多绳提升钢井架受人工冻土影响的试验模型.pdf

中国矿业大学学报990 6 13 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第2 8 卷 第6 期 Vo l . 2 8 No . 6 1999 多绳提升钢井架受人工冻土影响的试验模型 陈宏 史天生 摘要 根据相似理论原理，研制了人工冻土影响下多绳提升钢井架的模型试验系 统. 通过模型试验及理论分析，获得了钢井架在荷载及基础沉降作用下的应变及应力. 分 析了井架结构的内力分布规律，探讨了井架受人工冻土影响的薄弱环节，为推广利用 多绳提升钢井架进行冻结法凿井提供了试验数据和理论依据. 试验值与理论值的较好吻 合验证了利用空间结构分析程序进行井架设计的可行性. 关键词 人工冻土，多绳提升，钢井架，模型试验 中图分类号 T D 2 2 3 Research on Experimental Model of Multirope Hoisting Steel Headframe Influenced by Artificially Frozen Ground Chen Hong Shi Tiansheng College of Architecture and Civil Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Abstract Based on the principle of similarity theory, a simulated experimental system of multirope hosting steel headframe influenced by artificially frozen ground is researched and built up. The strain and stress of headframe subjected to various loads and unequal settlement of its foundation have been acquired through the model experiment and theoretical analysis. The internal stress distribution of headframe is analysed, and the weak aspects of the steel headframe are then deduced from test and calculation. The research has provided the experimental data and theoretical criteria for spreading freeze sinking with the multirope hoisting steel headframe. The test results are well agreed with that of theoretical analysis. Meanwhile, the feasibility of its designing with space structural analysis program has been verified. Key words artificially frozen ground, multirope hoisting, steel headframe, model test 为缩短煤炭建设周期，我国从50 年代开始利用永久设备、设施开凿井筒. 最早多采 用普通凿井法凿井. 在表土层不稳定且又较为深厚、地下水赋存丰富的条件下，较多采 用冻结法施工井筒. 冻结引起的冻胀融沉对井架的影响较大，使得井架偏斜，甚至可能 影响井架的稳定与强度. 淮北地区曾发生多起井架因冻土变形引起杆件屈曲破坏事例. 陈 四楼矿副井井架也因冻土胀融，地面不均匀沉陷造成井架偏斜. 系统研究多绳提升钢井架受人工冻土影响的规律，将为推广对深厚表土采用冻结 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 13. h t m （第 1／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 54 中国矿业大学学报990 6 13 法凿井提供科学依据，创造有利条件，同时对完善钢井架的设计研究具有重要的理论 和实际意义. 1 模型设计 实验室相似模拟试验以永夏矿区陈四楼矿副井多绳提升钢井架为工程背景. 陈四楼 副井井筒净直径6 . 5 m ，全深50 1. 3 m ，穿过37 4. 5 m 厚表土层，冻结深度435 m ， 是目前国内最深的冻结井. 陈四楼副井利用多绳提升钢井架凿井，井架采用四斜柱箱型 截面钢结构井架. 为探讨钢井架在凿井悬吊荷载及地面不均匀沉降作用下内力大小及其分布规律. 在 已实施了井架现场测试的基础上，特制做了缩比为1/ 16 的模型. 模型是在原井架的基础 上按照相似理论的原理，综合考虑加载、沉降及制做测试等因素的基础上缩尺而成 图 1 . 根据相似理论，推导了模型和原型之间的相似条件，确定了模拟试验的主要相似参 数 表1 ［1］. 图1 模型井架外形图 Fi g . 1 O u t l i n e o f t h e m o d e l h e a d f r a m e 表1 模型相似常数 T a b l e 1 Si m i l a r c o n s t a n t o f m o d e l h e a d f r a m e 物理量量 纲相似常数 线尺寸lL Cl 16 . 0 应力σM L-1T -2Cσ 1 线位移xL Cx 16 . 0 均布荷载qM L-1T -2Cq 1 集中荷载pM LT -2C p 16 . 0 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 13. h t m （第 2 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 54 中国矿业大学学报990 6 13 面积AL2 CA 16 . 0 2 惯性矩IL4 CI 16 . 0 4 密度ρM L-3 Cρ 1/ 16 . 0 支座位移sL Cs 16 . 0 泊桑比ν- Cν 1 模拟试验系统由井架结构主体、加载平台及装置、基础不均匀沉降装置和量测系 统组成. 模型井架用国产Q 2 35钢制成. 模型总高2 . 416 m ，设3层平台，在井架的1. 7 0 9 m 平 台上安装加载装置，以便布置悬吊荷载. 加载平台由4根附加大梁和30 余根小梁组成一平面交叉梁系. 悬吊钢丝绳通过加载平 台，一端固定于地面地锚处，一端悬挂加载块以模拟凿井施工荷载. 基础不均匀沉降模拟装置由安设在模型井架斜腿基础上的地脚螺栓，斜腿与基础 之间厚度分别为1. 0 ，1. 5，1. 5 m m 的3块钢板组成. 通过调整钢板、紧固地脚螺栓，强 制斜腿位移以模拟基础不均匀沉降. 试验测试采用电阻应变测试方法. 测试系统由电阻应变片、A / D 转换板、计算机等 组成. 本次试验共布设2 1个测点于井架杆件主要受力部位，分别测取轴向应变和弯曲应 变. 原型井架在井筒施工期间承受的主要荷载有凿井设备悬吊荷载及提升荷载共15种. 模型试验时归并成11种荷载，为满足荷载相似条件，模型钢丝绳仰角与原型钢丝绳仰 角基本相等. 井架受荷载及基础沉降作用，内力变化在弹性范围内，杆件应变呈线性变化，且 满足叠加原理. 为便于试验数据处理，探讨各自影响规律，试验时荷载及基础沉降作用 分别考虑. 荷载分组如表2 所示. 模型基础沉降值见表3. 模型基础不均匀沉降时，采取每 个基础单独沉降的方法分别进行. 表2 模型试验荷载分组 T a b l e 2 Lo a d s e r i e s o f m o d e l t e s t 编号 荷 载 分 组 情 况 1各悬吊钢丝绳荷载值为2 0 0 N 2各悬吊钢丝绳荷载增至40 0 N 3各悬吊钢丝绳荷载增至6 0 0 N 4主提悬吊荷载增至110 0 N，其余保持在6 0 0 N 5主提悬吊荷载增至2 0 0 0 N，其余保持在6 0 0 N 6卸载至各悬吊钢丝绳荷载值为6 0 0 N 7副提悬吊荷载增至110 0 N，其余保持在6 0 0 N 8副提悬吊荷载增至2 0 0 0 N，其余保持在6 0 0 N 9副提悬吊荷载增至2 30 0 N，其余保持在6 0 0 N f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 13. h t m （第 3／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 54 中国矿业大学学报990 6 13 10逐步卸载至各悬吊荷载为零 表3 模型井架基础沉降 T a b l e 3 Se t t l e m e n t o f f o u n d a t i o n o f m o d e l h e a d f r a m e 序号沉降部位沉降值/ m m 1副斜腿Ⅰ1. 0 ， 2 . 5, 4. 0 2副斜腿Ⅱ1. 0 , 2 . 5, 4. 0 3主斜腿Ⅰ1. 0 , 2 . 5, 4. 0 4主斜腿Ⅱ1. 0 , 2 . 5, 4. 0 为了检验试验数据并提供试验的理论指导，揭示模型井架在荷载及基础不均匀沉 降作用下试验未测得的反应规律，选取空间结构分析程序SA P8 4进行模型井架的内力分 析. 模型结构的梁柱均按空间三维梁单元考虑，除模型斜柱与基础连接处视为铰接 外，其余节点均视做刚接［2 ］. 2 结果分析 2 . 1 荷载作用下试验结果 试验测取了各级荷载作用下测点的应变，并按照应变应力及内力对应关系求得测 点处的内力值. 主要测点所代表的杆件内力与荷载序列之间的关系如图2 , 3所示. 主要测 点应力实测值与理论值的比较见表4，5. 图2 测点1, 2 , 10 , 11荷载序列 F -轴力 N 曲线 Fi g . 2 T h e l o a d -i n t e r n a l f o r c e c u r v e f o r p o i n t s No . 1, 2 , 10 a n d 11 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 13. h t m （第 4／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 54 中国矿业大学学报990 6 13 图3 测点4, 5, 13, 14荷载序列 F -弯矩 M 曲线 Fi g . 3 T h e Lo a d -i n t e r n a l f o r c e c u r v e f o r p o i n t s No . 4, 5, 13 a n d 14 表4 井架应力分析 T a b l e 4 T h e s t r e s s a n a l y s i s o f h e a d f r a m e 测点号单元号 σ实测/ M Pa σ1, 理论/ M Pa 243-7 . 7 6 9-6 . 6 0 814. 9 101-8 . 0 0 3-11. 50 143. 7 1113-11. 7 45-10 . 6 7 29. 2 5525. 6 2 99. 1316 2 . 2 1310-3. 444-6 . 8 2 698 . 2 142 2-2 . 8 2 6-2 . 8 6 61. 4 166 79. 34510 . 0 527 . 6 177 17 . 0 0 27 . 8 4712 . 1 表5 测点2 应力分析 T a b l e 5 T h e s t r e s s a n a l y s i s o f t e s t p o i n t 2 荷载序列 σ实测/ M Pa σ1, 理论/ M Pa 1-2 . 7 41-2 . 2 0 319. 6 2-5. 195-4. 40 615. 2 3-7 . 457-6 . 6 0 911. 4 4-9. 0 8 1-8 . 47 96 . 6 5-10 . 8 39-11. 8 489. 3 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 13. h t m （第 5／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 54 中国矿业大学学报990 6 13 6-7 . 32 2-6 . 7 407 . 9 7-7 . 2 40-6 . 6 7 53. 6 8-6 . 995-7 . 0 540 . 8 从表4，5和图2 可知1 在前三级均匀线性荷载作用下，内力与荷载也呈线性变化 关系. 多数测点的理论值与实测值吻合良好，从而说明模型试验从模型设计、制做到加 载系统以及数据采集与处理都是可靠的，测试结果是合理可信的，也表明理论分析所 选取的计算模型是可行的. 2 多绳提升钢井架的杆件截面主要由永久提升的断绳荷载控 制，因此在凿井工作荷载作用下杆件截面应力较小，井架有较充足的安全储备. 3 测试 数据表明，井架的四个斜腿均受压，且两个副斜腿及主斜腿内力均较接近. 但副斜腿内 力值大于主斜腿内力值的现象对于井架受力很不合理，这主要是由于永久井架天轮平 台尺寸一般较小，限制了凿井悬吊及提升设备的合理布置. 这一点是永久井架凿井的局 限性，合理安排凿井悬吊设备，以使井架受力均匀应予以特别重视. 4 分析测点内力随 荷载序列的变化规律可知，其内力变化的规律是与井架实际状态相吻合的，也是与理 论分析相一致的［3］. 2 . 2 基础沉降状态下测试结果 试验时考虑到井架结构的对称性和测点布置的对称性，分别选择1个主副斜腿基础 使其产生沉降，测取各测点的应力及内力值. 与模型试验相对应，分别计算主副斜腿变形时杆件应力. 选择变形值为2 . 5 m m 进 行部分测点的实测值与理论值的比较 表6 ，表7 . 为了了解同一测点不同变形值下的结 果差异，选择测点11进行对比分析 表8 . 从以上试验可知 1 内力与位移基本呈线性变化关系. 位移引起的内力也与模型结 构的对称性相一致. 测点处内力的特征也与实际受力特征相一致. 两个主腿及两个副腿内 力也比较接近. 这些都表明模型试验是成功的. 2 与荷载作用相比，位移在杆件中引起 的附加应力要大得多. 此外测点2 0 ，2 1测取的是主斜腿截面宽度方向上的弯矩值. 测试结 果表明位移引起的附加应力还是很明显的. 这一点对于永久井架的受力是极为不利的. 3 受试验条件所限，试验未能考虑基础不均匀沉降造成的杆件扭转影响，理论分析结 果表明扭转影响是不能忽视的. 表6 主腿基础沉降时井架应力分析 T a b l e 6 T h e s t r e s s a n a l y s i s o f h e a d f r a m e s u b j e c t e d t o t h e s e t t l e m e n t o f m a i n c o l u m n f o u n d a t i o n 测点号单元号 σ实测/ M Pa σ1, 理论/ M Pa 12 52 0 . 8 322 2 . 0 105. 7 5523. 9502 . 8 2 02 9. 1 11132 6 . 6 352 6 . 17 61. 7 13103. 5123. 7 7 17 . 4 2 0377 . 3915. 148 930 . 3 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 13. h t m （第 6 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 55 中国矿业大学学报990 6 13 2 1554. 9921. 7 0 36 5. 9 表7 副腿基础沉降时井架应力分析 T a b l e 7 St r e s s h e a d f r a m e s u b j e c t e d t o t h e s e t t l e m e n t o f a u x i l i a r y c o l u m n f o u n d a t i o n 测点号单元号 σ实测/ M Pa σ1, 理论/ M Pa 12 52 1. 0 0 42 1. 8 582 . 8 5522 . 6 911. 2 7 652 . 6 11132 5. 5542 5. 98 01. 7 131010 . 17 58 . 91612 . 4 2 0378 . 32 63. 7 8 954. 5 2 1555. 8 372 . 8 9450 . 4 表8 测点11应力分析 T a b l e 8 T h e s t r e s s a n a l y s i s o f t e s t p o i n t 11 变形值 σ实测/ M Pa σ1, 理论/ M Pa 主腿 变形 1. 011. 10 210 . 47 05. 7 2 . 52 6 . 6 372 6 . 17 61. 7 4. 031. 4438 . 7 402 3. 2 副腿 变形 1. 07 . 51410 . 39238 . 3 2 . 52 5. 6 8 92 5. 98 01. 1 4. 052 . 2 5938 . 4512 6 . 4 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 13. h t m （第 7 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 55 中国矿业大学学报990 6 13 2 . 3 误差原因 从以上结果对比发现，部分测点的理论值与实测值有较大差别，其主要原因分析 如下 1 计算模型和模型实际结构的差别这种差别表现在理论分析时模型的理论尺寸 与实际尺寸的偏差；加载钢丝绳理论仰角与实际仰角的偏差；加载位置、荷载的理论 与实际偏差. 理论分析时节点完全刚接与完全铰接的处理也是一种近似. 2 试验加载时钢丝绳与天轮平台加载装置之间摩擦力的存在也是造成误差的主要 原因，这种摩擦力的影响随着荷载加大而减小，试验结果也证实了这一点. 斜脚变形时 可能存在的斜腿与基础垫板间未压紧的缝隙也使得偏差存在. 沉降值较小时，沉降较易 实现，而当沉降值较大时，实际达到的位移可能小于理论位移值. 亦即沉降作用下误差 将随沉降值增大而增大，试验结果也确实如此. 3 测量和计算手段的误差是显而易见的，但不是主要原因. 3 结论 通过模型试验研究及空间结构理论分析，可以发现 1 根据相似理论原理建立的多绳提升钢井架受人工冻土影响的试验系统. 可供模拟 各种不同荷载和地表不均匀沉降作用下，井架的内力及其分布规律研究. 该模拟试验系 统试验参数调整方便，量测仪器先进可靠，试验结果准确性高. 2 模拟试验结果与理论分析结果符合较好，说明理论分析的计算程序、计算模型 和单元划分是可行的，证明了用有限元分析钢井架的合理性、可靠性. 井架的计算方法 对于完善钢井架的设计具有重要的指导作用. 3 通过理论分析，全面考虑了井架内力各种影响因素，深入探讨了荷载和基础不 均匀沉降对井架内力的影响规律，探讨了多绳提升钢井架进行冻结法凿井时存在的薄 弱环节井架杆件截面弱轴强度；杆件扭转；井架斜腿截面刚度；凿井悬吊提升设备 的空间布置；不均匀沉降影响敏感等等. 4 研究表明永久提升钢井架受人工冻土的影响是不能忽视的. 但只要精心设计、周 密施工，并加强现场观测，这一具有较大经济效益的新技术是完全可以推广运用的. 5 本试验研究的工程背景是人工冻土引起的地层不均匀沉降对井架的影响，但由 于采用间接研究方法，研究中没有涉及人工冻土本身的特性及冻土的影响过程，只考 虑了影响结果. 因而其结论可以适用于其它原因引起的井架基础不均匀沉陷所造成的内 力变形分布规律研究中去. 另外受客观条件所限. 本研究工作没有考虑土体，基础和井架 结构之间的共同作用，这有待于今后进一步深入研究. 作者单位陈宏 史天生 中国矿业大学建筑工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 作者简介陈宏，男，196 3年生，讲师 参考文献 1 姚振纲，刘祖华. 建筑结构试验. 上海同济大学出版社，1996 . 17 ～2 4 2 张家康. 矿山特种结构设计. 徐州中国矿业大学出版社，1991. 6 8 ～7 0 3 谢泳玫，刘鸿运，卫 明. 斜撑式钢井架内力分布规律的研究. 煤矿设计，1990 , f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 13. h t m （第 8 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 55 中国矿业大学学报990 6 13 1 42 ～48 收稿日期1999－0 5－2 5 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 13. h t m （第 9／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 55