系数取1.5～1.8，平面外系数取1.1～1.3。

3.5 结果分析

3.5.1 立架

本工程联系铰采用销轴，此铰受力巨大，需单独进行验算。可按《钢标》第11.6 节的相关规定进行验算。与铰直接相连处的框架梁在此处需进行局部承压验算。图3 中铰对应的支撑对传力非常重要，根据分析模型得到的轴力包络图（图5）可知，斜撑传至立架的荷载主要通过此支撑传至立架柱，再到基础。

图3

图4

图5 轴力包络图

另外从轴力包络图能发现，尽管联系铰由立架中间向斜撑方向移动0.8m 调整了立柱受力，但立架前后柱受力差别还是很大。

立架箕斗卸矿一侧需开洞，造成此侧支撑杆件不连续。从模型分析结果可知，开洞上下部的支撑内力较未开洞侧的支撑内力大很多，接近1.4 倍。需对开洞处立架柱及上下部支撑进行加强。

罐道梁工作荷载可只对直接支承的构件及连接进行计算或验算。过卷荷载、托罐荷载可只对缓冲装置、防撞梁及托罐支承的构件及连接进行计算。

3.5.2 斜撑

本工程斜撑柱采用箱形截面，且其截面较大，板件宽厚比超限，可采用设置纵向加劲肋加强以满足宽厚比限制要求。按《钢结构设计手册》[3]的相关规定：柱腹板用纵向加劲肋加强时，相应地要设置横向加劲肋，横向加劲肋间距不得大于3h0。对于加劲肋尺寸的规定可见《钢标》相关条文。

斜撑柱承担平面内及平面外两个方向的荷载，应按双向偏心受压、受扭计算其承载力和稳定性。另从分析结果来看，提升工作荷载、断绳荷载基本是靠斜撑柱传至基础，通过联系铰传至立架的荷载主要是斜撑自重及风荷载等。

4 总结

在单斜撑式钢井架的设计过程中，应根据相关规范及结构的实际受力状况，确定合理的结构方案。对这种复杂空间结构，应采用三维软件如SAP2000 通用设计软件进行三维结构分析，模拟实际的受力状况，使得结构体系既安全又经济。