井架计算书

JJ225/43-K 井架是一种前开口式“K” 型井架。该井架设计计算 遵循美国石油学会 API 4F《钻井和修井井架、底座规范》、美国钢结 构学会 AISC《钢结构手册》中的有关规定。我们应用美国大型通用 有限元分析程序 ANSYS，根据井架现场实际工况和 API 规范的要 求，对该井架在多种工况下进行了静强度、刚度及稳定性等一系列 有限元分析计算，并根据计算结果对井架所有构件进行应力校核。

利用 ANSYS 软件建立井架有限元模型，并在不同钻井工况下， 对井架施加相应的载荷和边界条件，进行有限元计算与分析。在软 件的后处理模块中，我们根据美国石油学会 API 4F 规范中的规定， 引用 AISC《钢结构手册》中轴心受压和受弯组合应力校核公式对每 一单元进行校核。 2. 设计规范及标准

井架设计计算遵循美国石油学会 API 4F《钻井和修井井架、底 座规范》、美国钢结构学会 AISC《钢结构手册》中的有关规定。

API 4F 2008 版本 Specification for Drilling and Well Servicing

Structures —Third Edition，2008

AISC Specification for the design Fabrication and Erection

th

of Structure Steel Buildings – 9Edition3. 井架结构特性及技术参数 3.1. 井架结构简述：

从整体结构形式上来看，JJ225/43-K 井架属开口式“K” 型井架，该井架有效高度为 43 m 共由 5 段组成，各段之间通过销轴连接。井架背面通过斜拉杆和横梁连接，井架侧面为片架结构，井架整体为桁架结构具有较强的刚性。井架主体构件均采用 Q235A 和 Q345B 钢制成。 3.2.井架主要设计参数：

1、 最大钩载 （5×6 轮系） 2、 井架有效高度 3、 二层台安装高度 4、 二层台立根容量 5、 井架抗风能力

a）等候天气工况（无钩载、满立根） 36.0m/s b）保全设备工况（无钩载、无立根） 47.8m/s c）起放井架工况 8.3m/s 6、井架顶部开档 2.0×1.8m 7、 井架底部开档 9 m 3.3井架主要材料特性：

该井架主体及附件主要构件均由型钢焊接制成，其所用材质为：235A 和 Q345B；

井架销轴及连接件材质为：35CrMo 钢材型号 Q235A Q345B 35CrMo 表1 材质的主要机械特性

钢材标准 厚度 (mm) t≤16 t≤16 t≤100 235 345 550 (114钻杆、28m 立根)

2250kN 43m

24.5m、25.5m、26.5m

4000m

最小屈服极限 (N / mm2) GB/T 1591 - 1994 GB/T 1591 - 1994 GB/T 3077 - 1999

3.4. 井架主要截面特性：

表2 材料截面特性

Section Element Section Section Type

No. Name H 钢 340X250X9X14 1. H340250

H 钢 250X250X9X14 2. H250250 H 钢 350X300X10X16 3. H350300 工字钢 200X100X7 4. G200100

工字钢 250X118X10 5. G250118 槽钢盒 100X48X5.3 6. CGH10048 双角钢 90X56X6 7. DBL9056

组焊件 350X350X30X30 8 FGG35030

H 钢 350X170X8X14 9 H350170 H 钢 300X170X8X14 10 H300170

3.5 井架侧面与正面投影面积

表3 侧面各个构件面积 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 图纸编号 43 后斜立柱 28 前立柱 44 横撑 41 斜撑 39 横梁 37 立柱 32 斜撑 31 槽钢 35 斜撑 36 后立柱 8 9 梁 11 滑轮盒 17 梁 30 短梁 12 滑轮 40 加强筋 29 加强筋 1 支角 21 1 支角 名称 左下端（KJJ40L03-25.00） 类型 重量 面积 H 379.6 1.190715 H 832 2.609787 H .3 0.280113 [ 100*48*5.3 22.5 0.23 H 187 0.586575 管 22 0.084 [100*48*5.3 0.23 [100*48*5.3 29 0.143 H 229 0.718319 H 540 1.693852 900直径滑轮 0.63 □ 0.57 □ 0.598 □ 0.57 H 0.117 滑轮 0.14 0.11 0.25 0.1 10.85136 右下端（KJJ40L03-26.00） 0.1 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 28 41 42 39 33 37 36 35 8 16 10 30 7 11 38 29 32 31 17 59 60 61 62 63 前立柱 H 832 2.6 后斜立柱 H 379.6 1.190715 横撑 H 0.223 斜撑 [ 100*48*5.3 0.23 槽钢 [ 100*48*5.3 0.245 横梁 H 0.57 后立柱 H 1.72 斜撑 H 0.63 梁 □ 0.57 梁 □ 0.57 滑轮盒 □ 0.5928 短梁 H 0.116 滑轮 0.63 滑轮 0.14 加强筋 0.11 加强筋 0.25 管直径22 L=6.345 0.139 管直径60 L=6.345 0.38 管 管 0.084 11.09052 左中下段（KJJ40L03-17.00） 11 立柱 H 5.36 13 斜撑 L90*56 0.551 17 斜撑 L90*56 0.551 12 横撑 L90*56 0.615 18 横撑 H250*118 0.538 7.615 右中下段（KJJ40L03-18.00） 12 立柱 H 5.36 18 斜撑 L90*56 0.551 14 斜撑 L90*56 0.551 13 横撑 L90*56 0.615 19 横撑 H250*118 0.538 26 竖撑 [ 100*48*5.3 0.165 27 竖撑 [ 100*48*5.4 0.0923 24 管22 L=5428 0.119 23 管60 L=5428 0.325 22 管60 L=9780 0.587 8.9033 左中段（KJJ40L03-12.00） H250*250 12 立柱 两件 5.36 13 横撑 L90*56 0.615 14 斜撑 L90*56 0.54 20 斜撑 L90*56 0.54 21 横撑 H250*118 0.538 右中段（KJJ40L03-13.00） H250*250 13 立柱 两件 65 14 横撑 L90*56 66 21 斜撑 L90*56 67 22 横撑 H250*118 68 15 斜撑 L90*56 69 29 钢管 管60 二层台 钢管 0.7 右中上（KJJ40L03-04.00） 70 9 后立柱 H250*250 71 23 前立柱 H250*250 72 18 横撑 L90*56 73 14 斜撑 L90*56 74 13 横撑 H250*250 75 11 斜撑 L90*56 76 10 横撑 L90*56 77 20 斜撑 L90*56 78 21 横撑 H250*118 79 22 斜撑 L90*56 80 25 横撑 L90*56 左中上（KJJ40L03-03.00） 81 25 前立柱 H250*250 82 11 后立柱 H250*250 83 20 横撑 L90*56 84 16 斜撑 L90*56 85 13 斜撑 L90*56 86 22 斜撑 L90*56 87 24 斜撑 L90*56 88 23 横撑 H250*250 15 横撑 H250*250 90 12 横撑 L90*56 91 27 横撑 L90*56 上部 92 9 前立柱 H250*250 93 8 斜撑 L90*56 94 20 横梁 H250*118 95 10 斜撑 L90*56 96 22 后立柱 H250*250 97 28 横撑 L100*100 其他 单侧面各个杆件面积合计

7.593 5.36 0.615 0.55 0.538 0.55 0.4 8.013 2.68 2.68 0.2 0.275 0.269 0.275 0.1 0.27 0.244 0.261 0.153 7.496 2.68 2.68 0.2 0.275 0.275 0.27 0.261 0.244 0.269 0.187 0.168 7.509 1.238 0.1638 0.4602 0.1555 1.237 0.158 4.5 4.912 44.135 表4正面各个构件投影面积

100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 13 26 18 21 14 9 25 10 9 8 7 6 12 19 15 17 12 11 27 26 24 23 19 41 3 5 4 横撑 斜撑 横梁 斜撑 横梁 前立柱 前立柱 连接架 连接架 连接架 连接架 连接架 立柱 连接架 连接架 连接架 连接架 二层台 立柱 连接架 连接架 连接架 连接架 连接架 前立柱 后立柱 后斜立柱 连接架 连接架 连接架 上段 L100*100 管127*7 管127*7 管127*7 H250*118 H250*250 2件 中上段 H250*250 管152*8 H300*170*8*14 管152*8 H300*170*8*14 管152*8 中段 H250*250 两件 管152*8 管152*8 H300*170*8*14 H300*170*8*14 管1/4〝 中下段 H 管152*8 H300*170*8*14 管152*8 H300*170*8*14 管152*8 下段 H H H H350*300*10*16 管127*8 H200*100*7 H350*300*10*16 0.1588 0.2243 0.24638 0.35077 0.5935 5.036 7.16375 5.036 0.8568 0.5593 1.3576 0.4267 0.43 5.036 0.8325 1.4972 0.833 0.7014 2.12436 5.036 1.0557 1.1721 1.63671 0.9752 0.8325 3.6584 2.338 1.598 4.1454 0.79442 0.82 1.88 42.285 正面总面积 3.6 静力矩

表5 面积对井架结构基础的静力矩 侧面 名称 面积 高度 静力矩 上段 3.3125 46.565 154.2466 中上段 7.509 38.703 290.6208 中段 8.013 28.014 中下段 8.9033 17.32 下段 11.09052 6 天车 44.2 游动设备 30.1 正面 上段 7.16375 46.565 中上段 8.66 38.703 中段 11.0244 28.014 中下段 10.7082 17.32 下段 5.2837 6 天车 44.2 游动设备 30.1

4.井架有限元模型的建立 4.1.井架模型简述：

224.4762 154.2052 66.54312 333.58 335.4157 308.8375 185.466 31.7022 0 0 JJ225/43-K 井架属开口式“K” 型井架，从井架结构分析 上来看，该井架结构特点为：以梁、柱和杆件为主的空间杆系 刚架结构。依据井架的结构特点对井架进行力学简化，在 ANSYS 软件前处理模块中建立以三维梁、柱单元(BEAM188)和PIPE16为主的井架有 限元模型，单元划分共计 373 个节点，253 个单元。

图1 井架单元节点模型图 4.2.单元特性特性：

JJ225/43-K 井架主体构件共采用了 19 种不同的材料规格， 采用BEAM188单元

进行模拟分析。模型中框架柱、梁均采用三维线性有限应变梁单元beam188，该单元非常适合于线性、大角度转动和(或)非线性大应变和应力问题； 5. 载荷与载荷工况分析： 5.1.载荷工况分析：

根据井架在油田现场的实际使用情况，以及 API 4F 的有关规定， 我们认为 JJ225/43-K 井架在正常钻井作业存在着如下几种载荷工况：

井架最大钩载 + 井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 + 快绳 载荷 + 死 绳载荷+ 立根载荷+ 工作风载荷

风速：16.5m/s； 风向：与 X 轴夹角 0° 工况 2：工作工况1a

井架最大钩载 + 井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 + 快绳 载荷 + 死 绳载荷+ 立根载荷+ 工作风载荷

风速：16.5m/s； 风向：与 X 轴夹角 90° 工况 3：工作工况1a

井架最大钩载 + 井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 + 快绳 载荷 + 死 绳载荷+ 立根载荷+ 工作风载荷

风速：16.5m/s； 风向：与 X 轴夹角 45° 工况 4：工作工况1b

无钩载 + 井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 + 快绳载荷 + 死绳载荷 + 立根载荷+ 工作风载荷

风速：16.5m/s； 风向：与 X 轴夹角 45°

工况 5：预期风暴工况

井架恒载（主体、附件）+天车恒载 +井架风载（主体、附件）+天车风载

+天车风载 +立根载荷

风速：30.7m/s； 风向：与 X 轴夹角 45°

工况 7：井架起升

井架恒载（主体、附件）+天车恒载 +井架风载（主体、附件） 风速：38.6m/s； 风向：与 X 轴夹角45° 工况 6：非预期风暴工况 工况 1：工作工况1a

井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 + 井架起升载荷+ 井架起 升风载 风速：16.5m/s； 风向：与 X 轴夹角 45°

工况 8：地震分析

井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 + 地震载荷

工况9：井架运输

井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 5.2.载荷分析：

载荷 1：井架恒载

井架恒载（包括：井架主体、天车、二层台、游动系统、设备、 附件等）：673.5 kN ，其中：

1．井架主体重量：484.5 kN 2．天车重量：51.43 kN 3．二层台重量：33.30 kN 4. 游车自重：38 kN 5．大钩自重：21.8 kN 6．水龙头自重：25.7 kN 7. 钢丝绳自重: 18.8 kN

游动系统重量:G游=大钩+水龙头+游车+钢丝绳=104.3KN

载荷 2：最大钩载

井架最大钩载（5X6轮系）：G = 2250 kN 载荷 3：快绳和死绳的和力 (最大钩载工况)

快绳+死绳最大力：F= 2(2250+104.3)／10= 470.86kN 载荷 4：立根载荷

最大钻柱重量：W(钻柱)= 1300 KN 载荷 5：风载

根据 API4F2008版第 8章，根据逐项计算法结构上的总风力应 当通过单个构件和附件上作用的风力的向量和来估计。应根据下列 公式来计算设计风速的风力；

2

Fm = 0.00338×Ki×VZ×Cs×A VZ = Vdes×β

其中：Fm 为垂直于单个构件纵轴或挡风墙表面的风力；

Ki 单个构件纵轴与风向倾角系数； VZ 局部风速

Vdes 最大额定设计风速 Cs 形状系数

A 单个构件的投影面积

β不同高度下的风载系数

Ft—作用在整个钻井结构每个构件和附件的风力矢量之和。

Gf—说明空间相干性的阵风效用系数，其选取基于井架的总投影面积，它定义为垂直于风向的外围因素突出部分所包含的面积，参见 API Spec 4F 标准要求：表1-4，根据该井架的总投影面积表3、表4， 取0.90。

Ksh—说明构件和附件的球面防护与气流环绕构件和附件末端的变化的减少因子，对于该井架，所有结构构件和附件的防护层面比修正因子 在所有风向上都等于0.9。

经过计算井架主体风载：（包括：二层台风载、天车风载、立根风载）为： 风速：16.5m/s；

Fm（正向）=23800.98N； Fm（侧向）=27074.5N；

Fm（45°斜向）=30133.37N； 背面来风：

FtzGfKshFm=0.9×0.9×23800.98=19278.79 N

FtcGfKshFm=0.9×0.9×27074.5=21930.35 N Ft45GfKshFm=0.9×0.9×30133.37=24408.03 N 风速：30.7m/s；

Fm（正向）=83674.73 N； Fm（斜向）=105936.87 N；

Fm（侧向）=95183.11 N；

FtzGfKshFm=0.9×0.9×83674.73=67776.53 N FtcGfKshFm=0.9×0.9×95183.11=77098.32 N

Ft45GfKshFm=0.9×0.9×105936.87=85808.86 N 风速：38.6m/s；

Fm（正向）=130738.78 N； Fm（侧向）=148720.23 N； Fm（斜向）=165522.60 N； FtzGfKshFm=0.9×0.9×130738.78=1058.40 N

FtcGfKshFm=0.9×0.9×148720.23=120463.38 N Ft45GfKshFm=0.9×0.9×165522.60=134073.31 N

载荷 6：立根载荷

立根载荷是由立根自重产生的垂直载荷和水平载荷组成。垂直载荷施加于钻机底座立根盒上，水平载荷作用于井架二层台的指梁上，指向二层台的两侧。 立根对井架的水平力计算：

P水平力=1/2×q×l×n×ctg=1/2×36×9.8×28×144×ctg87=37.275KN

载荷 7：起升载荷：

取井架起升初始位置对底座进行强度校核。

1) 井架参与起升的载荷为：629 kN 2) 井架起升力矩：由力矩平衡公式得：

井架起升时所受载荷随着起升角度的变化而不断变化，我们选

M =1.515×10kN.mm 则此时井架起升大绳作用力为：

F绳= 555.413 kN

当θ=75°时，井架起升钩载为： G（起升）=1.27 kN 5.3. 载荷施加：

根据弹性力学理论，我们将井架进行适当的力学简化，建立桁 架结构的模型，JJ225/43-K 井架在各种工况下承受多种载荷，我们根据各载荷的类型分别施加于模型上。

① 最大钻柱重量或最大钩载平均分配到井架顶端4个节点上； ② 工作绳垂直作用力也近似分配到井架顶端4个节点上； ③ 井架主体以重力加速度的方式加在结构上。

④ 垂直载荷施加于钻机底座立根盒上立根水平靠力平均分配到二层台的指梁上。

6.AISC 中的设计依据

①AISC中的设计载荷下的强度

结构构件及连接的计算强度应按API给出的设计载荷组合下的结构分析来确定。 AISC 规定“通过弹性或塑性分析来进行设计计算都是允许的”。我们采用的通用有限元程序 ANSYS中的 BEAM4 单元,进行设计计算。BEAM188单元的计算理论为空间的弹性梁结构的目标，符合AISC设计计算的规定。 ②AISC中的极限状态

当结构所承受的所有的设计载荷组合时，不许超过可应用的极限状态。强度极

10

限状态（承载能力极限状态）相应于安全性和最大承载能力。适用用性极限状态（正常使用极限状态）与正常服役条件的性能相关。这和我们力学概念是一致的。 ③AISC中的强度设计

每个结构构件或组件的设计强度必须等于或超过基于设计荷载的计算强度。事实上就是构件设计的承载能力等于或大于设计载荷的能力，AISC中的计算载荷施加了大于 1 的系数，这里就已经有了安全系数的含义。

我们在设计计算中，采用按 API标准结合常规习惯将在整体结构上施加实际载荷，从中求出各单元杆件所承受的综合应力，所承受的综合应力应小于材料的屈服应力，二者之比就有安全系数。这种计算方法与 AISC中的强度设计是一致的。 AISC 中又提到许用应力的设计概念，而且杆件承受的应力不大于许用应力。所谓的许用应力（[] ）是材料的屈服极限s 除以许用安全系数（[n] ）而得来。

[n]s []根据AISC335-中规定，受压合和受弯时，构件的安全系数不小于1.67。 7.各载荷工况分析结果：

以下数据为 JJ225/43-K 井架在各种载荷工况下的分析计算结果，其中包括：位移结果、应力结果及井架位移图、应力图等。 7.1确定风载的方向

根据API标准要求，井架计算过程中，风的方向必须确定，并且认为该方向来风使井架产生最大的应力。根据这一要求，在工况 1a条件下对该井架结构在背面、侧面、斜向 45 度方向来风分别进行计算，最后根据应力大小，确定计算过程中风载的方向

7.1.1工况 1（背面来风）：（符合API Spec 4F（2008 年，第 3版）设计载荷工况1a）

井架最大钩载 + 井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 + 快绳 载荷 + 死 绳载荷+ 立根载荷+ 工作风载荷

风速：16.5m/s； 风向：与 X 轴夹角 0°

表6单元应力结果数值:（此处仅输出应力较大的前 50 组单元数值）

146 99 218 223 125 136 -6.18E+07 -1.36E+08 -1.32E+08 -1.30E+08 -1.29E+08 -1.28E+08 -1.40E+08 -8.88E+07 -8.14E+07 -6.79E+07 -7.12E+07 -6.86E+07 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.469047 3.886974 4.240152 5.081825 4.845778 5.025931 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 100 145 1 58 2 225 8 126 80 224 69 90 79 30 222 102 182 57 106 70 116 152 206 162 105 29 16 15 147 135 171 161 191 220 172 195 115 7 208 1 151 181 196 184 -1.27E+08 -1.19E+08 -1.18E+08 -1.18E+08 -1.18E+08 -1.17E+08 -1.16E+08 -1.11E+08 -1.11E+08 -1.10E+08 -1.09E+08 -1.08E+08 -1.06E+08 -1.03E+08 -1.03E+08 -1.02E+08 -1.01E+08 -1.00E+08 -1.00E+08 -9.75E+07 -9.73E+07 -9.68E+07 -9.E+07 -9.60E+07 -9.54E+07 -9.49E+07 -9.39E+07 -9.33E+07 -9.29E+07 -9.22E+07 -9.17E+07 -9.15E+07 -9.11E+07 -8.99E+07 -8.95E+07 -8.88E+07 -8.80E+07 -8.77E+07 -8.69E+07 -8.62E+07 -8.52E+07 -8.44E+07 -8.27E+07 -8.21E+07 -8.13E+07 -9.48E+07 -8.34E+07 -6.06E+07 -1.03E+08 -8.37E+07 -8.20E+07 -8.27E+07 -8.86E+07 -1.01E+08 -8.90E+07 -1.09E+08 -1.04E+08 -1.07E+08 -9.23E+07 -9.53E+07 -7.09E+06 -8.19E+07 -1.19E+08 -1.06E+08 -1.22E+08 -1.08E+08 -1.15E+08 -1.00E+08 -7.05E+07 -1.01E+08 -1.12E+08 -1.03E+08 -8.98E+07 -9.18E+07 -3.21E+07 -1.06E+08 -9.21E+07 -1.05E+08 -5.28E+07 -3.17E+07 -9.44E+07 -7.E+07 -1.19E+08 -1.13E+08 -7.14E+07 -1.17E+08 -1.13E+08 -1.00E+08 -8.49E+07 -6.26E+07 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.639087 4.137435 5.690158 3.351467 4.120633 4.209833 4.173673 3.3114 3.406734 3.875447 3.165428 3.327225 3.220086 3.738541 3.621515 48.66146 4.214152 2.905019 3.254717 2.82509 3.187656 2.987272 3.446209 4.452 3.432494 3.081458 3.333655 3.843925 3.758538 10.73696 3.258714 3.744058 3.276042 6.537062 10.393 3.652804 4.370408 2.909919 3.05824 4.828822 2.93767 3.061768 3.437282 4.065568 5.515235 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 图2井架正面应力图

图3位移变形图

该工况下，井架应力图见图2，位移变形图见图3，前 50 个较大应力的单元杆件如表6所示。 最大应力位于井架主立柱146和99号单元，最大应力值为140和136.14MPa。安全系数n=345/140=2.46>1.67，符合API设计要求。

7.1.2工况2（侧面来风）（符合API Spec 4F（2008 年，第 3版）设计载荷工况1a）。

井架最大钩载 + 井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 + 快绳 载荷 + 死绳

载荷+ 立根载荷+ 工作风载荷

风速：16.5m/s； 风向：与 X 轴夹角 90°

图4 应力云图（侧面来风）

图5 位移云图（侧面来风）

表7单元应力结果数值:（此处仅输出应力较大的前 50 组单元数值） 146 223 136 99 218 225 125 126 -6.38E+07 -1.34E+08 -1.34E+08 -1.30E+08 -1.24E+08 -1.23E+08 -1.17E+08 -1.13E+08 -1.45E+08 -6.92E+07 -6.86E+07 -7.71E+07 -7.31E+07 -8.24E+07 -6.87E+07 -9.30E+07 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.37E+00 4.99E+00 5.03E+00 4.48E+00 4.72E+00 4.19E+00 5.02E+00 3.71E+00 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 145 1 182 58 80 69 90 106 224 206 152 2 79 162 8 70 147 116 196 57 222 191 172 105 220 161 171 30 29 15 208 102 60 115 135 184 151 7 82 1 181 108 -1.11E+08 -1.10E+08 -1.08E+08 -1.07E+08 -1.02E+08 -1.01E+08 -1.01E+08 -1.01E+08 -1.00E+08 -1.00E+08 -9.99E+07 -9.98E+07 -9.86E+07 -9.84E+07 -9.83E+07 -9.60E+07 -9.51E+07 -9.47E+07 -9.45E+07 -9.37E+07 -9.34E+07 -9.24E+07 -9.22E+07 -9.08E+07 -9.05E+07 -8.97E+07 -8.85E+07 -8.82E+07 -8.69E+07 -8.66E+07 -8.59E+07 -8.53E+07 -8.24E+07 -8.23E+07 -8.09E+07 -7.99E+07 -7.98E+07 -7.96E+07 -7.E+07 -7.83E+07 -7.80E+07 -7.78E+07 -7.77E+07 -7.78E+07 -6.09E+07 -8.30E+07 -9.27E+07 -1.01E+08 -1.00E+08 -1.01E+08 -1.05E+08 -8.48E+07 -6.90E+07 -1.05E+08 -7.04E+07 -9.79E+07 -1.06E+08 -6.95E+07 -1.03E+08 -3.72E+07 -1.11E+08 -7.79E+07 -1.08E+08 -9.07E+07 -5.71E+07 -9.96E+07 -1.05E+08 -1.01E+08 -3.38E+07 -9.58E+07 -8.53E+07 -8.28E+07 -9.46E+07 -8.33E+07 -7.12E+07 -6.53E+07 -6.50E+07 -1.10E+08 -1.04E+08 -5.77E+07 -1.05E+08 -1.04E+08 -7.11E+07 -1.08E+08 -9.51E+07 -6.20E+07 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 4.44E+00 5.66E+00 4.16E+00 3.72E+00 3.43E+00 3.45E+00 3.41E+00 3.27E+00 4.07E+00 5.00E+00 3.29E+00 4.90E+00 3.52E+00 3.26E+00 4.97E+00 3.34E+00 9.27E+00 3.12E+00 4.43E+00 3.18E+00 3.80E+00 6.04E+00 3.46E+00 3.28E+00 3.43E+00 1.02E+01 3.60E+00 4.05E+00 4.17E+00 3.65E+00 4.14E+00 4.84E+00 5.29E+00 5.31E+00 3.15E+00 3.33E+00 5.98E+00 3.28E+00 3.31E+00 4.85E+00 3.20E+00 3.63E+00 5.56E+00 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 该工况下，井架应力图见图4，位移变形图见图5，前 50 个较大应力的单元杆件如表7所示。 最大应力位于井架主立柱146和223号单元，最大应力值为145和134MPa。安全系数n=345/145=2.37>1.67，符合API设计要求。

7.1.3工况3（45°来风）（符合API Spec 4F（2008 年，第 3版）设计载荷工况1a）。

表8单元应力结果数值:（此处仅输出应力较大的前 50 组单元数值）

223

-1.37E+08 136 -1.35E+08 99 -1.34E+08 218 -1.30E+08 225 -1.24E+08 125 -1.20E+08 58 -1.18E+08 2 -1.16E+08 126 -1.15E+08 8 -1.14E+08 80 -1.12E+08 69 -1.11E+08 1 -1.11E+08 145 -1.10E+08 100 -1.09E+08 90 -1.09E+08 182 -1.08E+08 79 -1.07E+08 57 -1.05E+08 106 -1.03E+08 224 -1.03E+08 30 -1.02E+08 70 -1.01E+08 152 -1.00E+08 206 -9.97E+07 219 -7.39E+07 146 -6.70E+07 190 -6.93E+07 205 -6.97E+07 221 -3.47E+07 148 -3.11E+07 192 -5.19E+07 207 -7.34E+07 183 -6.70E+07 163 -5.96E+07 72 -5.76E+07 137 -5.71E+07 17 -6.E+07 117

-5.70E+07

-6.95E+07 -7.11E+07 -9.85E+07 -7.94E+07 -8.42E+07 -7.04E+07 -1.04E+08 -8.21E+07 -9.42E+07 -8.12E+07 -1.05E+08 -1.12E+08 -6.09E+07 -8.24E+07 -1.13E+08 -1.08E+08 -8.31E+07 -1.05E+08 -1.19E+08 -1.10E+08 -8.65E+07 -9.25E+07 -1.20E+08 -1.05E+08 -6.92E+07 -1.45E+08 -1.44E+08 -1.16E+08 -9.42E+07 -9.28E+07 -8.87E+07 -8.86E+07 -8.61E+07 -8.15E+07 -7.49E+07 -7.37E+07 -7.31E+07 -6.77E+07 -6.63E+07

3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 3.45E+02

2.514211 2.559157 2.58427 2.650788 2.784504 2.871411 2.929439 2.971832 2.996092 3.020222 3.092784 3.114562 3.115124 3.143794 3.160209 3.167462 3.198294 3.227315 3.297333 3.333655 3.337848 3.39033 3.432494 3.44071 3.460381 2.381445 2.400668 2.974138 3.66141 3.717312 3.0129 3.584 4.0063 4.2337 4.6086 4.681521 4.722405 3.47135 5.202835

>1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67

18 153 91 173 92 118 174

-6.54E+07 -6.43E+07 -4.80E+07 -6.98E+07 -6.53E+07 -6.10E+07 -5.93E+07

-6.57E+07 -6.53E+07 -6.47E+07 -6.45E+07 -6.24E+07 -6.21E+07 -6.18E+07 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.577681 5.2795 5.329749 5.3501 5.528226 5.553856 5.582795 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67

图6 应力云图

图7位移云图

该工况下，井架应力图见图6，位移变形图见图7，前 50 个较大应力的单元杆件如表8所示。最大应力位于井架主立柱219和223号单元，最大应力值为148.45和137.22MPa。安全系数n=345/148.45=2.324>1.67，符合API设计要求。

根据工况 1a条件下对该井架结构在背面、侧面、斜向 45 度方向来风分别进行计算，最后根据应力大小，确定计算过程中风载的方向为45° 7.2 工况4： 工作工况1b

无钩载 + 井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 + 快绳载荷 + 死绳载荷 + 立根载荷+ 工作风载荷

风速：16.5m/s； 风向：与 X 轴夹角 45°

表9单元应力结果数值:（此处仅输出应力较大的前 50 组单元数值）

260 266 272 132 21 253 33 101 93 73 278 59 248 134 256 186 119 39 71 19 120 158 48 268 259 243 112 210 201 81 237 46 140 199 166 74 53 31 273 228 194 45 262 5.96E+07 3.18E+07 2.72E+07 2.48E+07 2.41E+07 2.15E+07 2.07E+07 1.82E+07 1.71E+07 1.70E+07 1.63E+07 1.46E+07 1.34E+07 1.33E+07 1.22E+07 1.19E+07 1.17E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.02E+07 1.00E+07 9.88E+06 8.85E+06 8.63E+06 8.55E+06 8.42E+06 8.28E+06 8.12E+06 8.09E+06 8.08E+06 8.04E+06 7.84E+06 7.72E+06 7.52E+06 7.32E+06 7.25E+06 6.94E+06 6.85E+06 6.84E+06 6.81E+06 6.57E+06 6.29E+06 5.74E+06 5.72E+06 -2.85E+07 -1.99E+06 4.23E+05 -2.11E+07 6.70E+06 -2.08E+07 4.00E+06 7.37E+06 1.96E+07 1.88E+07 8.69E+06 1.11E+07 -1.78E+07 -1.36E+07 -1.51E+07 1.93E+06 1.69E+07 1.08E+07 5.10E+06 -5.95E+06 -7.33E+06 -9.00E+06 1.27E+07 -2.68E+07 -9.02E+06 -7.27E+06 -6.63E+06 4.65E+06 -3.55E+06 7.57E+06 -6.26E+06 -8.05E+06 -1.24E+06 4.08E+06 7.44E+05 4.97E+05 2.68E+06 -5.09E+06 -7.37E+06 1.55E+07 -2.47E+06 -4.03E+06 -5.79E+06 -2.52E+07 2.35E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 2.35E+02 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 2.35E+02 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 2.35E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 8.253723 117.93 555.3717 16.37555 51.47717 11.31113 86.26294 46.818 11.9849 12.48075 27.04382 30.94448 13.16969 25.28584 15.55879 121.9765 13.87413 32.01856 67.68555 58.02806 32.06265 38.33376 18.56827 8.775533 26.05928 32.32018 52.01345 50.49311 66.18786 45.57102 37.55493 42.86992 1.8836 57.53881 315.9027 473.1036 87.58526 67.8306 46.81902 15.15738 95.24196 85.68661 59.63493 9.33058 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 160 195 178 12 231 94 5.40E+06 5.24E+06 5.17E+06 4.73E+06 4.56E+06 4.54E+06 -5.88E+06 -1.14E+07 -4.73E+06 -4.17E+06 -2.98E+06 -8.71E+05 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 58.70742 30.101 72.838 82.71398 78.75335 269.6995 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 图8 应力云图

图9位移云图

该工况下，井架应力图见图8，位移变形图见图9，前 50 个较大应力的单元杆件如表9所示。 最大应力位于井架主立柱260号单元，最大应力值为59.6MPa。安全系数n=235/59.6=8.25>1.67，符合API设计要求。 7.3 工况5：

井架恒载（主体、附件）+天车恒载 +井架风载（主体、附件）+天车风载风速：38.6m/s；

风向：与 X 轴夹角45°

表10单元应力结果数值:（此处仅输出应力较大的前 50 组单元数值）

100 21 33 102 101 2 8 -1.08E+08 8.53E+07 7.47E+07 -7.07E+07 6.44E+07 -6.03E+07 -5.99E+07 1.47E+07 3.49E+07 1.86E+07 6.26E+07 4.16E+07 -4.05E+07 -3.94E+07 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.183832 4.046304 4.6135 4.879981 5.354815 5.721583 5.7528 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 59 15 61 30 1 71 7 16 57 58 73 39 80 74 29 81 48 83 90 93 109 19 18 17 69 196 223 200 79 70 186 116 219 106 225 126 91 220 182 261 260 136 5.73E+07 -5.34E+07 -5.24E+07 -5.23E+07 -4.90E+07 4.74E+07 -4.68E+07 -4.67E+07 -4.53E+07 -4.45E+07 4.41E+07 4.38E+07 -4.28E+07 4.25E+07 -4.20E+07 4.18E+07 4.14E+07 -3.98E+07 -3.87E+07 3.86E+07 -3.78E+07 3.65E+07 -3.62E+07 -3.51E+07 -3.44E+07 -3.35E+07 -3.23E+07 -3.23E+07 -3.13E+07 -3.11E+07 3.09E+07 -3.00E+07 -2.95E+07 -2.95E+07 -2.92E+07 2.E+07 -2.87E+07 2.80E+07 2.80E+07 -2.75E+07 -2.74E+07 2.74E+07 -2.69E+07 4.87E+07 -5.91E+07 -5.21E+07 -3.82E+07 -7.06E+07 3.26E+07 -7.07E+07 -4.35E+07 -3.79E+07 -4.83E+07 4.77E+07 4.14E+07 -3.42E+07 2.57E+07 -6.11E+07 3.84E+07 5.24E+07 -4.40E+07 -3.77E+07 4.56E+07 -3.98E+07 -1.48E+07 -3.05E+07 -2.77E+07 -4.80E+07 9.53E+06 -2.02E+07 -1.58E+07 -2.70E+07 -6.02E+07 1.41E+06 -3.40E+07 -4.12E+07 -3.51E+07 -2.32E+07 1.50E+07 -2.57E+07 2.19E+07 2.20E+07 -8.57E+06 2.84E+07 -2.73E+07 -2.52E+07 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 6.019367 6.45753 4.4875 6.592399 7.047144 7.281861 7.369748 7.381574 7.622962 7.759784 5.326503 7.879771 8.052845 5.530843 8.220745 8.247078 5.681269 5.903633 8.92003 6.081151 6.223847 9.463722 6.488128 6.695538 10.01946 10.29974 10.694 7.275767 11.03823 11.09503 7.611583 11.50614 11.69333 11.70841 11.82844 8.1298 12.03306 12.32627 12.33288 12.54865 8.570074 8.575703 12.84868 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67

图10 应力云图

图11 位移云图

该工况下，井架应力图见图10移变形图见图11，前50 个较大应力的单元杆件如表10所示。最大应力位于井架主立柱100单位处，最大应力值为108MPa安全系数n=345/108=3.184>1.67，符合API设计要求。 7.3 工况6：

井架恒载（主体、附件）+天车恒载 +井架风载（主体、附件）+天车风载 +立根载荷

风速：30.7m/s； 风向：与 X 轴夹角 45°

表11单元应力结果数值:（此处仅输出应力较大的前 50 组单元数值） 单元 压应力 屈服强度 安全系数 最小安全系数 99 -1.50E+07 -1.01E+08 3.45E+02 2.31E+01 >1.67 260 1.42E+08 -9.66E+07 3.45E+02 2.43E+00 >1.67 1 -5.95E+07 -8.39E+07 3.45E+02 5.80E+00 >1.67 7 -5.83E+07 -8.27E+07 3.45E+02 5.92E+00 >1.67 262 4.34E+07 -7.73E+07 2.35E+02 5.42E+00 >1.67 29 -5.15E+07 -7.16E+07 3.45E+02 6.70E+00 >1.67 61 -6.76E+07 -7.09E+07 2.35E+02 3.48E+00 >1.67 93 5.97E+07 7.00E+07 2.35E+02 3.94E+00 >1.67 15 -6.50E+07 -6.97E+07 3.45E+02 5.31E+00 >1.67 73 6.18E+07 6.62E+07 2.35E+02 3.80E+00 >1.67 109 -5.78E+07 -6.56E+07 2.35E+02 4.07E+00 >1.67 83 -5.47E+07 -6.55E+07 2.35E+02 4.29E+00 >1.67 119 3.68E+07 6.51E+07 2.35E+02 6.39E+00 >1.67 268 3.32E+07 -6.27E+07 2.35E+02 7.07E+00 >1.67 59 6.83E+07 5.98E+07 3.45E+02 5.05E+00 >1.67 48 4.33E+07 5.61E+07 2.35E+02 5.42E+00 >1.67 69 -4.04E+07 -5.56E+07 3.45E+02 8.55E+00 >1.67 70 -3.29E+07 -5.53E+07 3.45E+02 1.05E+01 >1.67 132 6.14E+07 -5.23E+07 3.45E+02 5.61E+00 >1.67 219 -2.38E+07 -5.17E+07 3.45E+02 1.45E+01 >1.67 252 -4.68E+07 5.17E+07 2.35E+02 5.02E+00 >1.67 39 5.36E+07 5.07E+07 3.45E+02 6.44E+00 >1.67 101 7.88E+07 4.94E+07 3.45E+02 4.38E+00 >1.67 129 -4.45E+07 -4.94E+07 2.35E+02 5.28E+00 >1.67 131 -4.06E+07 4.85E+07 3.45E+02 8.49E+00 >1.67 58 -4.16E+07 -4.77E+07 3.45E+02 8.30E+00 >1.67 81 4.80E+07 4.50E+07 3.45E+02 7.19E+00 >1.67 21 1.00E+08 4.48E+07 3.45E+02 3.45E+00 >1.67 90 -3.51E+07 -4.35E+07 3.45E+02 9.82E+00 >1.67 106 -2.85E+07 -4.28E+07 3.45E+02 1.21E+01 >1.67 57 -5.48E+07 -4.20E+07 3.45E+02 6.29E+00 >1.67 116 -2.99E+07 -4.09E+07 3.45E+02 1.16E+01 >1.67 16 -4.16E+07 -4.06E+07 3.45E+02 8.29E+00 >1.67 80 -3.96E+07 -3.96E+07 3.45E+02 8.71E+00 >1.67 -2.28E+07 -3.85E+07 3.45E+02 1.51E+01 >1.67 71 5.51E+07 3.77E+07 3.45E+02 6.26E+00 >1.67 30 -4.69E+07 -3.73E+07 3.45E+02 7.36E+00 >1.67 2 -5.43E+07 -3.71E+07 3.45E+02 6.35E+00 >1.67 8 -5.31E+07 -3.69E+07 3.45E+02 6.50E+00 >1.67 274 1.45E+07 -3.68E+07 2.35E+02 1.62E+01 >1.67 102 -5.38E+07 3.66E+07 3.45E+02 6.41E+00 >1.67 17 -4.18E+07 -3.41E+07 2.35E+02 5.62E+00 >1.67 258 -3.01E+07 3.37E+07 2.35E+02 7.81E+00 >1.67 162 -1.91E+07 267 -2.21E+07 266 7.29E+07 139 3.32E+06 248 2.11E+07 256 2.49E+07 134 2.74E+07 -3.22E+07 3.20E+07 -3.18E+07 3.18E+07 -3.09E+07 -3.07E+07 -3.00E+07 3.45E+02 2.35E+02 2.35E+02 2.35E+02 2.35E+02 2.35E+02 3.45E+02 1.81E+01 1.06E+01 3.22E+00 7.07E+01 1.11E+01 9.43E+00 1.26E+01 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 >1.67 图12 应力云图

图13 位移云图

该工况下，井架应力图见图12移变形图见图13，前50 个较大应力的单元杆件如表11所示。最大应力位于井架主立柱260单位处，最大应力值为142MPa安全系数n=345/142=2.43>1.67，符合API设计要求。

8. 关键节点强度校核： 8.1 井架至脚连接校核

井架与底座基座之间连接为销轴、耳板连接：

销轴： d = φ120mm；

2

Fy=490 N/mm

耳板： d1 =φ121mm； t1 = 120 mm； t2 =40＋20mm； Fy=295 N/mm2； R =150mm； r =135 mm

由井架有限元分析可知，在井架工作工况下，井架承受最大钩载 和额定立根

及工作风载作用时，井架支脚受力相对较大。此处节点作 用力数值为： THE FOLLOWING X,Y,Z SOLUTIONS ARE IN GLOBAL COORDINATES

NODE FX 1 -9344.2 8

158 -9399.0 165

FY FZ

0.97581E+-85314. 060.67072E+ 060.97718E+85313. 060.66930E+ 06

MX MY -0.32309E+08-0.22176E+08

0.31921E+08 0.22046E+08

MZ

TOTAL VALUES

VALUE -18743. 0.32930E+07 -1.1713 -0.38729E+06-0.13033E+06 0.0000 取节点 1 计算：

销轴作用力：Fx = 93.4kN； Fy = 975.81 kN；

FFX2FY2=980.269kN

销轴校核：

销轴：d=φ120㎜； Fy=490N/㎜2 弯曲校核：

Mmax=F/2×57=2.7937×107N·㎜

Sd33231696mmM弯曲应力：fbmaxS1.1Nmm2 弯曲许用应力：Fb=0.75×Fy=375N/㎜2 故：

fbF1.0 合格

b剪切校核：

QF2490.13KN Ad2411309.73

fQvA43.3MPa 剪切许用应力：F2v=0.4×Fy=216N/㎜ 故：

fvF1.0 合格

v耳板校核： 耳板： d1 =φ121mm； t1 = 120 mm； t2 = 40＋20mm； 295 N/mm2

； R =150mm； r =135 mm 挤压校核： 挤压应力：fFjy33.6Nmm2t 1d挤压许用应力：F2jy=0.67×Fy=197N/㎜ 故：

fjyF1.0 合格

jy在工况 8（井架起升工况下）井架支脚出现剪切作用力较大： NODE FX FY FZ MX MY 1 0.82572E+-57215. -580. 0.11636E+07-0.553E8 06 11767. +07

Fy=

158 0.82572E+06 -57270. 580. -0.11781E+07 0.55410E+07 165 11933. TOTAL VALUES

VALUE 0.16514E+07 -90785. -0.21755E-08 -144. -23296.

FFX2FY2=825.105kN

0.0000

剪切校核： fvF38.5Nmm2

215060.51202

剪切许用应力：Fv=0.4×Fy=118N/㎜ 故：

fvFv1.0 合格

拉伸校核： 拉伸许用应力：

fvF6.5Nmm2

215060.5120Fv=0.6×Fy=177N/㎜2 故：

fvFv1.0 合格

8.2 井架中下段与中段连接校核

井架中下段与中段连接为销轴、耳座连接： 销轴：d = φ60mm；

N/mm2

2

Fy=540 N/mm

Fy= 275

耳板： d1 =φ61mm； t1 = 60 mm； t2 = 32mm；

R =90mm；

由井架有限元分析可知，在非预期风载工况下，井架中下段与中段连接处承受载荷最大。我们选择此工况对井架中下段与中 段连接处进行分析计算。此处支反力数值为：

THE FOLLOWING X,Y,Z SOLUTIONS ARE IN GLOBAL COORDINATES

THE FOLLOWING X,Y,Z SOLUTIONS ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM

NODE FX FY FZ MX MY MZ 48 20682. -0.14256E+06 10119. 0.55993E+06-0.45562E+06-0.102E+07 56 14592. 86700. -16.0 0.14505E+06-0.33346E+06-0.46328E+07 58 -20682. 0.14230E+06 -10174. -0.67117E+06 -1307.7 0.22258E+06 60 -14537. -869. 6361.1 -0.13796E+06 11672. 0.27528E+06 1-0.35855E+06 -26844. -0.47277E+06 0.22390E+06-0.28116E+0 1012445273. 3277.9 -0.13566E+06 7 . 0.13277E+06-0.166E+0 1977 6257.6

199 -10124. 0.35829E+267. 0.36846E+-213.41 -0.21744E+0

06 06 6 -3332.8 0.12150E+203 -6202.6 -45528.4875.3 -0.17436E+0

06 6

TOTAL VALUES

VALUE 110.07 -1039.4 -219.54 -0.22261E+06-0.41738E+06-0.15438E+08

取节点 60 计算：

单个销轴作用力：F1= M/L = 2.81 kN； F2= 43.482 kN； F3=7.268 kN；

2 2

F = （F1+ F2）+ F3=46.857kN

销轴校核：

2

销轴：d = φ60mm； Fy=540 N/mm弯曲校核：

Mmax=F/2×28=0.659×106N·㎜

Sd33221205.75mm3

弯曲应力：fbMmax31.08Nmm2 S弯曲许用应力：Fb=0.75×Fy=405N/㎜2 故：

fbF1.0 合格

b剪切校核：

QF223.43KN Ad242827.43

fvQA8.3MPa 剪切许用应力：Fv=0.4×Fy=216N/㎜2 故：

fvF1.0 合格

v

耳板校核： 耳板： d1 =φ61mm； t1 = 60 mm；N/mm2

R =90mm； 剪切校核： fFv29030.5606.6Nmm2

剪切

FV=0.4×Fy=110N/㎜2 故：

fvF1.0

v挤压校核： 挤压应力：fF2jyt13.2Nmm 1d挤压许用应力：Fjy=0.67×Fy=197N/mm2 故：

fjyF1.0 合格

jy拉伸校核：

2 = 32mm；Fy= 275

t

F fv9.42Nmm2

29030.560 拉伸许用应力：

Fv=0.6×Fy=166N/mm2 故：

fvFv1.0 合格

8.3 井架起升时井架大绳连接校核

井架起升时井架大绳与起升大耳之间连接为销轴、耳板连接： 销轴：d = φ100mm；

2

Fy=540 N/mm

耳板：d1 =φ101mm； t1 = 50 mm； t2 = 50＋32mm；

22

Fy=295 N/mm； R = 150mm； r = 135 mm

由井架有限元分析可知，在井架起升工况下，井架大绳与井架中 段起升大耳之间连接销轴受力较大。此处节点作用力数值为：

井架起升大绳载荷：

F 绳= 555.4

销轴校核：

销轴：d=φ100㎜； Fy=490N/㎜2 弯曲校核：

Mmax=F1/2×39.5=1.1108×107N·㎜

Sd33298174.76mm3

Mmax113Nmm2 S弯曲应力：fb弯曲许用应力：Fb=0.75×Fy=405N/㎜2 故：

fbFb1.0 合格

剪切校核：

QF277.7KN 2Ad247853.98

fvQ35MPa A剪切许用应力：Fv=0.4×Fy=216N/㎜2 故：

fvFv1.0 合格

耳板校核：

耳板：d1 =φ101mm； t1 = 50 mm； t2 = 50＋32mm；

此时耳板主要以剪切、挤压、拉伸为 F =555.413 kN 剪切校核：

fvF34Nmm2215050.5822

Fy= 295 N/mm； R = 150mm；r = 135 mm;

剪切许用应力: FV = 0.4×Fy = 118 N/mm故：

fVFV1.02

挤压校核： 挤压应力：fjyF67.7Nmm2 t1d2

挤压许用应力: Fjy = 0.67 ×Fy = 197 N/mm 故：

fjyFjy1.0 合格

拉伸校核：

fvF34Nmm2

215050.582拉伸许用应力: FV = 0.6 ×Fy = 177 N/mm故：

fvFv1.0 合格

2

焊缝强度校核：

9. 结果分析：

由单元计算结果可知：

1.井架在工作工况下，承受最大钩载、额定立根及工作风载作用，井架所有构件以受压和弯曲为主，井架在加载受力后最大组合应力出现下段和中段前立柱单元处，最大组合应力为133 MPa、井架顶部最大变形为 79mm,最大应力校核值为 0.98（中段前立柱单元）。井架所有单元的应力校核值均小于AISC 规定的相应数值（≤1），井架整体变形量在允许范围内。

2.井架在预期风暴工况下，井架整体最大变形量为 90mm，此 时单元组合应力为 114 MPa，出现在井架下段前后立柱单元，单元应力校核值为 0.47。此工况下井架整体变形及应力情况均在允许范围内，井架满足预期风暴抗风能力要求。

3.井架在非预期风暴工况下，井架承受额定立根和非预期风暴风速作用，井架整体最大变形量为 97mm，单元最大组合应力为 78 MPa，出现在井架下段单元，此时单元应力校核值为0.47。此工况下井架整体变形及应力情况均在允许范围内，井架满足抗风能力要求。

4.井架在起升工况下，井架承受井架自身起升力矩和起升风载作用，井架立柱受力均较大，井架在加载受力后最大组合应力出现下段单元处，最大组合应力为 178 MPa（下段前立柱单元）, 最大应力校核值为 0.92，最大变形为 42mm。

综上所述，我们认为 JJ225/43-K 井架在各种工况下所有构件组合应力均小于许用值，井架变形量也在许用范围内，所有单元应力校核结果均符合 AISC 的要求（≤1.0）。该井架满足强度、刚度和稳定性要求，且具有一定的抗风能力，井架设计安全可靠。 10、钢丝绳设计计算

1. 游动系统钢丝绳（钻井绳）设计计算

根据Qmax（最大钩载）的Pfmax（Zmax 时快绳拉力）决定。 快绳拉力： Pf' QtQdsGt

Qt ZtQt—游系总载荷

'

—任意井深时钻柱重 qL' Qds

GT—游系重， GT=GyG

最大钩载时快绳拉力， Pfmax=

QmaxGt

ZmaxtPbnPfmaxn=2.5（API 4F规定的安全系数）其中: Pb破断拉力，由Pb选dv

游动系统：5×6游车轮数 天车轮数，花穿。

钻井绳型号:6×19S-IWRC光面，1-1/4（直径32mm）破断拉力Pb=782N 天车自重：51.43kN；二层台自重：33.3kN；游系自重：104.3kN。

Pfmax=

QmaxGt

ZmaxtQQmaxGt=2250+104.3=2354.3KN 最大快绳拉力：Pfmax=安全系数：n2354.3=261.6 Kn

100.9Pb782==3.0 Pfmax261.6所选钢丝绳安全系数为 3.0,大于 API 4F 安全系数 2.5。 2. 起升大绳设计计算

井架起升过程中，起升大绳拉力随着起升快绳拉力的减小而减小。

P大绳nP/cos(/2)

其中，n—游车滑轮数，P—起升快绳拉力， —平衡三角架处起升大绳之间的夹角，这里取n=5,P=56KN, =75°

P大绳nP/cos(/2)=5×56/cos37.5°=378.14 KN

起升大绳规格：GB/T18-1996 钢丝绳:8X36SW4FC-∮48-1770 该钢丝绳的最小破断拉力Pb=1250Kn 安全系数：nPb1250==3.3 Pfmax378.14所选钢丝绳安全系数为 3.3,大于 API 4F 安全系数 2.5。

11、井架地震响应分析

11.1、井架地震响应分析相关标准

严格按照最新 API 标准（2008 年 7 月 1 日，第三版）中设计载荷的工况规定以及买方的要求，对该钻机井架进行地震响应下的动力特性分析。

按照 API 要求，地震载荷设计方法应遵循 API RP 2A 标准，该标准为加速度谱。对于陆地井架的设计准则，要结合地方建筑法规。

根据中华人民共和国国家标准（GB50011-2001）建筑抗震设计规范的相关要求，对国内外强震加速度记录反应谱的统计分析，得到应用于地震分析的地震影响系数。地震影响系数应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。其水平地震影响系数最大值应根据国家标准按照下表 1-18 采用，特征周期应根据场地类别和设计地震分组根据国家标准按照下表 1-19采用。

表 11-1 水平地震影响系数最大值

地震影响 6度 7度 8度 度 多遇地震 0.04 0.08（0.12） 0.16（0.24） 0.32 罕遇地震 - 0.50（0.72） 0.90（1.20） 1.4 注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g地区 表 11-2 特征周期（s）

设计地震分组 场地类别 I 第一组 0.25 第二组 0.3 第三组 0.35 II 0.35 0.4 0.45 III 0.45 0.55 0.65 IV 0.65 0.75 0.9 地震影响系数曲线（下图 11-1所示）的阻尼调整和形状参数应符合下列要求：除有专门规定外，结构的阻尼比应取 0.05，地震影响系数曲线的阻尼调整系数应按 1.0采用，形状参数应符合下列规定： （1） 直线上升段，周期小于 0.1s 的区段。

（2） 水平段，自0.1s 至特征周期区段，应取最大值（Amax）。

（3） 曲线下降段，自特征周期至 5倍特征周期区段，衰减指数应取 0.9。 （4） 直线下降段，自 5倍特征周期至6s 区段，下降斜率调整系数应取 0.02。

图 11-1 地震响应影响系数曲线

a—地震影响系数；Amax—地震影响系数最大值；P1—直线下降短的下降斜率调整系数；r—衰减指数；Tg—特征周期；P2—阻尼调整系数；T—结构自振周期

11.2、钻机井架底座地震响应计算分析

钻机井架假设该钻井井架在陕北延安地区服役。根据中华人民共和国国家标准（GB50011-2001）建筑抗震设计规范：延安地区抗震设防烈度为 6 度，设计基本地震加速度值为0.050g，设计地震分组为第一组，场地类别为第三类（一般土地条件）。

以下应用响应谱振型法对该套钻机井架底座整体进行地震响应动力学分析，根据 GB50011-2001 要求，取水平地震影响系数最大值为 0.50，特征周期为 0.55s，阻尼比为 0.05。

井架是一种低频响应钢架结构，在工程上往往只有前几阶低频具有实际意义，这里选取井架前6阶固有频率。该套钻机井架底座整体结构的自振频率及相应的模态振型见下表11-3和图11-2所示。

表11-3 INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE

SET TIME/FREQ LOAD 1 2 3 4 5 6 7 8 1.3484 1.6210 3.6221 4.0554 6.1314 6.4627 8.0413 8.9686 STEP 1 1 1 1 1 1 1 1 SUBSTEP 1 2 3 4 5 6 7 8 CUMULATIVE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9.8033 9.9827 1 1 9 10 9 10 1阶振型

2阶振型

3阶振型

4阶振型

5阶振型

6阶振型

7阶振型

8阶振型

9阶振型

10阶振型

图11-2 井架振型图

X方向地震

Y方向地震

12、井架的运输载荷分析

12.1井架运输转弯时对行驶的要求

车辆转弯行驶中, 转弯时是作的圆周运动。根据运动学规律, 转弯时车辆将产生一个向心力。其大小表示如下：

mv2F

R式中，F —向心力 R—转弯半径 m—运动物体质量 v—转弯时的运动速度

由上式可知, 产生向心力的大小与转弯半径（R ）成反比, 与运动物体的质量（m ）、转弯时物体运动的速度（ v）平方成正比。如果车、货质量与行驶速度一定, 则转弯半径愈小向心力愈大, 转弯半径愈大则向心力愈小。如果转弯半径和行驶速度一定, 质量愈大向心力愈大。对某一弯道来说, 转弯半径可视为定数, 运动物体的质量也可视为定数, 这时车辆转弯时的向心力与行驶速度的平方成正比。

所以, 对转弯时的速度要严格控制。对重车通过转弯半径小的车道时, 更要减速, 以便顺利驶过弯道。同时, 车身愈长, 需要的转弯半径愈大, 即需转大弯, 若转小弯, 内侧的后轮不易通过路面而发生事故。

12.2 井架运输下坡对行驶的要求

汽车下坡时, 由于车的重力在平行于坡面上有一个向下的分力, 会使汽车越跑越快, 产生加速运动。因此, 为了防止发生危险, 行驶前和行驶中应随时注意检查制动是否有效, 特别要防止制动单边。下坡前应根据坡度情况, 选择适当的档位, 运用小油门配合制动器的制动作用, 徐徐下坡。但是,实际上有的驾驶员片面追求节油, 常采用以下两种错误的操作方法下坡时将发动机熄火后, 不摘档而脚踏离合器和制动踏板控制滑行。这种操作方法的弊病有二：一是行驶中下坡较多时, 离合器弹簧经常受压而弹力逐步减弱如在较高速度时突然接合离合器, 极易损坏离合器摩擦片, 从而大大降低离合器的使用寿命。二是发动机熄火后, 在制动过程中储气筒内气压降低后无法补偿, 往往在下坡时会因气压降低以至制动失效。

下坡时将发动机熄火, 挂空档利用制动器控制滑行。按交通规则空档滑行是违章的操作。因为制动器一旦失效, 又来不及挂上档, 而发动机又无制动作用, 很容易出事故, 特别是重车尤其危险。因此, 应忌用错误的操作方法。

12.3 道路不平动载系数确定

1.动载系数研究成果之一

随着车辆行驶时间的改变, 汽车动荷载呈简谐变化, 有正有负, 其正负分别对应实际情况中汽车的瞬间超重与瞬间失重。研究结果表明：汽车以何种速度行驶,随着路面波长的变动, 动荷载系数都会出现两个峰值。出现峰值的原因是由于车辆系统产生了共振。而当波长一定时, 动荷载系数随车速的变化也有较显著的波动, 但并不是车速越高动荷就越大, 而是也存在一个峰值问题, 此时车辆系统也同样产生了共振在车辆共振区域内, 动荷系数最大可达1.32。

2.动荷载系数研究成果之二

对西宝高速公路K33～K42 段，在不同路面波长、不同行车速度（60～120km）时，进行最大动荷载系数研究表明：不平整路面上行驶的汽车可能产生很大的振动荷载, 最大动荷载系数在限定的波长范围内可以达到2.0 以上, 即

动荷载是静荷载的2倍以上。这与现行规范中的0.3～0.4 的系数有较大差别。

3.动载系数研究成果之三：动载系数为1.48

12.4 行驶中惯性载荷的计算

图12-1井架段运输装载示意图

井架大装运行驶过程中，受到井架自重载荷和惯性力的作用。 当刹车时，车辆减速井架段自重产生向前的惯性力Fx 。

Fx=max

m—运输井架段的质量； ax—汽车水平运动的加速度，加速时Fx向后 减速时Fx向前。

当道路不平产生颠簸时，井架段自重产生向上的惯性力Fy 。

Fy=may

m—运输井架段的质量；ay —汽车垂直颠簸的加速度，加速向下时向Fy上，加速度向上时Fy向下。

这里我们以运输过程的颠簸产生的垂直惯性载荷对运输固定绷绳提出要求。

按特殊车辆载荷运载时，分析车辆的受力情况，在 Y 方向施加大小为1.5g～3.0g，即 14.7～29.4的重力加速度。

道路颠簸时，产生的向上窜动的惯性力为：

Fy=may=11730.6×1.5×9.8=172.4kN

选择三道固定绷绳，钢丝绳直径为Ф19mm,公称拉力 Pb=176kN.

n3Pb3176=3.06 FY172.4选择直径为Ф19mm钢丝绳作为固定绷绳，安全系数为 3.06，能够满足运输载荷要求。

表 12-1 6x7类钢丝绳 光面（无镀层）或先镀后拉钢丝（纤维芯） 公称直径 mm 9.5 11.5 13 14.5 16 19 22 26 in 3/8 7/16 1/2 9/16 5/8 3/4 7/8 1 理论质量 kg/m 0.31 0.43 0.57 0.71 0.88 1.25 1.71 2.23 公称拉力 犁钢kN 45.4 61.4 79.7 101 124 176 238 307 优质犁钢kN 52.1 70.5 91.6 116 141 202 273 353 13. JJ225/43-K 钻机井架疲劳强度计算 13.1、 疲劳强度计算法 13.1.1疲劳计算的允许应力幅法

多年来，结构疲劳计算中采用验算最大应力的计算公式为：

max[p] 13-1

式中，max —反复载荷作用下，需要验算的最大应力；

p—构件（主体金属）或连接的疲劳允许应力，[p] 是应力比和循环次数的函数。

min max焊接件的焊缝缺陷是形成疲劳裂缝和引起疲劳断裂的根源。由于焊缝附近存在着很大的焊接峰值，其应力数值可达到材料的屈服强度y 。名义应力循环特征应力比min并不代表疲劳裂缝的应力状态。实际的应力循环是从受拉max屈服强度y 开始，变动一个应力幅maxmin,max、min是名义最大应

力和最小应力。因而焊接钢件结构的构件及连接的疲劳性能直接与应力幅 有关，应力幅是决定构件或连接疲劳性能的主要因素，而与应力比 不是十分密切。所以疲劳计算应采用应力幅法，对应循环中应力幅度为常量，可按下式计算疲劳强度：

[] 13-2

式中，—计算应力幅，maxmin；

max—计算部位应力每次应力循环中最大拉应力；

min—计算部位应力每次应力循环中最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）；

[] —允许应力幅度（N/mm2 ），按下式计算：

c[]=()1/m 13-3

n c 、m —系数；可查表。 n—应力循环次数。 表 3-1 系数 c，m 表

构件或连接类型 1 2 3 4 5 6 7 8 C m 1.94 8.61 3.26 3 2.18 3 1.47 9. 3 6.46 3 4.06 ×1015 4 ×1014 4 12×1012 ×10 ×1012 3 ×1011 ×1011 ×1011 3 井架及底座承受载荷是不稳定的，其疲劳是变幅疲劳，需要根据积累损伤疲劳原理，将变幅疲劳折合成等效常幅疲劳。

c[]13-4

式中，c 为变幅疲劳的等效应力幅度。

ni(i)nim1m

c13-5

=

 式中，ni—以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； ni —预期使用寿命内应力幅水平达到 的应力循环次数； m—系数。

井架及底座的长期载荷可按最大钻柱重量Q柱 计算，Q柱 产生的应力幅

max是已知的。因此有：

ckcmax 13-6 式中，max—长期工作载荷Q柱产生的最大应力幅度； kc —等效系数。

nkciN013-7

imaxm1m

式中 N0为循环基数，对井架计算，取N0 =5×106

13.1.2 钻机载荷谱及等效应力幅系数

1．钻机起钻的载荷谱

井架及底座是钻机的主要承载结构，在钻井过程中承受的工作载荷有： ① 当钻柱在空气中的重量不超过额定钻柱重量Q柱 时，连续承受完成起下钻作业造 成的载荷。

② 在钻井过程中，承受解除钻杆卡钻和下套管等遇卡等项附加作业造成的载荷。

从疲劳计算角度看，起下钻作业持续时间最长，由此产生的应力循环次数最多，起下钻载荷谱与钻机类型、井深、地质条件等因此有关，其载荷由小变至最大，且载荷重复作用的频率与起下钻次数随井深而变的规律相当。

尽管钻机在钻井过程中的全部载荷规律至今仍为弄清，但在钻井过程中起下钻作业产生的载荷概率密度函数可用下式表示：

9ae3af17e3

13-8

式中,a为相对钻柱重量, a=

QI Q柱考虑一些偶然载荷的影响，起下钻载荷概率密度函数可用下式表示：

13-9

1.314a6

2．等效应力幅系数kc

尽管用应力幅法计算疲劳强度，包括了由于局部应力集中可能产生的局部屈服区的影响，但整个构件的设计仍按弹性设计。

故存在iaamaxmax 或QiaamaxQmax 的关系，又因起下钻作业载荷概率

密度是连续变化，则等效应力幅系数可写为：

kcm13-10

maxminidNimaxN0m

式中， m—应力指数；

在给定载荷QiaiQ柱 下，井架受的应力循环数：

dNifCSda 13-11 式中， f—考虑下钻作业影响系数，认为起钻和下钻井架应力循环相同，即f=2；

1C—钻柱提升1米高度的时间内，井架的应力循环数，c ， l为

l立根长度；

—起钻载荷的概率函数；

s—井架使用的寿命期间，钻机起升钻柱的总米数。

13-12

式中，A—系数，常取 0.7～0.8；

Wk—经济钻速，米/台.月；

k0—周转系数，k0=T/T ，T 为钻机的日历（包括钻进、安装、拆

卸、维修等），T为钻井时间；

Zk—钻一口井起下钻次数。 S 计算也可用估算法，即：

Snzlx

13-13

式中，n —井架预期寿命年数；

x—每年平均钻井口数；

l—钻井的平均深度；

z—每口井的平均起下钻次数。

所以等效应力幅系数可写成：

13-14

13.1.3 杆件连接的疲劳计算

进行疲劳计算，首先需计算出构件的应力幅。计算应力幅需建立合理的井架及底座的静力模型，确定载荷工况，然后计算出构件及连接的最大应力max和最小应力min，确定应力幅:

maxmin13-15

按照井架、底座所配套的钻机，确定使用寿命，并按式 13-12 或式 13-13 计算起下钻的总米数，按式13-14计算等效应力幅系数kc ，由此得等效应力幅。

ckc

13-16

13.2、JJ225/43-K 钻机井架的疲劳计算分析

（一）井架疲劳强度分析计算步骤

井架的疲劳计算法如前所述，进行井架的疲劳强度计算，需要完成下述工作：

（1）计算井架在长期工作载荷产生的最大应力幅度max ； （2）按式13-10计算井架变幅疲劳的等效系数 kc； （3）确定许用应力幅；

（4）计算等效应力幅c ，按式13-7进行疲劳判定。 （二）JJ225/43-K钻机井架疲劳强度计算 1．计算井架工作过程中的应力幅值 应力幅值为：maxmin

其中：max 是井架在钻井过程由额定钻柱重量及风速 16.5m/s（32节）风载作用下，

在井架杆件中产生的应力，对于该钻机井架来说，此工况载荷为： 最大钻柱重量（额定载荷）Qi1300kN ，二层台重量，天车重量，游动系统重量，工作绳拉力，井架自重，以及井架承受风速 16.5m/s（32节）风载作用。

min是井架在无钩载情况下，在井架杆件中产生的应力，对于该钻机井架

来说，此工况载荷为：

无钩载，二层台重量，天车重量，游动系统重量，工作绳拉力，井架自重以及井架承受风速16.5m/s（32节）风载作用。

计算max和min ，由前面静力计算有限元分析得出，且只需要在载荷组合表中增加下面一种工况，即考虑恒载作用的工况。

在正常钻井工况下计算出来的杆件应力为max，在恒载工况下计算出的 杆件应力为min，然后可以计算应力幅maxmin。计算出各杆件中的最大应

力幅。在计算程序中需要输入各种类型杆件对应的杆件编号和最大、最小、应力，注意应力是以MPa为输入单位的 。

2．计算等效系数kc

按式13-14计算等效系数kc，即

式中， f—起下钻影响系数，取f=2；

C—钻柱提升 1 米高度的时间内，井架的应力循环数，因立根长度

为 28 米，故C=1/28;

—起钻载荷的概率密度函数,1.3; 614aN0—应力循环基数，取N0=5×106 m—应力指数，取 m=3；

a—相对钻柱重量,aiQi. Q柱对井架疲劳计算来说max1 ，但对起升系统的其它部件则max不一定等于 1。因为载荷分级可能在不同档位产生不同数值的max 值。

3．允许应力幅[]

c对杆件主体金属：[]=()1/m ,c=1.94×1015 ;m=4

mc对焊接金属和杆件端部金属：[]=()1/m ,c=4.06×1011 ;m=3

m4．疲劳强度的判断

将计算的应力幅乘以等效系数kc ，得到杆件的等效应力。与允许应力幅比较得出超过允许应力幅的杆件，然后计算其允许的疲劳寿命年限，计算结果如后所示。

（三）疲劳强度计算与结论

通过计算机编程序计算得出结果知道所选杆件的疲劳寿命如表 3-2所示. ① 单元编号与实际结构杆件对应关系参图。

② 疲劳计算结果，是选取不同结构和截面尺寸的杆件，从同类杆件中选取一组最. 2. 计算结论

表 3-2 预期每年平均钻井口数为 x＝18口井，每口井起下钻次数为 z＝15 次，钻井深度L＝2500，3000，3500，4000米进行疲劳校核计算。 单元号 实常数 最小应最大应Z=15 疲劳寿命(年) 力(MPa) 力(MPa) L=2500 65 5 1 76 159 73 208 188 239 213 221 229 212 243 2 1 8 5 6 5 4 7 10 3 15 9 11 12 -112.9 -101.6 .3 79.3 -82.7 -53.4 -33 28.9 -20.6 -20.2 -19.8 -17 30.8 -7.4 -30.5 -31.5 23.2 21.5 -25.6 -20.3 -10 8 -2.8 -3.9 -4.3 -1.9 17.6 -0.8 95 154 184 275 285 1466 4371 5825 9430 12280 14281 15446 23123 184987 L=3000 79 128 153 229 238 1222 32 4854 7858 10233 11901 12872 19269 154156 L=3500 67 110 131 196 204 1047 3122 4161 6735 8771 10201 11033 16516 132133 L=4000 59 96 115 172 178 916 2731 30 53 7675 26 9654 14452 115617

14、JJ225/43-K 钻机井架稳定性计算

井架结构实际上是柱类构件结构。柱类构件结构是指结构中承受轴向载荷为柱的构件。若载荷的作用线和构件两端截面形心的连线重合为轴心受力杆柱；若载荷作用线和构件两端截面形心的连线平行则为偏心受力柱。另外一种情况是构件承受轴向压力的同时尚有横向载荷作用，称为压弯柱。在井架中多数属于柱类杆件。

14.1前开口井架稳定性概念

JJ225/43-K 钻机井架前扇是敞开的，为前开口 K 型井架。前开口的受力，因井架横截面缩小，天车梁位置向开口侧偏移，因而大钩载荷偏心作用在井架顶部。所以前开口井架的整体稳定计算模型可简化为一端作用一个弯矩的压弯柱模型，分别计算正面和侧面的稳定性。两端铰支的端弯矩为：

MNe，N为轴向载荷；e 为偏心距。

如果井架两个前大腿的稳定性满足要求，侧面的稳定性可不必计算。井架前大腿的稳定性不仅和其本身的抗弯刚度有关，而且在很大程度上取决井架每层横杆组成的框架的抗弯能力。一般在井架的最上部形成刚度较大的框架，或做成前扇封闭结构，而下部牢固连接在基座上，了前大腿上下端的横向位移。因此，前大腿的稳定性计算模型可简化为两端铰支，中间具有许多等距离分布的弹性支座（每层框架的横杆的约束作用相当于一个弹性支座）的压弯柱，考虑到每层横杆组成的框架具有相同或相近的刚度，可用连续的弹性介质代替。

井架稳定计算的基础是弹性稳定理论。工程实用的计算方法有两种，一种是将格构式井架折算成实腹柱类构件进行稳定计算的理论折算法，实行《钢结构设计规范》采用此法；另一种是采用计算机计算技术进行井架整体有限元稳定计算。

腹实式柱：柱构件的截面形式，一是单个热扎型钢截面；二是两个或两个以上的热扎型钢的组合，以及型钢与板钢的组合截面。

格构式柱：截面形式由格构式组合截面。

腹实式柱多用于井架的弦杆，格构式柱本身就是一个完整的构件。一般 A形井架的两条大腿的立柱采用格构式截面。

14.2、 井架整体稳定计算的理论折算法

井架的整体稳定计算模型，实质是将井架这个特殊结构的格构式结构，根据其结构和受力特点，简化为一个保持格构件式结构的抗压刚度和抗弯刚度的具有相应折算长细比 的实腹受压柱来计算。因此井架的整体稳定计算分为两步：一是根据井架结构特点计算折算长细比 ；二是按实腹受压柱稳定计算方法计算稳定性。

1. 折算长细比 的计算方法

前开口井架为压弯模型，用公式 14-1计算折算细长比。

oy2y40A 14-1 AY式中，Y—整个柱对 y轴的长细比；

A—整个柱的截面积的毛面积；

Ay—横截面垂直于 轴的各斜缀条的毛面面积之和。

2. 前开口井架大腿的总体稳定性计算 ① 计算井架横向框架提供的弹簧的刚度系数 C

NCLy0EhbLh23l2I12 14-2

N—作用于A、D 两点上的横向力（弹性支座反力）； L—弹性支座的间距（井架每层高度）；

y0—在N作用下，节点 A、D的位移； E—材料弹性模量； h—侧扇横杆的长度； b—后扇横杆的长度；

I1、I2 —侧扇、后扇横杆的惯性矩。 并找出刚度系数最小值。

② 计算CL/Af ，L 为两弹性支座之间的距离，A 为大腿的截面积，f 为采用材料的抗压设计强度。

③ 根据大腿具有的节间数n 和CL/Af，查表，确定弹性支承系数 。 ④ 计算大腿节间的细长比Lr 。

⑤ 由 和截面类型查表，确定折算系数 ，即轴心受压构件的稳定系数

。

14.3井架整体稳定实际计算

对JJ225/43-K钻机井架稳定性和承载能力进行有限元分析，建立了以线性梁单元和管单元为基础的井架有限元模型，采用有限元分析软件 ANSYS 对其稳定性能进行计算。

图 14-1 JJ225/43-K钻机井架临界失稳变形图

经 ANSYS 计算，JJ225/43-K钻机井架整体失稳的临界载荷值为 13700kN，如下图

图 14-2 JJ225/43-K钻机井架整体失稳临界载荷结果图 JJ225/43-K钻机井架失稳临界载荷：Pcr13700kN 井架顶部最大承受载荷：

PmaxQmaxQ天G游车F绳=2877.84KN 因为 Pmax Pcr 所以该井架整体保持稳定。

结论：JJ225/43-K 钻机井架整体稳定性安全可靠。

工况 7：井架起升

井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 + 井架起升载荷+ 井架起 升风载 风速：16.5m/s； 风向：与 X 轴夹角 45°

工况 8：地震分析

井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载 + 地震载荷 工况9：井架运输

井架恒载（主体、附件）+ 天车恒载