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第2 5 卷第5 期 2 0 0 8 年1 2 月 特种结构 V 0 1 ．2 5N o ．5 D e c ．2 0 0 8 对井架设计规范某些条文的商榷 杨军林儆周维娟贺德昭 中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司1 0 0 1 2 0 B e i j i n gH u a y uE n g i n e e r i n gC o m p a n yL i m i t e do fS i n o c o a lI n t e r n a t i o n a lE n g i n e e r i n gG r o u p ，1 0 0 1 2 0 [ 摘要] 本文对井架设计规范中钢井架的基础沉降差控制，水平变形值控制，立架构件的计算等条文，提 出不同的见解，与规范编者商榷。 [ 关键词] 钢井架设计规范商榷 A B 黟嗽c r T h ed i f f e r e n to p i n i o n sa b o u tt h ec o n t r o lo fd i f f e r e n ta m o u n t ss e t t l e m e n t 、t h ec o n t r o lo fh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o nv a l u ea n dt h ec a l c u l a t i o no f g u i d e f r a m e 讥t h e 如劬o f s t e e lh e a d f r a m e ，w e r ep u t f o r w a r di nt h i sp a p e r ．A n dh i sh o p e dt h a tt h i sw i l lg i 勘e sr i s et oT h en e d d f r a m eO e s i g nC o d ea n ds o m ed i s c u s s i o nw i t ht h ec o d ee d i t o r ． K E Y W o R D S S t e e lh e a d f r a m e O e s i 移c o d e D i s c u s s i o n 钢井架与钢筋混凝土井塔相比，虽然都是立 井多绳提升的构筑物，但由于钢井架可以在工厂 加工制造，现场安装，占用井口时问短，而广泛用 于非严寒地区的煤矿、金属矿、非金属矿的立井提 升中。钢井架的结构没计首先要满足提升工艺的 使用要求，然后要做到安全可靠、经济合理、技术 先进。2 1 0 4 年5 月1 日煤矿提升井架设计规范 M T ／T5 0 3 1 2 0 0 3 的实施，结束了井架设计不规范 的状况。该规范成为井架设计的主要依据，对提 高井架设计质量及设计效率都起到重要作用。 2 0 0 6 年1 2 月1 日实施的矿山井架没计规范G B 5 0 3 8 5 - 2 0 0 6 ，对煤矿提升井架设计规范进行了修 订，从行业标准上升为国家标准。新规范标明了 强制性条文，对井架设计更具权威性，指导作用更 大。在学习贯彻执行这两种规范的过程中，笔者 对某些条文也有不同的见解。例如认为钢井架基 础沉降差的控制不够严密及过于严格，井架的水 平变形值控制过严，立架构件的合理布置可改变 计算规定等。现在就以上几个问题论述如下，与 规范编者商榷，供读者讨论。 钢井架属于特种结构，由斜撑与立架组成，承 受动力荷载。钢井架对基础沉降羞及水平变形值 控制的目标与其它建筑物或构筑物是一样的一 是结构安全，二是正常使用。因此井架设计规范 可以参考相关的设计规范来控制基础沉降差及水 平变形值。 一1 0 4 1 钢井架基础沉降差的控制 煤矿提升井架设计规范第5 ．4 ．1 条之2 规 定在工作荷载组合作用下，斜撑柱基础与立架柱 基础之间沉降差容许值宜控制在L ／1 0 0 0 以内 L 为相邻基础中心距 。矿山井架没计规范第 5 ．4 ．5 条沉降差规定数值虽然未标明，但依然可以 理解为L ／1 0 0 0 。第5 ．4 ．4 条增加了斜撑基础之间 沉降差的规定单斜撑不宦大于0 ．0 0 1 L ；双斜撑 不宜大于0 ．0 0 0 5 L 。我们认为上述规定不够严密， 沉降差容许值控制过于严格。建筑地基基础设 计规范G B5 0 0 0 7 ．2 0 0 2 第5 ．3 ．4 条规定建筑物的 地基变形允许值，按表5 ．3 ．4 规定采用。对表中 未包括的建筑，其地基变形允许值应根据上部结 构对地基变形的适应能力和使用上的要求确定。 表5 ．3 ．4 规定工业与民用建筑相邻柱基的沉降 差框架结构O ．0 0 2 L L ／5 0 0 ；当基础不均匀沉降 时不产生附加应力的结构0 ．0 0 5 L L ／2 0 0 。多层 和高层建筑的整体倾斜2 4 H g ≤6 0 为0 ．0 0 3 ；高 耸结构基础的倾斜2 0 H g ≤5 0 为0 ．0 0 6 ；5 0 H g ≤1 0 0 为0 ．0 0 5 。这是一条强制性条文，钢井架虽 然不是表中包括的建筑，但表中的规定依然可以 参考对比。例如表中的框架结构可为混凝土框架 结构，而钢井架中的钢框架结构对地基变形的适 应能力更强。 钢井架的J 部结构虽然都是由斜撑与立架组 成，但根据斜撑的数量和连接方式，又可以分为下 S P E C I A LS l 襄t } a 飞】B l 毽辑o 。5 翟 0 黪 万方数据 N o ．52 0 0 8杨军等对井架没计规范某监条文的商榷 列几种结构型式 1 单斜撑与立架铰接； 2 单斜 撑与立架刚接； 3 双斜撑与立架分别铰接； 4 双 斜撑与立架刚接； 5 双斜撑之间刚接，而与立架 分开，立架独寺为吊挂式或悬臂式。地基变形允 许值应根据上部结构区别对待，不宦作统一的规 定。当斜撑与立架分开，控制其基础之间的沉降 差，显然没有任何意义。目前国内用得最多的是 单斜撑铰接钢井架，单斜撑的牛腿端部与立架顶 铰接，斜撑柱与基础铰接，基础不均匀沉降时不产 生任何附加应力，此时基础之问沉降差容许值可 控制在L ／2 0 0 以内。如果斜撑与它架刚接，它们 之间的基础不均匀沉降就会产生附加腕力，与钢 框架结构类同，基础之间沉降差容许值可控制在 L ／5 0 0 以内。 单斜撑由两根斜撑柱和多根梁组成，一般梁 柱均为箱形截面刚性连接，构成双柱多层钢框架 结构。两根斜撑柱基础不均匀沉降时会产生附加 应力，大截面多层钢框架结构有足够能力承担增 加的应力，和其它框架结构一样，两基础沉降差不 大于0 ．0 0 2 L L ／5 0 0 即呵。双斜撑如果由两个单 斜撑分别与立架铰接，则每边两根斜撑柱基础之 间沉降差同单斜撑，而与对边的两根斜撑柱基础 沉降量无关。双斜撑如果由4 根斜撑柱和多根梁 刚性连接在一起，构成4 柱多层框架结构，这样的 钢井架与其它工业建筑框架结构的Ⅸ别仪在于4 柱是斜的，为什么相邻柱基的沉降差不能同样控 制在0 ．0 0 2 L 呢 4 柱多层框架结构的钢井架刚度 都很大，如果一边的2 个摹础与另一边的2 个基 础沉降有差异，会引起整个钢井架倾斜。如果结 构整体倾斜控制在0 ．0 0 2 斜撑柱基础之间沉降差 0 ．0 0 2 L ，不是比高层建筑的0 ．0 0 3 和高耸结构的 0 。0 0 5 更安全吗 没有必要把斜撑柱基础之间沉 降差控制到0 ．0 0 0 5 L 。 钢井架的斜撑对地角度一般在7 0 0 左右，斜撑 与立架基础之间的距离比立架高度小得多，基础 沉降差0 ．0 0 2 L L ／5 0 0 引起斜撑的转动或倾斜，对 天轮轴产生的水平位移或垂直位移都非常小，并 不影响到钢井架的正常使用。 钢井架的立架柱一般落在井颈上，而井颈与 井筒连成一体，因此立架柱基础沉降量非常小，几 ’S P F．5 撇_ L I A L S I I l U C I I S R E SN o 乎等于零。而斜撑柱基础一般落在土层上，并且 距离提升机房不远，基础面积受限，沉降量大，很 难满足基础之间沉降差L ／1 0 0 0 的要求。 现举一工程实例来说明。某矿主立井井架采 用多绳提升单斜撑式铰接钢井架，井架总高度 6 1 ．5 m ，抗震设防烈度8 。立架柱基础就是井颈， 两斜撑柱基础为钢筋混凝土独立基础，座落在黄 土状粉质黏土上。地基承载力特征值“ 1 5 0 k P a ，压缩模量E 。 7 ．1 1N P a ，而且具有湿陷性。 下一层土为黄土状粉土、粉质黏土，f I k 1 8 0 k P a ， E 。 9 ．3 2 M P a 。斜撑柱与最近的立架柱中心距离 为1 6 ．3 0 4 m 。假定立架柱基础沉降量为零，要满 足规范基础沉降差要求，则控制斜撑柱基础沉降 量在1 6 ．3 0 4 m m 以内。经摹础沉降量计算，斜撑 柱基础的地基要进行处理。处理后要求f a k ≥ 2 5 0 k P a ，基础底面以下1 5 m 范围内土层E ≥ 1 5 M P a ，并且消除湿陷性。实际施工时，地基处理 无法满足上述要求，现场要求更改设计。冈此斜 撑柱基础改为桩基础。在原来每个基础下增加9 根钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩直径l m ，有效桩长 1 5 m ，并且桩底深入卵石层不少于l m 。上述工程 实例很普遍，说明实际工程很难达到规范要求，那 么规范控制值的必要性及可能性就值得商榷。 立架柱落在井颈上，而斜撑柱基础落在土层 上，两者不均匀沉降是必然的。要减少沉降差可 以预先把斜撑柱基础抬高，或者在钢井架安装时 把斜撑柱顶高，其原理与屋架起拱相同。预留斜 撑柱基础沉降量，不必花太多的代价来硬扛。如 果立架柱落在井口支承框架梁七，则立架柱随支 承框架梁的挠度下沉，减少与斜撑柱基础的沉降 差，但对井架整体稳定并没有什么好处。 钢井架的斜撑平面中心线一般为上下天轮轴 心连线，井架提升所产生的力绝大部分通过斜撑 直接传给基础，斜撑柱对基础产生很大的水平推 力，这就是钢井架结构受力特点。对井架的整体 稳定，斜撑柱基础抗滑移比控制沉降差更重要。 单靠基础自重和上覆土荷载来抗滑移，势必使基 础做得又大又深，容易与提升机房基础相碰或基 底高差过大。解决斜撑柱基础滑移问题，实际工 程有两种方法一种是把基础底面做成斜面，与挡 一1 0 5 万方数据 特种结构2 0 0 8 年第5 期 土墙抗滑移原理相同；另一种是斜撑柱基础与提 升机基础用抗压地梁相连，使水平推力互相抵消， 联合抗滑移。 2 钢井架水平变形值的控制 上述钢井架5 种结构型式对地基变形的适应 能力不一样，抗水平变形能力也不一样。双斜撑 钢井架比单斜撑钢井架强，刚接钢井架比铰接钢 井架强。钢井架的立架一般为桁架结构，侧向刚 度小。而斜撑为箱形截面刚性连接的框架结构， 侧向刚度大，重量也大。当斜撑单边斜搭在立架 上，光自重就对立架产生一个很大的水平推力，引 起整个钢井架初始水平位移。因此，设计时把联 系铰由立架中间向斜撑方向移动0 ．5 m 到l m ，加 强立架提升方向的侧向刚度，来减少初始水平位 移。钢井架水平变形主要来自提升时所产生的水 平力，在井架整体布置时要调整斜撑角度，使提升 钢绳合力线接近斜撑平面中心线，减少水平力的 产生，这是控制钢井架水平位移的重要措施。 煤矿提升井架设计规范第5 ．3 ．2 条及矿 山井架设计规范第5 ．1 ．1 0 条都规定井架在工 作荷载效应组合时的水平变形值，应控制在H ／ 1 0 0 0 以内 H 为井架总高度 。笔者认为此规定过 严，会增加钢井架的耗钢量。高层民用建筑钢结 构技术规程J G J9 9 9 8 第5 ．5 ．1 条规定结构在风 荷载作用下，顶点侧移不宜超过建筑高度的l ／ 5 0 0 ，层间侧移不宜超过楼层高度的1 ／4 0 0 。钢结 构设计规范G B5 0 0 1 7 ．2 0 0 3 附录A 第A ．2 ．1 条也 有相同的规定。钢结构房屋与钢井架相比，两者 都是钢结构，前者是建筑物，后者是构筑物。前者 有刚度很大的分层楼板，后者立架内无分层楼板。 前者荷载分散到各层楼，后者荷载集中到天轮轴。 虽然两者结构型式不同，受力不同，但控制变形值 的原则应该是一样的i 在平常的荷载组合作用下 能正常使用、正常工作；在特殊的荷载组合作用下 不致于失稳倒塌。对于房屋，平常荷载最不利荷 载是风荷载组合，特殊荷载是地震作用组合；对于 钢井架平常荷载是工作荷载组合，特殊荷载是断 绳荷载组合或地震作用组合，两者不会同时发生。 上述两种规范控制的变形值都是在平常的荷 载组合作用下的变形值，两种结构的层间侧移无 可比性，而顶点侧移町以作比较。钢井架的H 是 一1 0 6 一 井架上天轮高度，如果水平变形值控制在H ／5 0 0 以内，则和房屋顶点侧移控制值相同。钢井架工 作荷载是动力荷载，对井架产生水平位移外，还产 生振动。并且钢井架是露天的，上部没有维护结 构。提升时如果有人在钢井架上会感到不舒服， 感到不安全。但正常工作时钢井架上一般没有 人。与房屋相比，钢井架没有精装修，没有精密仪 器。维护结构也是轻质的，对结构变形并不敏感。 如果两者在同样的高度上 如5 0 m ，发生同样的 水平位移 0 ．1 m ，房屋里的人能正常生活，为什 么井架不能正常工作呢 井架正常提升时，由于容器的摆动对罐道产 生很大的垂直力和两个方向的水平力。如果钢井 架上天轮中心产生水平位移H ／5 0 0 ，则容器在井 口时提升绳偏角为1 ／5 0 0 ，容器在井下几百米时 提升绳偏角几乎为零。提升绳偏角对罐道产生的 力，远远小于容器摆动对罐道产生的力，所以并不 会影响到井架的正常提升。 3立架构件的布置和计算 立架足由四片桁架或框架组成的空间结构， 它除了承受斜撑传来的力、风荷载及地震作用外， 还承受提升容器或平衡锤传来的各种力，因此立 架还要设置很多辅助构件来承担这些力。例如罐 道梁 含四角罐道及楔形罐道梁 、防撞梁、托罐梁 等。这些构件有些在立架周边，有些在立架内部。 根据井架设计规范的规定，井架整体计算中不考 虑立架内部构件的作用，也不考虑立架更换容器 框口内构件的作用。其实这些构件也是立架的一 部分，共同承担立架内外所有的力。只要布置得 当，就能充分发挥这些构件的作用，充分发挥结构 材料的受力性能。 1 ．立架更换容器框口是立架薄弱部位，如何 加强此部位成为设计难点。以前有蝗矿的钢井架 参考国外设计，在框口设置了钢大门。结果更换 容器时钢大门打不开，好不容易用绞车拉开了又 关不上。钢大门既起不到对框口的支撑作用，又 失去了门的开关作用。再说更换容器8 ～l O 年才 有一次，有必要设计成门吗 以上两种井架设计规范第5 ．2 ．2 条都规定 钢井架立架更换容器的框口，其立柱应加强，上端 延伸一个节问简化为固定，下端为铰接，可按铰接 灞燃绷翮R 辫№蘑2 0 | 曦 万方数据 N o ．52 0 0 8杨军等对井架设计规范某些条文的商榷 框架计算。更换容器时井架并不工作，在无工作 荷载作用下，可按铰接框架计算。如果框口内布 置构件，并有可靠的连接，在工作倚载作用下，可 不按铰接框架计算。实际工程中，要在立架更换 容器框口内布置可拆构件，用双螺帽A 级普通螺 栓把呵拆构件与框口构件连接。在工作荷载的作 用下，这些构件可传力受力，与框口立柱共同工 作，成为立架桁架腹杆的一部分。只要对这些螺 栓采取防锈维护措施，这些构件到时便可拆除。 这些构件既可临时拆卸，又可长期受力，解决了框 口过大，而应力集中的问题。 2 ．以上两种井架设计规范第5 ．2 ．1 条之l 规 定单斜撑式钢井架的立架承担提升工作荷载，按 空间桁架分析内力，也可简化为平面桁架进行内 力计算。这条规定仅适用于桁架式立架，而并不 适用于框架式立架。按此规定立架内部的单独构 件，在立架内力计算中都不起作用。其实这些构 件，只要有足够的刚度，有可靠的连接，在正常使 用中受力，就不能忽视其对立架内力的影响。 立架内部的单独构件大多数是水平构件，例 如楔形罐道梁、防撞梁、托罐梁、过卷制动力缓冲 装置支承梁等。这些构件都承受很大的偶然作用 力，需要单独计算其承载力和稳定。因此这些构 件的截面都相当大 冈0 度也很大，加强了立架整体 刚性。例如防撞梁用高强螺栓与立架顶梁连接， 组成刚度很大的平面，成为立架唯一的刚性平面， 不仅影响到立架的内力，而且对整个井架的稳定 都起到重要作用。实际上防撞梁不仅发生事故时 才起作用，平时也能充分发挥作用。立架内部的 水平构件与立架横梁连接，既传递水平力，又是横 梁的支撑点，从而解决这些横梁水平刚度不足的 问题。 上述承受偶然作用力的水平构件，如果增加 一些垂直构件相连，便呵提高这些构件的受力性 能。当提升中发生事故时，防撞梁承受向上撞击 力，而断绳后容器或平衡锤落下，托罐梁又承受向 下冲击力。这两种力都非常大，但不会同时发生。 利用偶然作用力的时间差，在防撞梁与托罐梁之 间增加垂直构件，把两者连起来，那么它们可以共 同工作，一起抵抗向上或向下的冲击力。这种立 体联防，避免逐个击破的思路，也可用在罐道梁 辫隰吼玩S T R U C I “ d R I 撩黔。52 0 曦 上。例如楔形罐道梁承受的过卷制动力，越往上 力越大，在罐道位置处设置垂直构件，把楔形罐道 梁连起来，并且顶部与防撞梁相连，这样每根罐道 梁承受的力很小，大部分过卷制动力可直接传给 防撞梁。 随着科技的高速发展，井架的提升工艺也在 不断发展。以往单靠楔形罐道来缓冲过卷力，现 在出现了新的过卷制动力缓冲装置。此装置布置 在提升容器或平衡锤的两侧，并且承受很大的向 上拉力。以往罐道只布置在提升容器的两端，现 在新工艺要求提升容器两侧也要布置罐道。为满 足上述新工艺的要求，提升容器之间或容器与平 衡锤之间，必须布置受力相当大的构件。现在立 架内部的构件越来越多，有双向水平构件，也有垂 直构件，虽然这些构件还没有形成整片桁架，但都 确确实实在受力传力，对整个立架的受力和稳定 都有好处。 3 ．以上两种井架设计规范第5 ．2 ．1 条之2 规 定双斜撑式钢井架的立架可为悬臂式或吊挂式， 立架不承担提升工作荷载，可按悬臂式或吊挂式 桁架计算。虽然立架不承担斜撑传来的提升工作 荷载，但还要承担风荷载、地震作用及提升容器或 平衡锤传来的各种力。悬臂式桁架在水平力的作 用下，底部弯矩及顶部位移都很大。如果在斜撑 梁下焊钢板，阻止立架顶滑动，把立架顶部水平力 传给斜撑。则立架可按下部刚接，上部铰接的桁 架来计算。这样立架底部弯矩及顶部位移就会大 大减少。双斜撑的刚度很大，承担立架顶部传来 的水平力不成问题。 另外，以上两种井架设计规范第1 ．O ．5 条规 定井架生产的火灾危险性应为丙类，结构的耐火 等级应为二级。当井口房的承霞构件及非承重外 墙为非燃烧体时，井架结构构件的耐火极限可降 低到0 ．2 5 h 。承重构件及非承重外墙为非燃烧体 时，结构的耐火等级可能只有三级。建议改为当 井口房结构的耐火等级符合二级时，井架结构构 件的耐火极限可降低到0 ．2 5 h 。这样可以符合煤 炭工业矿井设计规范G B5 0 2 1 5 ．2 0 0 5 第1 3 ．1 ．5 条 的规定井口房结构的耐火等级应为二级。 参考文献 [ 1 ] 林儆，张伯林．钢井架设计技术探讨[ J ] ．煤炭工程，2 0 0 7 年第4 期 一1 0 7 万方数据 对井架设计规范某些条文的商榷对井架设计规范某些条文的商榷 作者杨军， 林儆， 周维娟， 贺德昭 作者单位中煤国际工程集团,北京华宇工程有限公司,100120 刊名 特种结构 英文刊名SPECIAL STRUCTURES 年，卷期2008，255 引用次数0次 参考文献1条参考文献1条 1.林儆.张伯林 钢井架设计技术探讨[期刊论文]-煤炭工程 200704 相似文献0条相似文献0条 本文链接 下载时间2010年6月1日
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