楊明飛，朱克川，王 辛，邵 浩

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

礦山鋼井架結(jié)構(gòu)由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單、材料耐用、占用井口時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外被廣泛使用[1]。但在現(xiàn)場(chǎng)服役多年以后，受到環(huán)境以及運(yùn)輸安裝等因素影響，結(jié)構(gòu)構(gòu)件相繼出現(xiàn)各種缺陷，導(dǎo)致井架承載能力下降，甚至發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此井架結(jié)構(gòu)的安全性受到越來越多的關(guān)注[2-4]。文獻(xiàn)[5]用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)井架常見損傷缺陷進(jìn)行了基礎(chǔ)分析，為正確評(píng)定井架安全提供了方法。文獻(xiàn)[6]建立了井架模型，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，并將結(jié)果外推到實(shí)際井架，但研究未考慮構(gòu)件損傷。文獻(xiàn)[7]在此基礎(chǔ)上，考慮了部分單一損傷缺陷，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析并初步推導(dǎo)了三種常見的損傷指標(biāo)函數(shù)，為有損傷井架結(jié)構(gòu)的安全研究作了鋪墊。這期間，井架結(jié)構(gòu)安全方面的研究不斷展開，但針對(duì)單一缺陷較多，復(fù)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(yùn)用ANSYS軟件對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)建模[8-9]，同時(shí)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(fù)合缺陷等，對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)分析[10-12]，得到了一些有價(jià)值的結(jié)論，為井架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和維護(hù)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(jié)構(gòu)由四個(gè)支撐立柱、工作平臺(tái)和用以增強(qiáng)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(tái)邊長(zhǎng)7.5m。頂層工作平臺(tái)為“日”字形結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，同時(shí)計(jì)入剪切變形影響， 適合該結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性和非線性分析。 將井架天輪上的荷載向工作平臺(tái)H型鋼梁上簡(jiǎn)化[13]， 如圖2(b)所示， 同時(shí)考慮井架左側(cè)受風(fēng)荷載的影響(最不利位置)， 風(fēng)荷載作用在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處，方向由左向右， 如圖2(a)所示。風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.3，基本風(fēng)壓取500N/m2，風(fēng)振系數(shù)為1.4，風(fēng)壓高度變化系數(shù)[14-15]由高到低分別為1.5、1.2、1.0。對(duì)每層節(jié)點(diǎn)受風(fēng)輪廓面積進(jìn)行了估算，從高到低經(jīng)過計(jì)算分別為77m2，75m2，110m2。按《礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算，第一層框架每個(gè)節(jié)點(diǎn)受到的風(fēng)荷載25kN，第二層框架每個(gè)節(jié)點(diǎn)28kN，第三層即是頂層平臺(tái)每個(gè)節(jié)點(diǎn)35kN。

(a)數(shù)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(duì)無損傷缺陷的井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，得到各個(gè)桿件應(yīng)力分布，井架受風(fēng)荷載一側(cè)是主要承重一側(cè)。定義平均應(yīng)力最大桿件為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵桿件，井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力達(dá)到118.0MPa。同時(shí)無缺陷情況下，分析顯示井架結(jié)構(gòu)水平位移最大為10.159mm，滿足《礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50385-2006的要求[14]。

2 單一缺陷對(duì)井架的力學(xué)影響

2.1 關(guān)鍵桿件銹蝕對(duì)井架的影響

桿件長(zhǎng)期在使用過程中，由于日曬雨淋，保護(hù)層脫落，難免會(huì)發(fā)生銹蝕，在有限元仿真中，通常以削減壁厚來實(shí)現(xiàn)。初始壁厚為R，定義一個(gè)桿件的銹蝕率為X%，R′作為經(jīng)X%銹蝕后的壁厚，R′=R-(R×X%);內(nèi)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(guān)鍵桿銹蝕率的變化，得出銹蝕對(duì)井架最大的應(yīng)力和水平位移的影響，如圖3所示。

由圖3(a)可知，當(dāng)銹蝕率為0、5%、15%、25%和35%時(shí)，井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比于無缺陷時(shí)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(jié)構(gòu)的最大水平位移基本呈現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì)，與無缺陷結(jié)構(gòu)相比，最大增加4.9%，但其并未發(fā)生失穩(wěn)甚至傾覆現(xiàn)象。

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

2.2 關(guān)鍵桿彎曲對(duì)井架的影響

桿件在安裝和搬運(yùn)過程中，由于操作不當(dāng)?shù)纫恍┰驅(qū)е麓巳毕?。桿件彎曲有限元實(shí)現(xiàn)的方法是，通過定義一條曲線，將原桿件兩端點(diǎn)作為端點(diǎn)，通過修改原桿件中點(diǎn)坐標(biāo)位置控制不同彎曲量。文中的彎曲方向是沿著結(jié)構(gòu)平面向下。若關(guān)鍵桿發(fā)生彎曲，彎曲缺陷會(huì)讓桿件在沒有達(dá)到屈曲荷載之前，就已經(jīng)達(dá)到極限狀態(tài)。不同彎曲量對(duì)井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和水平位移的影響，如圖4所示。

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

由圖4(a)可知，井架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力隨桿件的彎曲量增加而呈現(xiàn)出線性增大，但增大的幅度較小。當(dāng)彎曲量為20mm、30mm、40mm、50mm和60mm時(shí)，井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比于無缺陷時(shí)最大增大了2.5%。因?yàn)闂U件彎曲程度越大，其達(dá)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(jìn)入塑性狀態(tài)，彎曲量較小時(shí)，應(yīng)力有一個(gè)較大的變化，但隨著彎曲量增大，應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，呈現(xiàn)線性趨勢(shì)。由圖4(b)可知，隨著彎曲量的增加井架結(jié)構(gòu)最大水平位移增長(zhǎng)很小，結(jié)構(gòu)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(shí)，關(guān)鍵桿件的彎曲對(duì)井架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定影響甚微。

2.3 支座沉降對(duì)井架的影響

井架在長(zhǎng)期使用過程中由于地基不均勻沉降和安裝誤差等原因，導(dǎo)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(diǎn)左右偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，表示支座沉降[16]。如果坐標(biāo)(x1，y1)圍繞原點(diǎn)O偏移，偏轉(zhuǎn)角度為(α1-α2)，偏移后的坐標(biāo)(x2，y2)為

(1)

不同沉降量對(duì)井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和水平位移的影響，如圖5所示。

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

由圖5可知，隨著支座沉降量的增加，井架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力下降但是水平位移增加。當(dāng)沉降量為0.1°、0.2°、0.3°和0.4°時(shí)，井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比于無缺陷時(shí)分別降低了0、0.9%、1.7%和2.5%； 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(duì)井架穩(wěn)定性來說，是十分不利的。但是在合理范圍內(nèi)，支座沉降對(duì)井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和水平位移的影響有限。

3 復(fù)合缺陷對(duì)井架的影響分析

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

選擇固定支座沉降度數(shù)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(fù)合缺陷下引起的井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和水平位移變化趨勢(shì)，如圖6所示。

(a) 最大應(yīng)力變化 (b) 最大位移變化圖6 固定沉降+關(guān)鍵桿件彎曲+銹蝕對(duì)井架的影響

由圖6(a)可知，固定銹蝕和彎曲時(shí)，隨支座沉降量的增加，井架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力呈現(xiàn)出線性下降的趨勢(shì)，與初始結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合缺陷井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比于無缺陷時(shí)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(shí)，隨支座沉降量的增加，井架結(jié)構(gòu)的最大水平位移呈現(xiàn)出線性上升的趨勢(shì)，與初始結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合缺陷井架結(jié)構(gòu)最大水平位移相比于無缺陷時(shí)分別增大了5.3%、6.3%、7.2%、8.2%和9.2%，由此可見，復(fù)合缺陷對(duì)最大應(yīng)力的影響有限，但對(duì)最大水平位移影響較大。

4 結(jié)論

本文利用ANSYS軟件構(gòu)建了井架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，分別考慮桿件局部銹蝕、局部彎曲、支座沉降和復(fù)合缺陷等工況，對(duì)井架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1)局部銹蝕對(duì)井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和水平位移的影響均較小。當(dāng)桿件局部銹蝕率達(dá)到35%時(shí)，結(jié)構(gòu)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(xiàn)象。

(2)局部彎曲的對(duì)井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和水平位移影響較小。可以證實(shí)，關(guān)鍵桿件的局部彎曲對(duì)井架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定影響較小。

(3)隨著支座沉降量的增加，井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比于無缺陷時(shí)降低了2.5%；結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(duì)井架穩(wěn)定性來說，是十分不利的。

(4)與初始結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合缺陷井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比于無缺陷時(shí)下降了4.2%，最大水平位移增大了9.2%，對(duì)井架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定不利。