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煤炭工程2 0 0 7 年第4 期 钢井架设计技术探讨 林儆，张伯林 中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司，北京1 0 0 0 1 1 摘要钢井架是矿井地面主要的构筑物，对整个矿井的生产起着重要作用，设计中有很多 技术问题需要不断探索、不断改进、不断创新。为了设计出适用、安全、经济的钢井架，论文对 钢井架的整体布局、构件布置、变形控制、钢材选用等技术问题进行探讨。 关键词矿井；钢结构；钢井架 中图分类号T D 5 4 1 ；T U 3 9 1文献标识码B文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 7 0 4 旬0 2 2 旬3 钢井架是矿井地面主要的构筑物，对整个矿井的生产 起着重要作用。钢井架的结构设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。 要达到上述目标，设计中有很多技术问题需要不断探索、 不断改进、不断创新。有些问题在设计中已作改进，有些 问题仅仅是一种见解，尚未在设计中实施，现在就几个主 要技术问题论述如下。 1 钢井架的整体布局 钢井架的整体布局包括竖向布置和平面布置，这是钢井 架设计的第一步，也是关键的一步。它关系到钢井架能否符 荷载列向量计算、地震荷载列向量计算、风荷载列向量计 算 ；⑤计算各构件内力；⑥构件配筋和验算。 对于T A T 或s A T w E 的输出结果，可用以下指标进行 合理性判断。轴压比可控制结构的延性；剪重比可控 制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性；刚度比可控 制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层；周 期比可控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利 影响；刚重比可用来减小重力二阶效应，保证结构的整 体稳定性；自振周期若输出的自振周期处在正常值范围 内，表明短肢剪力墙结构具有适宜的刚度。 2 ．5 短肢剪力墙结构设计时应注意的问题 1 由于短肢墙仍属剪力墙的范畴，进行短肢墙的设计 时可采用一般剪力墙的设计方法。 2 对于短肢墙平面内梁，当跨高比小于5 时，应按连 梁设计，在P M c A D 中可按剪力墙开洞方式输入，此时内力 主要由水平力产生，电算时常常出现超筋现象，在不影响 其承受竖向荷载的前提下，可对连梁的刚度进行折减 7 。为 0 ．7 ；当跨高比大于5 时，竖向荷载作用下产生的内力所 占比例较大，应按框架梁设计，在P M c A D 中可在洞口两端 2 2 合工艺要求，能否使整个结构受力合理及安全生产。现以单 斜撑钢井架为例，说明钢井架整体布局要注意的问题。 1 单斜撑钢井架的斜撑平面中心线应在提升钢丝绳合 力作用线的上面，两线宜接近，以便充分发挥斜撑柱材料 受压作用及减少井架水平位移。 2 提升容器之间或容器与平衡锤之间，要留有布置构 件的空间。这不仅是新工艺的要求，也是结构受力的需要。 3 井架斜撑的基础与提升机房的基础要有足够距离， 以免基础相碰。 4 立架平面布置除了满足工艺和使用要求外，还要满 足整体稳定要求，两方向边长大于立架高度的1 ／1 0 。四柱 各增加节点按普通梁输入。 3 结语 在异形柱和短肢剪力墙结构体系的设计中，以人为本 的精神得到了较好体现，结构设计最大化地满足了建筑设 计的功能性要求，建筑专业和结构专业做到了和谐统一。 但由于这两种体系的使用时间相对较短，尚未积累足够丰 富的工程实践经验，广大建筑科技工作者仍需继续努力， 推动这两种体系的理论研究和工程应用向更高水平发展。 参考文献 [ 1 ] 柳炳康，等．建筑结构抗震设计[ M ] ．北京中国科学技 术出版社，1 9 9 6 ． [ 2 ]李明顺．小康住宅建筑结构体系成套技术指南[ M ] ．北京 中国建筑工业出版社，2 0 0 1 ． [ 3 ]程绍革，陈善阳，等．高层建筑短肢剪力墙结构振动台实验 研究[ J ] ．建筑科学，2 0 0 0 ，1 6 1 1 2 ～1 6 ． [ 4 ]黄东升．混凝土短肢剪力墙的理论分析与实验研究[ D ] ． 东南大学博士学位论文，2 0 0 4 ． 责任编辑马光辉 收稿日期2 0 0 7 0 1 0 4 作者简介林儆 1 9 4 2 一 ，广西北海人，教授级高级工程师，1 9 6 5 年毕业于北京建筑工业学院，从事建筑结构设计 工作4 2 年。 万方数据 2 0 0 7 年第4 期煤炭工程 尽可能落在井颈上，避免落在井口支承框架上。立架水平 构件尽可能兼作罐道梁或托罐梁，且尽量减少两方向边长。 5 为了控制井架的初位移，斜撑牛腿联系铰由立架中 间向斜撑方向移动0 ．5 1 ．0 m ，并使井架斜撑与立架顶或 井口房保持一定距离，以免相碰。 6 地震7 烈度及其以下地震区的钢井架可不进行抗震 验算，但要提高一度采取构造措施。除了钢井架本身符合 抗震构造要求外，钢井架与井口房之间要留有防震缝，井 口房的设备不能与钢井架直接连接。 立井提升系统如图1 ，图中尺寸x 、d 。、d 、e 、 ，由 工艺先决定，戈、y 也由工艺先提出。结构设计先核实戈是 否满足上述第2 条要求，然后校核戈、y 是否满足上述第1 、 3 条要求，若不满足要求，则需要调整。 a ．斜撑平面中心线一般为上下天轮轴心连线，若满足 上述第1 条要求，则曰l 4 5 。 0 ．5 c l A ，C ， 2 A 一9 0 。， t g A y 以。当d l d 2 ，贝0t g c l 日一 1 ／ e O ．5 d ， 。若A 7 0 。，贝0y 2 ．7 4 7 z ，c ， 5 0 。；若A 印o ，贝0 y 1 ．7 3 2 戈， c ． 3 0 0 。一般A 设计为7 0 0 左右。 b ．图中o 0 ．5 d ． 菇妇r ／y ，6 P o 。6 要满足上述第3 条要求。 图1 立井提升系统图 2 立架构件的布置 立架是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。以往井架整体计算中不考虑立架内部构件的作用， 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 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。 在提升过程中，罐道梁除了承受垂直力外，还要承受 双向水平力。这些力传到立架水平构件上，要求杆件具有 足够的强度和刚度。截面设计水平强度容易满足，而水平 刚度却难以满足。在立架中问增加受力构件后，其对应的 水平构件中间就增加了一个支点，从而解决杆件的水平方 向刚度不足的问题。搭在中间构件上的罐道梁跨度减小了， 罐道梁截面也可相应减小。立架内部增加纵横水平构件， 形成刚度比较大的平面，对整个立架的受力及稳定起到良 好的作用。 2 当提升发生事故时，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，但不同时发生。如果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，也可用在罐道梁上。例如楔形罐道梁承受的 过卷制动力，越往上力越大。如果在罐道位置处设计垂直 构件，把楔形罐道梁连起来，并且顶部与防撞梁相连，使 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。 防撞梁截面比较大，布置在立架内部，与截面相当大 的立架顶梁组成刚度很大的平面，对整个井架的稳定起重 要作用，使得防撞梁不仅事故时才起作用，平时也能充分 发挥其作用。另外，防撞梁最好设在立架顶梁的下方，这 样可以避免连接螺栓剪切破坏，但整个立架要加高。若要 减少立架高度，可把防撞梁设计成鱼腹形反梁，梁支座依 然在立架顶梁底，跨中截面高出立架顶梁底。 3 立架更换容器框口内布置可拆构件，更换容器时拆 除这些构件。以往井架整体计算中不考虑这些构件的作用， 而把整个框口当作铰接框架计算。更换容器十年八年才有 一次，更换容器时井架暂时停止工作。井架工作时只要用 双螺帽A 级普通螺栓把可拆构件与框口构件连接，构件就 会传力受力，与框口共同工作。只要对这些螺栓采取防锈 维护措施，到时便可拆除。这些构件既可临时拆卸，又可 长期受力，解决了框口过大的问题。 另外，框口中间立柱是不用拆除的，此立柱是安全门 的门柱，只要立柱两方向都有水平构件支撑，框口平面内 长细比小于1 5 0 ，该立柱同样是受力构件。采取上述措施 后，井架工作时框口内所有的构件都是受力构件，提高了 井架的安全性能。 3 井架变形值的控制 煤矿提升井架设计规范M T ／T5 0 3 1 2 0 0 3 以下简 2 3 万方数据 煤炭工程2 0 0 7 年第4 期 称井架规范 的实施，结束了井架设计不规范的状况，对提 高井架设计质量起重要作用。在学习贯彻规范的过程中， 笔者对某些条文有不同的看法。 1 井架规范第5 ．3 ．2 条规定工作荷载组合的水平变 形值应控制在∥1 0 0 0 以内。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1 ／5 0 0 ，层间侧移不宜超过楼层高度的 1 ／4 0 0 。钢结构房屋与钢井架相比，前者是建筑物，后者构 筑物。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。房 屋平常荷载最不利的是风荷载组合，特殊荷载是地震作用 组合。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。钢井架的日是井架上天轮高度，单斜撑牛腿 端部与立架顶铰接，此处高度一般大于或等于2 肜3 。按 2 月r ／3 折算立架顶点侧移不能超过立架高度的l ／6 6 7 ，比房 屋顶点侧移1 ／5 0 0 还要严格。与房屋相比，正常工作时钢 井架上一般没有人、没有精装修、没有精密仪器，如果两 者在同样的高度上，发生同样的水平位移，房屋里的人能 正常生活，为什么井架不能正常工作 笔者认为钢井架水 平变形值可比房屋放宽。 2 井架规范第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∥1 0 0 0 以内。笔者认为此规定太严格，难以达到。立架 柱一般落在井颈上，而井颈往往与井筒连成一体，因此立 架柱基础沉降量非常非常小。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， 很难满足上述沉降差要求。 建筑地基基础设计规范G B5 0 0 0 7 2 0 0 2 第5 ．3 ．4 条建筑物的地基变形允许值，多层和高层建筑的整体倾 斜2 4 m 日。≤6 0 m 为0 ．0 0 3 1 ／3 3 3 ；高耸结构基础的倾 斜2 0 m 昱。≤5 0 m 为0 ．0 0 6 1 ／1 6 7 ；5 0 m 嚣，≤l ∞m 为 0 ．0 0 5 1 ／2 0 0 。规范还强调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。钢井架 属于高耸结构，并且立架与斜架为铰接，对地基变形的适 应能力较强，基础沉降差引起的倾斜应比其它高耸结构更 宽松。对钢井架基础沉降差控制过严，一方面一般地基达 不到，另一方面也没有必要。 钢井架属于特种结构，斜撑柱与基础铰接，斜撑柱对 基础产生很大的水平推力，抗滑移便成为基础设计的难题。 单靠基础自重和上覆土重来抗滑移，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 撑柱基础滑移问题另有两种方法①把基础底面做成斜面， 与挡土墙抗滑移原理相同；②斜撑柱基础与提升机基础用 2 4 抗压地梁相连，使水平推力互相抵消，联合抗滑移。 4 钢材的选用 钢井架与钢结构房屋不同，钢井架是承受动力荷载的 纯钢钢结构。钢材用量直接影响井架的经济指标，减少钢 材用量、好钢用在刀刃上，是钢井架实现安全可靠经济合 理的关键问题。要做到既节省钢材，又确保安全，一方面 设计要精打细算，反复计算，反复调整构件截面和布置； 另一方面要在钢材的选用上另找出路。 以往设计的钢井架，除了牛腿联系铰采用4 5 号高强钢 外，其它构件一律采用Q 2 3 5 碳素结构钢。笔者认为将钢井 架中钢板焊接的构件改用Q 3 4 5 低合金高强度结构钢，既省 钢又安全。 钢井架中型钢或型钢组合的构件，一般只用在立架桁 架的腹杆及平台梁等次要构件上。其它受力构件都采用钢 板焊接，这些构件的用钢量占整个钢井架的用钢量8 0 ％以 上。Q 3 4 5 与Q 2 3 5 相比，屈服强度提高4 5 ％左右，故采用 Q 3 4 5 比Q 2 3 5 可节约钢材3 0 ％左右。若钢井架8 0 ％的钢材 采用Q 3 4 5 ，整个钢井架可节约钢材约2 4 ％左右。但钢井架 各构件不完全由强度控制，有些构件受刚度控制，有些构 件要满足构造要求，构件截面尺寸板厚等不能按强度比例 缩小。估计钢井架钢板焊接的构件采用Q 3 4 5 ，可节约钢材 1 5 ％～2 0 ％。型钢依然采用Q 2 3 5 碳素结构钢，是因为这些 构件受力不大，用量不多，定型产品供应充足。 钢井架的天轮支承梁、防撞梁、托罐梁等构件直接承 受冲击力，其钢材不仅需要强度高，并且需要冲击韧性好， 而不至于脆性破坏。Q 3 4 5 与Q 2 3 5 相比，不仅强度高，而 且冲击韧性好。Q 3 4 5 的综合性能比Q 2 3 5 好，在我国已有 几十年的工程实践经验，所以钢板焊接的构件采用Q 3 4 5 更 安全。 钢井架还有一个特点，大部分处于外露环境中，因此 钢材等级要根据结构工作温度来选择。钢井架的斜架、立 架柱、防撞梁、托罐梁、安装梁等主要构件，都需要在工 作温度下保证一定的冲击韧性。所以选用Q 3 4 5 等级B 、c 、 D 、E 的低合金高强度结构钢是合适的。 5 建议 钢井架是矿井地面主要的构筑物，对整个矿井的生产 起着重要作用。钢井架属特种结构，与一般民用建筑有所 不同。设计中有很多技术问题需要不断探索、不断改进、 不断创新。论文对煤矿提升井架设计规范M T ／T5 0 3 1 2 0 0 3 中某些条文发表了不同看法，仅仅是个人见解，供 读者讨论。 参考文献 [ 1 ] 钢结构设计手册上册 第三版 [ M ] ．北京中国建筑工业 出版社，2 0 0 4 ． 责任编辑马光辉1 万方数据 钢井架设计技术探讨钢井架设计技术探讨 作者林儆， 张伯林， LIN Jin， ZHANG Bo-lin 作者单位中煤国际工程集团,北京华宇工程有限公司,北京,100011 刊名 煤炭工程 英文刊名COAL ENGINEERING 年，卷期2007，““4 引用次数1次 参考文献1条参考文献1条 1.钢结构设计手册上册 2004 相似文献10条相似文献10条 1.期刊论文 吴晟 矿井大型双变断面箱体钢结构井架的制作 -安徽建筑工业学院学报自然科学版2004,123 介绍铜矿矿井大型双变断面箱体钢结构井架的制作工艺,以及制作过程中质量控制要点,施工操作程序以及控制其焊接变形所采取的方法. 2.期刊论文 郑金杰 箱形钢结构井架兼作凿井井架快速建井技术 -河北煤炭2001,““1 对AL型箱形钢结构永久井架兼作凿井井架快速建井技术推广应用于邢东矿,主副井均采用了该技术,有效缩短建井工期,在国内建井史上是首次尝试. 3.期刊论文 乔红兵.陈大峰 A式多绳提升钢结构井架安装及应用分析 -煤炭工程2003,““9 矿山立井提升随着现代化矿井井型加大和深部煤层的开采,单绳缠绕式绞车在容绳量、提升速度、提升能力、安全性能等方面都难以满足要求.论文 对A式多绳提升钢井架的结构、安装工艺及其受力情况进行分析,并结合实例进行了进一步阐述. 4.期刊论文 石余海 简析箱形钢结构井架快速安装方案 -中小企业管理与科技2009,““13 钢结构井架的安装,目前小型井架多采用吊车,大型井架主要采用金属桅杆起吊.自80年代以来,大中型矿井广泛应用了箱形钢结构井架,由于其结构复 杂、重量大,安装难度及要求较高,本文根据近年来在箱形钢结构井架安装方面的成功实践,简单介绍了这种井架安装方案,这对箱形钢结构井架在煤矿上 的应用具有一定得借鉴意义. 5.学位论文 雷钧 矿井立井井筒装备钢结构电弧喷涂长效防腐蚀工艺和设备技术的研究 1999 该论文在总结电弧喷涂长效防腐技术现场施工经验的基础上,对电弧喷涂技术的发展 ,电弧喷涂设备工艺技术参数,电弧喷涂层的耐蚀性研究,电弧喷 涂的施工工艺规范和经济效益分析等作了深入的研究,有利于将这项先进的长效防腐技术更有效、合理地推广应用到媒炭工业生产建设中. 6.会议论文 李岳 大型钢结构井架吊装与凿井平行施工技术的研究 2007 介绍了在矿井建设过程中,采用新的吊装施工技术,运用平行作业的施工方法,解决井架起吊安装与井筒掘砌工程交叉作业,相互影响的难题,加快了施 工进度,为今后的建井工程提供了成功的范例。 7.期刊论文 陈大峰.Chen Dafeng 箱形钢结构井架安装工艺 -建井技术2000,213 80年代以来,大中型矿井广泛应用了箱形钢结构井架;由于其结构复杂、重量大,安装难度及要求较高.结合中煤第三建设公司近年来在箱形钢结构井 架安装方面的成功实践,介绍这种井架的几种安装方法. 8.期刊论文 牛鹏.汪本义.Niu-Peng.Wang ben yi 倾斜巷道钢结构滑移装置 -科技信息2009,““1 本文介绍了钢结构滑移装置规格尺寸,明确使用范围,阐述了安装操作过程及注意事项,并对该装置进行了理论和计算分析,说明了施工安装的简易性 、适用性和优越性.从而保障矿井安全生产. 9.期刊论文 范光明.潘见.鲍增亮 钢结构代换受损钢筋砼结构的应用 -平顶山工学院学报2003,124 对矿井工程中受损的钢筋砼结构进行加固补强,经过方案比较,最终确定采用钢结构替换原损坏结构,通过增加的钢梁、钢柱等构件,在合理的制作安 装后,代换了原有受到损伤的钢筋砼结构部分,实现了对受损钢筋混凝土结构使用功能的恢复.施工质量、工期等都达到了预期效果. 10.期刊论文 魏成 钢结构壁挂式螺旋溜槽在煤矿中的应用 -矿业安全与环保2002,29z1 介绍了磁窑堡煤矿扩建井立煤仓采用钢结构壁挂式螺旋溜槽,溜煤斜巷采用蛇形溜槽,降低煤炭坠落摔碎损失,提高块煤率的情况.实践证明,螺旋溜槽 的应用是提高矿井综合块煤率,提高经济效益的重要途径. 引证文献1条引证文献1条 1.杨军.林儆.周维娟.贺德昭 对井架设计规范某些条文的商榷[期刊论文]-特种结构 20085 本文链接 下载时间2010年6月1日