楊明飛，朱克川，王 辛，邵 浩

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

礦山鋼井架結構由于其構造簡單、材料耐用、占用井口時間短等優(yōu)點，在國內外被廣泛使用[1]。但在現場服役多年以后，受到環(huán)境以及運輸安裝等因素影響，結構構件相繼出現各種缺陷，導致井架承載能力下降，甚至發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此井架結構的安全性受到越來越多的關注[2-4]。文獻[5]用計算機模擬對井架常見損傷缺陷進行了基礎分析，為正確評定井架安全提供了方法。文獻[6]建立了井架模型，對其進行了實驗和數值分析，并將結果外推到實際井架，但研究未考慮構件損傷。文獻[7]在此基礎上，考慮了部分單一損傷缺陷，對結構進行了分析并初步推導了三種常見的損傷指標函數，為有損傷井架結構的安全研究作了鋪墊。這期間，井架結構安全方面的研究不斷展開，但針對單一缺陷較多，復合多缺陷影響這方面研究較少，仍需要加大研究的力度和投入。本文運用ANSYS軟件對井架結構進行力學建模[8-9]，同時考慮各種損傷情況，包括桿件局部銹蝕、局部彎曲、支座沉降以及復合缺陷等，對其進行了力學分析[10-12]，得到了一些有價值的結論，為井架結構的設計和維護提供參考。

1 有限元模型的建立

以遼寧某鐵礦正方形鋼井架為例：該結構由四個支撐立柱、工作平臺和用以增強井架的剛度和穩(wěn)定性的斜撐組成，如圖1(a)所示。

井架高25m，下端支座間距16m，工作平臺邊長7.5m。頂層工作平臺為“日”字形結構，H型鋼組合而成。H型鋼截面高度1 250mm，寬度550mm，上、下翼緣厚度25mm，腹板厚度14mm。立柱和斜撐由鋼管構成，其孔徑尺寸如表1所示，安裝位置如圖1(b)所示。

表1 井架結構鋼管孔徑尺寸 mm

ANSYS有限元模型如圖2(a)所示，其楊氏模量2.06×1011Pa，泊松比0.3，密度為7.85g/cm3。桿件均采用beam188模擬，由于beam188單元支持約束扭轉，同時計入剪切變形影響， 適合該結構進行線性和非線性分析。 將井架天輪上的荷載向工作平臺H型鋼梁上簡化[13]， 如圖2(b)所示， 同時考慮井架左側受風荷載的影響(最不利位置)， 風荷載作用在結構節(jié)點處，方向由左向右， 如圖2(a)所示。風荷載體型系數取1.3，基本風壓取500N/m2，風振系數為1.4，風壓高度變化系數[14-15]由高到低分別為1.5、1.2、1.0。對每層節(jié)點受風輪廓面積進行了估算，從高到低經過計算分別為77m2，75m2，110m2。按《礦山井架設計規(guī)范》和《建筑結構荷載規(guī)范》計算，第一層框架每個節(jié)點受到的風荷載25kN，第二層框架每個節(jié)點28kN，第三層即是頂層平臺每個節(jié)點35kN。

(a)數值模型(b)荷載分布圖2 ANSYS有限元模型及荷載示意圖

通過對無損傷缺陷的井架結構進行計算分析，得到各個桿件應力分布，井架受風荷載一側是主要承重一側。定義平均應力最大桿件為結構的關鍵桿件，井架結構最大應力達到118.0MPa。同時無缺陷情況下，分析顯示井架結構水平位移最大為10.159mm，滿足《礦山井架設計規(guī)范》GB 50385-2006的要求[14]。

2 單一缺陷對井架的力學影響

2.1 關鍵桿件銹蝕對井架的影響

桿件長期在使用過程中，由于日曬雨淋，保護層脫落，難免會發(fā)生銹蝕，在有限元仿真中，通常以削減壁厚來實現。初始壁厚為R，定義一個桿件的銹蝕率為X%，R′作為經X%銹蝕后的壁厚，R′=R-(R×X%);內徑不變，外徑減少(R×X%)，用來模擬有限元桿件銹蝕缺陷。通過控制關鍵桿銹蝕率的變化，得出銹蝕對井架最大的應力和水平位移的影響，如圖3所示。

由圖3(a)可知，當銹蝕率為0、5%、15%、25%和35%時，井架結構最大應力相比于無缺陷時基本保持不變。分析原因，由于銹蝕引起桿件壁厚被削減，截面面積A減小，引起鋼管凈截面模量Wnx減小，但是減小的幅度有限。由圖3(b)可知，隨著銹蝕率的增大，井架結構的最大水平位移基本呈現出線性增加的趨勢，與無缺陷結構相比，最大增加4.9%，但其并未發(fā)生失穩(wěn)甚至傾覆現象。

(a) 應力變化 (b)位移變化圖3 不同銹蝕率下的最大應力和水平位移變化趨勢

2.2 關鍵桿彎曲對井架的影響

桿件在安裝和搬運過程中，由于操作不當等一些原因導致此缺陷。桿件彎曲有限元實現的方法是，通過定義一條曲線，將原桿件兩端點作為端點，通過修改原桿件中點坐標位置控制不同彎曲量。文中的彎曲方向是沿著結構平面向下。若關鍵桿發(fā)生彎曲，彎曲缺陷會讓桿件在沒有達到屈曲荷載之前，就已經達到極限狀態(tài)。不同彎曲量對井架結構最大應力和水平位移的影響，如圖4所示。

(a) 應力變化 (b)位移變化圖4 不同彎曲量下的最大應力和水平位移變化趨勢

由圖4(a)可知，井架結構的最大應力隨桿件的彎曲量增加而呈現出線性增大，但增大的幅度較小。當彎曲量為20mm、30mm、40mm、50mm和60mm時，井架結構最大應力相比于無缺陷時最大增大了2.5%。因為桿件彎曲程度越大，其達到屈曲所需荷載越小，由于文中桿件受力仍處于彈性階段，沒有進入塑性狀態(tài)，彎曲量較小時，應力有一個較大的變化，但隨著彎曲量增大，應力增長趨勢變緩，呈現線性趨勢。由圖4(b)可知，隨著彎曲量的增加井架結構最大水平位移增長很小，結構最大水平位移相比于無缺陷分別減小了0.46%、0.4%、0.34%、0.28%和0.20%，可以證實，關鍵桿件的彎曲對井架結構整體穩(wěn)定影響甚微。

2.3 支座沉降對井架的影響

井架在長期使用過程中由于地基不均勻沉降和安裝誤差等原因，導致井架支座沉降，井架支座的沉降一般為左右沉降。文中模擬支座沉降是井架繞原點左右偏轉一個角度，表示支座沉降[16]。如果坐標(x1，y1)圍繞原點O偏移，偏轉角度為(α1-α2)，偏移后的坐標(x2，y2)為

(1)

不同沉降量對井架結構最大應力和水平位移的影響，如圖5所示。

(a) 應力變化 (b)位移變化圖5 不同沉降下的最大應力和水平位移變化趨勢

由圖5可知，隨著支座沉降量的增加，井架結構的最大應力下降但是水平位移增加。當沉降量為0.1°、0.2°、0.3°和0.4°時，井架結構最大應力相比于無缺陷時分別降低了0、0.9%、1.7%和2.5%； 結構最大水平位移分別增加了0.4%、 1.4%、2.4%和3.4%。分析原因，是由于支座沉降使井架結構原來的受力體系發(fā)生了改變，桿件所受剪力和彎矩均增加，對井架穩(wěn)定性來說，是十分不利的。但是在合理范圍內，支座沉降對井架結構最大應力和水平位移的影響有限。

3 復合缺陷對井架的影響分析

一般井架的應力和位移響應并不是單一缺陷造成的，而是多種缺陷共同作用的結果。通過上一節(jié)的分析表明，由于桿件銹蝕和桿件彎曲對井架結構最大應力和水平位移變化影響均很小，因此這兩種缺陷不參與復合，而是在復合缺陷分析中作為固定值考慮。

選擇固定支座沉降度數為0°～0.4°，彎曲量和銹蝕率分別為60mm和35%，在此前提下得出井架在固定銹蝕、固定彎曲和不同沉降的復合缺陷下引起的井架結構最大應力和水平位移變化趨勢，如圖6所示。

(a) 最大應力變化 (b) 最大位移變化圖6 固定沉降+關鍵桿件彎曲+銹蝕對井架的影響

由圖6(a)可知，固定銹蝕和彎曲時，隨支座沉降量的增加，井架結構的最大應力呈現出線性下降的趨勢，與初始結構相比，復合缺陷井架結構最大應力相比于無缺陷時分別下降了0.9%、1.7%、2.5%、3.4%和4.2%。由圖6(b)可知，固定銹蝕和彎曲時，隨支座沉降量的增加，井架結構的最大水平位移呈現出線性上升的趨勢，與初始結構相比，復合缺陷井架結構最大水平位移相比于無缺陷時分別增大了5.3%、6.3%、7.2%、8.2%和9.2%，由此可見，復合缺陷對最大應力的影響有限，但對最大水平位移影響較大。

4 結論

本文利用ANSYS軟件構建了井架結構的數值模型，分別考慮桿件局部銹蝕、局部彎曲、支座沉降和復合缺陷等工況，對井架結構的力學性能進行分析，得出如下結論：

(1)局部銹蝕對井架結構最大應力和水平位移的影響均較小。當桿件局部銹蝕率達到35%時，結構最大水平位移增大了4.9%，但其并未發(fā)生失穩(wěn)甚至傾覆現象。

(2)局部彎曲的對井架結構最大應力和水平位移影響較小?？梢宰C實，關鍵桿件的局部彎曲對井架結構整體穩(wěn)定影響較小。

(3)隨著支座沉降量的增加，井架結構最大應力相比于無缺陷時降低了2.5%；結構最大水平位移增加了3.4%。分析原因，是由于支座沉降使井架結構原來的受力體系發(fā)生了改變，桿件所受剪力和彎矩均增加，對井架穩(wěn)定性來說，是十分不利的。

(4)與初始結構相比，復合缺陷井架結構最大應力相比于無缺陷時下降了4.2%，最大水平位移增大了9.2%，對井架結構整體穩(wěn)定不利。