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摘 要：确定构件截面尺寸是钢井架设计中的核心内容，传统的设计方法费时、费力。SAP2000软件除能进行钢结构的传统力学分析外，还能进行构件截面的自动优化设计。该文通过一个实例，利用SAP2000对某矿钢井架结构设计过程进行了分析。结果表明，SAP2000软件在钢井架结构设计中操作简单、功能强大，是一种比较有效的矿山钢井架设计方法。
关键词：钢井架 SAP2000 结构设计 截面
中图分类号：TP319；TD53 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0120-02
1 目前钢结构井架常用的计算方法
1.1 传统的计算方法
以前钢井架的计算大多将其简化为平面桁架结构，对荷载进行简化和分析，然后根据钢结构设计规范进行计算。这种计算方法，对于规则的井架结构，计算精度尚能满足要求。但对于稍微复杂的钢结构井架来说，该计算方法就显得力不从心，其计算精度也很难满足工程需要。
1.2 现代钢井架的设计方法
随着计算机技术的发展，国内外能够进行钢结构设计的软件如雨后春笋般开发出来。和传统的计算方法相比，这些软件都可以空间建模，实现空间井架结构的计算与分析。SAP2000软件被誉为结构分析与设计软件的常青树，SAP是“Structural Analysis Program”的缩写，从它的缩写也可以看出，该软件主要应用于结构的设计与分析。
2 基于SAP2000的钢井架结构设计
2.1 SAP2000简介
SAP2000是美国CSI公司产品，在世界范围内广泛应用[1]。除去满足的构造及使用功能之外，钢结构井架设计的核心工作就是对各构件的截面进行设计。传统的设计方法都是初选构件截面尺寸，然后进行受力验算，从而判断截面的选取是否满足要求。对于设计者来说，截面不能选太大，当然也不能太小，确定构件截面的过程是一个反复试算的过程，工作量相对来说很大。SAP2000恰恰在这方面有其独特之处，它可以根据程序设定的位移或周期目标对构件截面进行分析，如果截面不满足要求，程序可以自动选择截面再进行计算，重复这个过程，直至截面满足要求为止。所以，SAP2000在钢结构设计方面优势明显[2]。
2.2 基于SAP2000的钢井架结构设计
某煤矿矿井，拟设计井架为单斜撑式钢井架，单绳提升。拟设计钢井架立架四角柱及主斜撑均采用H型钢HM390×300×10×16，立架四角柱之间用H型钢HN350×175×7×11在水平方向相连。其余构件选择的型钢型号有H型钢HN194×150×6×9、角钢L75×8等。因井筒防坠缓冲装置、罐道拉紧装置、防撞钢丝绳拉紧装置皆设于天轮平台之上，天轮平台为井架主要受力部位，设计天轮平台采用40号工字钢作骨架。
2.2.1 计算的一般规定
《矿山井架设计规范》5.1.1明确说明，井架结构的荷载效应可按弹性理论分析[3]。井架結构上的荷载，对不同工况进行分析，取最不利工况作为结构分析的荷载工况。根据《矿山井架设计规范》，单斜撑井架，立架支座采用钢接处理，斜撑支座简化为铰接，立架与斜撑之间由于为单绳提升所以简化为钢接。
2.2.2 SAP2000中计算模型的建立
该算例在SAP2000中的计算模型如图1所示，因天轮平台是主要受力结构，建模时将平台护栏等构件略去不计。杆件截面与杆件单元在SAP2000中可以独立定义，然后再指定给单元。该程序中，几乎涵盖了目前结构中常用的所有截面形式，这是其他软件所不能具备的。
2.2.3 井架结构线性静力分析
模型中，斜撑采用铰支座，立柱采用固定支座。以钢丝绳的破断力作为计算工况为例对井架进行分析。将作用在井架上的荷载分别计算水平分力106 kN与垂直分力396 kN，并施加在平台梁上。
篇幅所限，此处仅给出钢井架受力后的位移图（为了分析方便，图中位移大小为实际位移的60倍）。分析图2位移图可以看出，整个井架位移最大产生在平台梁上，而斜撑的位移量很小，几乎可以不计。通过提取平台梁荷载作用点处的位移发现，此处在水平方向的最大位移为3.4 mm，在竖直方向上的最大位移为3.9 mm，完全满足钢井架的使用要求。
2.2.4 钢结构截面优化设计
首先运行结构分析选项，结构分析完成后运行钢框架设计选项，进行构件截面分析。分析后，程序界面中会显示计算结果图。如果图中有红颜色的构件，表示该构件不符合要求，需要重新修改构件截面。该算例中，SAP2000计算后显示10根使用角钢L75×8的构件不符合设计要求，通过程序重新选择角钢L100×10，计算后显示构件截面符合要求。
3 结语
SAP2000软件界面友好，具有交互优化设计功能，在构件截面设计中优势明显。利用SAP2000进行矿山钢井架结构设计，操作简单，设计人员极易掌握。在今后的井架结构设计中，完全可以利用该软件完成。
参考文献
[1] 北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2008.
[2] 战玉宝，杨永腾，宋庆军，等.井架结构力学性能的有限元分析[J].煤矿机械，2007，27（11）：60-62.
[3] 中国煤炭建设协会.GB 50385-2006，矿山井架设计规范[S].北京：中国计划出版社，2006.
关键词：钢井架 SAP2000 结构设计 截面
中图分类号：TP319；TD53 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0120-02
1 目前钢结构井架常用的计算方法
1.1 传统的计算方法
以前钢井架的计算大多将其简化为平面桁架结构，对荷载进行简化和分析，然后根据钢结构设计规范进行计算。这种计算方法，对于规则的井架结构，计算精度尚能满足要求。但对于稍微复杂的钢结构井架来说，该计算方法就显得力不从心，其计算精度也很难满足工程需要。
1.2 现代钢井架的设计方法
随着计算机技术的发展，国内外能够进行钢结构设计的软件如雨后春笋般开发出来。和传统的计算方法相比，这些软件都可以空间建模，实现空间井架结构的计算与分析。SAP2000软件被誉为结构分析与设计软件的常青树，SAP是“Structural Analysis Program”的缩写，从它的缩写也可以看出，该软件主要应用于结构的设计与分析。
2 基于SAP2000的钢井架结构设计
2.1 SAP2000简介
SAP2000是美国CSI公司产品，在世界范围内广泛应用[1]。除去满足的构造及使用功能之外，钢结构井架设计的核心工作就是对各构件的截面进行设计。传统的设计方法都是初选构件截面尺寸，然后进行受力验算，从而判断截面的选取是否满足要求。对于设计者来说，截面不能选太大，当然也不能太小，确定构件截面的过程是一个反复试算的过程，工作量相对来说很大。SAP2000恰恰在这方面有其独特之处，它可以根据程序设定的位移或周期目标对构件截面进行分析，如果截面不满足要求，程序可以自动选择截面再进行计算，重复这个过程，直至截面满足要求为止。所以，SAP2000在钢结构设计方面优势明显[2]。
2.2 基于SAP2000的钢井架结构设计
某煤矿矿井，拟设计井架为单斜撑式钢井架，单绳提升。拟设计钢井架立架四角柱及主斜撑均采用H型钢HM390×300×10×16，立架四角柱之间用H型钢HN350×175×7×11在水平方向相连。其余构件选择的型钢型号有H型钢HN194×150×6×9、角钢L75×8等。因井筒防坠缓冲装置、罐道拉紧装置、防撞钢丝绳拉紧装置皆设于天轮平台之上，天轮平台为井架主要受力部位，设计天轮平台采用40号工字钢作骨架。
2.2.1 计算的一般规定
《矿山井架设计规范》5.1.1明确说明，井架结构的荷载效应可按弹性理论分析[3]。井架結构上的荷载，对不同工况进行分析，取最不利工况作为结构分析的荷载工况。根据《矿山井架设计规范》，单斜撑井架，立架支座采用钢接处理，斜撑支座简化为铰接，立架与斜撑之间由于为单绳提升所以简化为钢接。
2.2.2 SAP2000中计算模型的建立
该算例在SAP2000中的计算模型如图1所示，因天轮平台是主要受力结构，建模时将平台护栏等构件略去不计。杆件截面与杆件单元在SAP2000中可以独立定义，然后再指定给单元。该程序中，几乎涵盖了目前结构中常用的所有截面形式，这是其他软件所不能具备的。
2.2.3 井架结构线性静力分析
模型中，斜撑采用铰支座，立柱采用固定支座。以钢丝绳的破断力作为计算工况为例对井架进行分析。将作用在井架上的荷载分别计算水平分力106 kN与垂直分力396 kN，并施加在平台梁上。
篇幅所限，此处仅给出钢井架受力后的位移图（为了分析方便，图中位移大小为实际位移的60倍）。分析图2位移图可以看出，整个井架位移最大产生在平台梁上，而斜撑的位移量很小，几乎可以不计。通过提取平台梁荷载作用点处的位移发现，此处在水平方向的最大位移为3.4 mm，在竖直方向上的最大位移为3.9 mm，完全满足钢井架的使用要求。
2.2.4 钢结构截面优化设计
首先运行结构分析选项，结构分析完成后运行钢框架设计选项，进行构件截面分析。分析后，程序界面中会显示计算结果图。如果图中有红颜色的构件，表示该构件不符合要求，需要重新修改构件截面。该算例中，SAP2000计算后显示10根使用角钢L75×8的构件不符合设计要求，通过程序重新选择角钢L100×10，计算后显示构件截面符合要求。
3 结语
SAP2000软件界面友好，具有交互优化设计功能，在构件截面设计中优势明显。利用SAP2000进行矿山钢井架结构设计，操作简单，设计人员极易掌握。在今后的井架结构设计中，完全可以利用该软件完成。
参考文献
[1] 北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2008.
[2] 战玉宝，杨永腾，宋庆军，等.井架结构力学性能的有限元分析[J].煤矿机械，2007，27（11）：60-62.
[3] 中国煤炭建设协会.GB 50385-2006，矿山井架设计规范[S].北京：中国计划出版社，2006.