Mathcad在钢井架基础设计中的应用

Mathcad在钢井架基础设计中的应用

李冬1王招招1李小龙2陈丽森3

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1.北京国环清华环境工程设计研究院有限公司北京100084

2.中国寰球工程公司北京100012

3.96633部队北京100096

摘要：井架基础外形一般为斜截锥体，由于井架的空间形式的特殊性，决定了井架基础的外形尺寸不同于一般建筑的基础，一旦外形尺寸设计有误，设计的井架支腿就不能与基础进行连接。本文根据兖州煤矿设计研究院《钢井架设计手册》计算方法进行分析，指出《钢井架设计手册》中手工计算及绘图方法存在的不足，进而对计算公式进行了改进，最后提出用Mathcad对井架基础计算实现公式编程，从而提高了计算和绘图的效率。

关键词：钢井架；斜截锥体；井架基础；构筑物；Mathcad

1、绪论

井架是设置在矿井井口用来支承天轮和提升容器的构筑物，井架通常由立架，斜架和天轮架三个主要部分组成【1】，立架主要用来支承提升容器运行和装卸载所需的各种装置。斜架主要用来支承提升钢绳的作用力，通常配置在靠近钢绳张力的合力线上。它同时也用来保证立架结构在水平荷载（如风荷载）作用下，在垂直于钢绳作用平面内的倾覆稳定性。天轮架支承导向天轮，组成一个空间结构，将钢绳的作用力传递给斜架。

2、井架基础外形尺寸计算

根据《钢井架设计手册》【2】，基础三个方向的视图及模板展开图用画法几何的作图法求得，该资料是根据己知条件，首先计算出基础顶面在三个方向的投影尺寸，然后用作图法画基础的透视图，再从基础透视图上量取基础的有关尺寸，画基础斜锥体的侧面模板展开图。其中井架斜腿三个方向的角度关系为，在A、B视图中，力作用线与铅垂线的夹角分别为，基础顶面的斜率线与力作用线垂直，由此计算出基础顶面的投影尺寸：

但是，用此参数画基础的投影图时不闭合，从而使手工绘图结果产生较大的偏差，后经角度投影分析得知，在B视图中，基础顶面斜率线与力作用线不垂直，假定斜率线与水平线的夹角，根据计算出的x1～x6才能画出闭合的基础投影图。

图1斜架基础简图

3、井架基础几何坐标计算

根据计算出的x1～x6数值求算A、B、C、D、E点坐标，E点距基础底边缘150mm～200mm。

根据已知点可以建立三点式平面方程，然后用三平面相交可求出未知点的坐标。

本文以计算F点为例，由A、B、E三点所构成的平面方程如下：

取F点距离基础边缘一般为150～200mm，则F点之均为已知，由EF生成之方程求得坐标值。同理求的H、G坐标值。

然后求的锥体各边长度：

（

般）。同理求出其他各边长度。但这项工作繁琐费事且容易出错，因此有必要利用其他的软件程序对钢井架基础进行计算。本文采用Mathcad编程程序对基础进行计算分析，提高计算速度和计算结果的正确性。

4、Mathcad计算程序的实现

东区风井井架位于张集矿刘村，井架上有两个直径5.5m天轮，下天轮中心标高27.700m，上天轮中心标高35.700m，井架总高度42.800m，单根钢丝绳破断力为2518.78KN，斜架基础为不规则钢筋砼六面体，设计埋深-4.000m，设计地基承载力180Kpa，地基基础设计等级为乙级。

5、结论

钢井架基础是重要的结构构件，基础各部尺寸的确定和地基承载力应进行严格的设计计算【4】，本文通过现有钢井架基础的计算方法进行计算分析，结果是基础模板展开图不闭合。原因是在B视图中，基础顶面斜率线与力作用线并不垂直，本文对原计算公式进行了修正，利用新的修正公式以“淮南张集东风井井架”为例运用Mathcad编程实现钢井架基础计算的程序化，从而提高了钢井架基础设计的效率和正确性，保证了工程质量。

参考文献：

[1]中国煤炭建设协会.《矿山井架设计规范》.中国计划出版社.2006

[2]兖州煤矿设计研究院.《钢井架设计手册》.1992

[3]郑贵水.《Mathcad教程》.国防大学出版社.2012

[4]史三元，冯益孝，王宝燕《钢井架叉开弦杆斜架基础设计》工程力学增刊.1999