損傷缺陷對礦山井架結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響分析

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)造簡單、材料耐用、占用井口時間短等優(yōu)點，在國內(nèi)外被廣泛使用[1]。但在現(xiàn)場服役多年以后，受到環(huán)境以及運輸安裝等因素影響，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[5]用計算機模擬對井架常見損傷缺陷進行了基礎(chǔ)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(shù)值分析，并將結(jié)果外推到實際井架，但研究未考慮構(gòu)件損傷。文獻[7]在此基礎(chǔ)上，考慮了部分單一損傷缺陷，對結(jié)構(gòu)進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。本文運用ANSYS軟件對井架結(jié)構(gòu)進行力學(xué)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(fù)合缺陷等，對其進行了力學(xué)分析[10-12]，得到了一些有價值的結(jié)論，為井架結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)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(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)，同時計入剪切變形影響， 適合該結(jié)構(gòu)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(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。對每層節(jié)點受風(fēng)輪廓面積進行了估算，從高到低經(jīng)過計算分別為77m2，75m2，110m2。按《礦山井架設(shè)計規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算，第一層框架每個節(jié)點受到的風(fēng)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(shù)值模型(b)荷載分布圖2 ANSYS有限元模型及荷載示意圖

通過對無損傷缺陷的井架結(jié)構(gòu)進行計算分析，得到各個桿件應(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)力達到118.0MPa。同時無缺陷情況下，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)計規(guī)范》GB 50385-2006的要求[14]。

2 單一缺陷對井架的力學(xué)影響

2.1 關(guān)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(xiàn)。初始壁厚為R，定義一個桿件的銹蝕率為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，井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)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(jié)構(gòu)的最大水平位移基本呈現(xiàn)出線性增加的趨勢，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

2.2 關(guān)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(dāng)?shù)纫恍┰驅(qū)е麓巳毕?。桿件彎曲有限元實現(xiàn)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(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，彎曲缺陷會讓桿件在沒有達到屈曲荷載之前，就已經(jīng)達到極限狀態(tài)。不同彎曲量對井架結(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

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，井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)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(yīng)力有一個較大的變化，但隨著彎曲量增大，應(yīng)力增長趨勢變緩，呈現(xiàn)線性趨勢。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，關(guān)鍵桿件的彎曲對井架結(jié)構(gòu)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(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左右偏轉(zhuǎn)一個角度，表示支座沉降[16]。如果坐標(biāo)(x1，y1)圍繞原點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

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，井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力相比于無缺陷時分別降低了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，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(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力呈現(xiàn)出線性下降的趨勢，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(jié)構(gòu)的最大水平位移呈現(xiàn)出線性上升的趨勢，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)合缺陷對最大應(yīng)力的影響有限，但對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，對井架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行分析，得出如下結(jié)論：

(1)局部銹蝕對井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和水平位移的影響均較小。當(dāng)桿件局部銹蝕率達到35%時，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)局部彎曲的對井架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和水平位移影響較小?？梢宰C實，關(guān)鍵桿件的局部彎曲對井架結(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)力相比于無缺陷時下降了4.2%，最大水平位移增大了9.2%，對井架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定不利。