竖井排水管路温度应力对支承结构的受力分析.pdf

第 3 6卷 第 5 期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 5正 1 0 月 竖井排水管路温度应力对支承结构的受力分析 庄永晓， 刘荣乐， 张春虎 ( 中国瑞林工程技术有限公司， 江西南昌 3 3 0 0 3 1 ) 摘 要 结合工程设计实例及 煤矿井下排水泵站及排水管路设计gLC E ( G B 5 0 4 5 1 2 0 0 8 ) ， 并借助 S A P 2 0 0 0 软件模拟。 探讨温度应力在竖井管路支承中的荷载取值 。 关键词 温度应力； 直管支承 梁； 弯管支承梁； S A P 2 0 0 0 中图分类 号 ： T D 2 6 2 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 4 3 4 5 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 1 2 0 3 S t r e s s An a l y s i s o n S u p p o r t i n g S t r u c t u r e o f S h a ft W a t e r Dr a i n a g e Pi p e l i n e Te mp e r a t u r e S t r e s s Z HUANG Yo n g x i a o L I U Ro n g l e Z HANG C h u n h u ( C h i n a N e ri n E n g i n e e ri n g C o ， L t d ， N a n c h a n g ， J i a n g x i 3 3 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t Co mb i n i n g wi t h t h e e x a mp l e o f e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d Co d e f o r D e s i g n o f P u mp i n g S t a t i o n a n d P i p e l i n e o f u n d e r C o a l M i n e f G B 5 0 4 5 1 - 2 0 0 8 ) T h e p a p e r d i s c u s s e s l o a d v a l u e o f t e m p e r a t u r e s t r e s s i n s h a f t p i p e l i n e s u p p o b y u s i n g S A P 2 0 0 0 s o f t w a r e s i mu l a t i o n Ke y wo r d s t e mp e r a t u r e s t r e s s ； s t r a i g h t b e a m； e l b o w b e a m；S AP 2 0 0 0 竖 井 井 筒 中排 水 管路 的敷 设 。 一 般 是 在 排 水 管 的上部 和中间设 置直管支座 ， 在排水管的下部设带 座弯头 。 然后将直管支座和带座弯头 固定 到支承梁 上I l 】 。管路支 承 梁一般 采用 槽钢 工字 钢 或矩 形方 管 钢梁 ， 其截面的大小需按所承受的不 同载荷经计算 选取 。一般直管支承梁在井筒中每隔 1 0 0 1 5 0 i n考 虑 2 ， 弯管支承梁设置在竖井井筒 中由竖 向转为水平 的转弯处。 管路支承梁一般需要承担管路重量 、 水柱 重 、 “ 水锤 ” 冲击力 、 温度应力等 ， 本文主要就排水管 温度应力对支承梁的影响进行分析与计算探讨。 1 竖井排水管路温度应力 1 1 竖 井排水 管路 温 度应 力的产 生 温 度应力 亦 称 “ 热 应力 ” ， 由于 温度 变化 ， 结 构或 构件产生伸或缩 ， 而当伸缩变形受到限制时 ， 结构或 构件内部便产生应力 ， 称为温度应力 。 矿山因不 同季 节 、 昼夜 等时段 与排水 管路安装 时的温差 而产生管路 伸缩 变形 。 进 而对管路支 承梁产生影 响。因此 ， 竖井井 筒排水管路无论用法兰连接还是焊接连接 ， 在下端与 支承梁刚性连接的排水管路段 当上端设有支承梁且 不能 自由伸缩变形时， 均宜考虑温度应力的影响 ， 以 防止管路变形发生位移 ， 从而影响矿山正常生产 ， 在 深井及温度变化大的井筒中尤其应 当注意。 1 _ 2 竖井排水管路温度应力的计算 关于温度应力对排水管路支承梁设计选型的影 响， 采矿设计手册 井巷工程卷 ( 中国建筑工业出版 社) 及 有色金属矿山井巷工程设计规范) ) ( G B 5 0 9 1 5 2 0 1 3 ) 均未涉及 ， 而煤炭系统国标 煤矿井下排水泵站 及排水管路设计规范) ( G B 5 0 4 5 1 2 0 0 8 ) 附录 D排水 管 路支承梁 的荷载 中提到 了温 度应力 的计算 ； 因此 本 文对温度应力计算分析以 煤矿井下排水泵站及排水 管路设计规范) ( G B 5 0 4 5 1 2 0 0 8 ) 的规定为依据。 温度应力标准值计算园 ： 、 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 6 1 2 基金项 目： 江西省科技支撑计划项 目( 2 0 1 1 1 B B E 5 0 0 3 1 ) 作者简介 ： 庄永 晓( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 工程师， 主要从事矿井建设工程设计与研究 。 第 5期 竖井排水管路温度应力对支承结构的受力分析 1 3 Q 2 k x E x o z x ( ) 式 中 ： A 为管 子 横 断面 金属 面积 ， m m ； E为钢 材 弹性 模 量 ， MP a ； O r 为钢 材 的 线 膨 胀 系 数 ， 以每 计 ， 1 2 x 1 0 4 ； 为所论管段的环境极值温度 ， ； T o 为管路安 装时的环境温度 ， 。 从 上述公 式 可 以看 出 ，温 度 应力 计算 公 式 中影 响温度应力的参数为所选管路管子的横断面金属面 积 、 钢材弹性模量 E、 钢材的线膨胀系数 O t 和安装 管路环境的温度变化值 。 其 中钢材弹性模量 和 钢材的线膨胀系数 与材料属性有关 ， 为常数。 可变 参 数 为 管 子 横 断 面 金 属 面 积 A 和 安装 管 路 环 境 的 温度 变化 值 。 2 竖井排水管路温度应力对管路支承 梁影响 的受力分析 温度应力对管路支承梁的影响在直管支承梁和 弯管支承梁处有所区别 ， 下面以一个设置多层支承 梁的管路为例作温度变化受力分析 。如图 1 I4 I所示 ， 假设管路直管支承梁为双槽钢 ，弯管支承梁为双工 字钢 ， AT为负时管路产生的收缩拉力为 F 1 ， A T为正 时 管路 产生 的热 胀压 力 为 。 图 1 温 度 应 力对 管 路 支 承 梁 的 作 用 由图 1可知 直管支承梁处无论管路环境温度 升高或降低 ， 由于温度变化产生 的拉力或压力对直 管支承梁的作用均大小相等， 方 向相反 ， 对直管支承 梁的计算选型可不考虑温度应力 的影响 ： 在弯管支 承梁处 ， 如果温度降低 ， 则需要考虑 管路 对其 向上 的收缩 拉力 ， 其 有利 于支 承 结构 ； 如 果 温度 升 高 ， 则需 考 虑 管 路 对 其 向下 的热 胀 压 力 ， 其 增 加 支承结构 向下 的竖向力。 在分析温度应力对管路支 承梁的影响时 ， 安装管路环境 的温度变 化值 的 取值是一个敏感参数和难点 ， 其取值大小在一定程 度 上 影 响 管 路支 承 梁 的选 型 。也 就 是说 ， 选 择 管路 及 支承结 构 的安装 时间应考虑安装时的环境 温度 ， 尽可 能使 7 T 为 负值 。 3 有竖井排水管路温度应力作用下支 撑 梁 的模 拟计算 通过上述分析 。 温度应力主要对管支承梁 的影 响较大 ， 现以实例计算说明。某金矿采用竖井开拓 ， 主排水管路 为两趟 4 2 6 x 2 5 m m无缝钢管 ， 沿竖井 井筒敷设 井 口标高+ 3 0 0 0 m 井筒全深 l 0 3 0 m， 弯 管支承梁设置在井筒一 9 2 2 m管子道平台。 排水管及 支 承梁 在井 筒 中 的平 面位置 如 图 2所 示 。 图 2排 水 管 及 支 承 梁 平 面 布 置 此例 中，根据分析仅计算 弯管支承梁处温度应 力的影响。 其 中， 作用于弯管支承梁节点上的荷载主 要有管路 自身重力及支承梁重 S c = 2 5 0 k N， 水柱重标 准值 s 。 1 k = 1 1 9 6 k N， 温度应力标准值 S o 2 k ( 安装管路 环境的温度变化值 A T = 1 0 ) ， 水锤力 S a k = 2 8 5 6 MP a 。 按此条件采用 S A P 2 0 0 0软件进行模拟计算 ， 模型的 计算共包含 以下 3种不同的荷载组合。 组合 1 ： 恒荷载 ( 水管重力 、 梁 白重 ) + 水柱重+ 温 度荷载( 1 O ) + 偶然荷载( 水锤力 ) ； 组 合 2 ： 恒 荷载 ( 水 管 重力 、 梁 自重 ) + 水 柱 重 + 温 度荷载 ( 一 1 0 ) + 偶然荷载( 水锤力) ； 组 合 3 ： 恒 荷 载 ( z k 管 重力 、 梁 自重 ) + 水 柱 重 + 偶 然荷 载 ( 水 锤 力 ) 。 计算模型如图 3所示 图3 弯管支承梁计算模型 1 4 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 6卷 计算得到的各构件的最大弯矩见表 1 。 塞! 奎重塞墨鋈 蔓量 查堑 荷 载 组 合 善 蓍 所 需 系 数 组合 1 ( 1 O ) 3 1 7 5 7 1 3 2 6 1 1 2 6 8 6 6 组合 2 ( 一 1 0 C) 1 3 6 9 3 3 3 9 0 4 8 5 8 9 3 组合 3 ( 不计 温差 ) 2 2 7 2 5 2 3 5 8 8 0 6 3 7 9 由表 1可看出， 在弯管支承梁处 ， 所论管段 的环 境温度高于管路安装时的环境温度时 。 弯管支承梁的 弯矩最大 ， 温度应力对其选型的影响较大。 通过计算 可知 ， 对于弯管支承梁选择较高 的环境 温度 即 AT 为负时进行安装， 温度应力对其的影响具有正面作用。 4结语 综上所述 。 在温度变化大的井筒 ， 对管路及其支 承 梁 的计 算选 型时要 注 意温度 应力 的影 响。井筒 中 设多层管路支承梁且均为刚性连接的情况 ， 建议在 管路间适 当地设置管路伸缩装置 ， 以消除温度应力 的影响进而防止管路移位甚至失稳。 另外 ， 排水管路 及支承结构应选择适宜 的安装季节 。 以使温度应力 对管路及支承结构产生正面影响 ， 按本文分析 ， 一般 应选择在温度相对较高的季节进行安装。 参考文 献 川l 陈继方 关 于立井排 水管托 管梁计算 的探讨 【 J J 中州煤炭 ， 1 9 9 7 ( 4) ： 1 5 【 2 】 张荣立 ， 何国纬 ， 李铎 采 矿工程设计手册 M】 j E 京 ： 煤炭工业 出 版社 2 0 0 3 【 3 G B 5 0 4 5 1 2 0 0 8 ， 煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范 S 4 张建军立井排水管路设置中间直管座后的托管梁受力分析f J 煤炭工程 ， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 2 6 有色冶金设计与研究 征稿启事 有色冶金设计与研究 系中国瑞林工程技术有 限公司( 原南昌有色冶金设计研究院) 主管 主办 ， 国内外 公开发行的特色鲜明、 专业性强的省级重点科技期刊 ， 是 中国核心期刊( 遴选) 数据库 、 中国学术期刊( 光 盘版) 中文科技期刊数据库 、 “ 万方数据数字化期刊群” 、 中国期 刊网 收录期刊 ， 并获得( C A J - C D规范 执行优秀奖。本刊设有采矿工程 、 选矿工程 、 冶炼工程 、 机电与仪表、 建筑工程与城市规划、 市政与环境工程 、 国际合作与交流 、 管理与其他等 8大栏 目， 内容涵盖整个有色冶金行业 。欢迎从事有色金属工业及其相关学 科的科研 、 教育、 生产和管理工作者 ， 特别是生产第一线的科技工作者踊跃投稿。 来稿要求 ： 论文要求主题 明确、 数据可靠 、 逻辑严密 、 文字精炼 。 每篇论文字数一般不超过 5 0 0 0字 ， 个别 优质稿件可不受字数限制。 来稿内容须包括题 目、 摘要( 中文摘要篇幅在 1 0 0 2 0 0字) 、 3 - 5个关键词、 作者简 介( 含姓名、 性别 、 出生年、 职务职称、 所从事的工作 、 单位 、 通讯地址、 邮编、 联系电话等 ) 、 参考文献( 要求按照 国家标准格式列出， 并在文 中标注) 。 论文请 自留底稿 无论录用与否概不退还。本编辑部将在收稿后 1 个月内确定该文是否刊用 ， 并通知读 者。 请作者在此期间内勿一稿多投。 本刊有权将所载论文向国内外文献数据库检索机构报送 ， 不再另行通知 。 地址 ： 江西省南昌市红角洲前湖大道 8 8 8号 邮编 ： 3 3 0 0 3 1 电话 ： 0 7 9 1 8 6 7 5 7 8 1 2 传真 ： 0 7 9 1 8 6 7 5 7 8 7 1 E - Ma i l ： y s y j c h i n a j o u ma 1 n e t c n