多绳提升单斜撑钢井架结构设计探讨.pdf

第 50 卷 第 3 期有色金属设计Vol.50 No.32023 年 9 月Nonferrous Metals DesignSept.2023收稿日期:2023-03-07作者简介:卓宏博(1986),男,安徽宿州人,工程师。主要研究方向:建筑结构。多绳提升单斜撑钢井架结构设计探讨卓宏博1,梁仕义2(1.矿冶科技集团有限公司,云南 昆明 650224;2.昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南 昆明 650051)摘要:井架是矿山工程中的重要地上构筑物,单斜撑式钢结构井架因具有自重轻,安装简便,施工周期短的特点而被广泛采用。文章结合工程设计实例,介绍了单斜撑钢井架设计流程,包括结构选型、布置、荷载选用,并利用 PKPM 结构设计软件的 PMSAP 模块对单斜撑钢井架进行计算分析。关键词:单斜撑式钢井架;PMSAP;结构分析中图分类号:TD53文献标识码:A文章编号:1004-2660(2023)03-0017-04Discussion on Structural Design of Steel Derrick with Single Inclined Bracing for Multi-rope HoistingZHUO Hongbo1,LIANG Shiyi2(1.BGRIMM Technology Group,Kunming Yunnan 650224,China;2.Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.,Ltd.,Kunming Yunnan 650051,China)Abstract:Derrick is an important aboveground structure in mine engineering.Steel derrick with single inclined bracing is widely used because of its light self-weight,simple installation and short construction period.This paper introduces the design process of steel derrick with single inclined bracing,including structure type selec-tion,layout and load selection,and uses PMSAP module of PKPM structural design software to calculate and analyze steel derrick with single inclined bracing in combination with engineering design examples.Keywords:Steel derrick with single inclined bracing;PMSAP;Structural analysis0 引 言井架是竖井垂直提升系统中地表构筑物的重要组成部分,主要用于井下矿物的提升及生产物料、人员的运输。常见于金属、非金属矿山的井口。井架按材料类型主要有钢筋混凝土结构井架、钢结构井架两大类。相比较而言,钢结构井架具有结构强度高、施工周期短、易于工厂加工,安装简便,因此被广泛采用。1 项目概况工程位于某铜矿矿区,采用多绳提升系统。上天轮高 57.280 m,下天轮高 51.280 m,提升系统图见图 1;钢丝绳最大净张力 465 kN,最小净张力 283 kN;钢丝绳总破断力 3470 kN;井架顶部设有供设备安装使用的起重架,共布置 3 台25 t 吊车,轨顶标高 64.850 m。抗震设防烈度为7 度,0.10 g,设计地震分组为第三组,抗震设防类别为标准设防类,场地类别为 II 类。结构设计使用年限为 50 年,安全等级为一级2。2 结构选型及布置井架结构的选型应基于提升工艺的要求,在确保井架结构的安全可靠的前提下,考虑钢构件制作、运输及现场安装的需要,并应充分考虑整有色金属设计第 50 卷体结构的经济性来选取。工程井口地表场地为半山坡平整出的台地,三面临山坡,一面临厂区公路,井口地表场地面积受限且无法扩大。根据提升系统工艺要求并考虑现场场地条件,结合以往工程实践经验,该工程采用结构简单传力路径明确的单斜撑式钢结构井架。图 1 提升系统图Fig.1 Lifting system单斜撑式钢井架,斜撑是井架结构最主要的受力构件,各工况的荷载主要通过斜撑传递到基础。斜撑角度的选取对结构的安全性、经济性至关重要。在正常使用状态提升荷载作用下,斜撑的中心线应尽量与提升的合力线重合,以减小水平分力产生的弯矩,保证斜撑构件的受力以轴心受压为主,充分发挥钢材良好的受压性能。同时,斜撑的布置还要结合天轮中心的位置,条件允许的情况下可将天轮中心置于斜撑中心线上,减小天轮支座对天轮支承梁产生的扭矩。在承载力极限状态偶然荷载(断绳荷载、防撞荷载)作用下,斜撑角度越大越有利。综合考虑以上工况并结合工程实践经验,选取斜撑中心线与竖向夹角略大于合力线与竖向夹角进行结构设计,见图 2。为保证井架侧向稳定,斜撑在垂直提升平面方向柱脚中心线宽度取为井架总高度的 1/31。各天轮平台层均设置天轮检修平台,检修平台高度不小于 2.2 m。考虑结构受力及设备安装的需要,斜撑及天轮平台梁均采用箱型截面;立架柱采用圆管截面,立架横梁采用 H 型钢;同时为减小斜撑垂直于提升平面的计算长度,在斜撑中部设一道横梁及交叉支撑。图 2 斜撑布置示意图Fig.2 Schematic diagram of inclined bracing arrangement井口上方设立架,立架采用四柱式框架,立架底部与基础刚接,立架顶部与斜撑铰接。立架的平面尺寸应根据工艺要求布置且不宜小于立架高度的 1/10;立架平面在提升容器通道的洞口周边设钢梁,钢梁每边与提升容器留 150 mm 的安全距离,以防止提升过程中钢丝绳抖动引起的碰撞。立架的竖向布置需考虑罐道、防撞装置、托罐装置、罐笼等安装及检修需要。根据检修及安装需要设置通往各平台的钢梯,钢梯宽度 700 mm,坡度 45,钢梯两侧设1.2 m 高扶手并挂防坠钢丝网,钢梯梯板采用花纹钢板。3 荷载及荷载效应组合作用在井架结构上的荷载,可以分为 3 类:永久荷载(包括自重、地基变形等);可变荷载(包括提升工作荷载、平台活荷载、起重架荷载、温度荷载、风荷载等);偶然荷载(包括断绳荷载、防坠器制动荷载、过卷荷载和地震作用等)。井架结构应根据使用过程中可能同时出现的荷载,按承载能力极限状态和正常使用极限状态,分别进行荷载效应组合,并按最不利情况进行设计。抗震设防烈度 7 度时的钢井架可不进行抗震验算,但应满足相应抗震构造措施2。3.1 承载能力极限状态承载能力极限状态应综合考虑基本组合、偶然组合 2 种工况,选取最不利情况进行设计。其81卓宏博,梁仕义:多绳提升单斜撑钢井架结构设计探讨中:提升工作荷载的确定应考虑提升加速度和天轮摩擦力的影响;断绳荷载的确定应按天轮一侧所有钢丝绳的断绳荷载,另一侧为所有钢丝绳的0.33 倍断绳荷载考虑2。3.2 正常使用极限状态正常使用极限状态应采用荷载标准组合和准永久组合进行设计,其变形不应超过规定限值。4 结构分析井架结构应采用空间分析方法进行荷载效应计算2。钢井架属于特种结构,目前没有专门针对钢井架进行结构设计的计算软件,可以用PKPM 软件中的 PMSAP 模块建立三维整体模型,进行内力分析。(1)初步估算构件截面,斜撑柱的计算长度系数应根据梁柱刚度比计算2。平面内计算长度系数可取 1.5 1.8;平面外计算长度系数可取1.11.3。(2)建立三维空间结构模型进行试算,根据结构的内力、应力比及位移结果,调整杆件截面,对结构模型进行优化。经多次试算,最终确定主要构件尺寸:斜撑采用 1 300 mm1 000 mm30 mm 30 mm 箱 型 截 面;天 轮 支 座 梁 采 用1 300 mm1 000 mm30 mm30 mm 箱型截面;立架柱采用 650 mm20 mm 圆管截面,立架横梁选用 H 型钢 HN650 mm300 mm。图 3 为井架三维计算模型:图 3 井架三维计算模型Fig.3 Three-dimensional calculation model of derrick4.1 承载能力极限状态设计该工程作用在结构上的荷载工况如下:(1)工作荷载工况:结构重要性系数应取1.1,考虑永久荷载和可变荷载的基本组合,即永久荷载及可变荷载应乘以相应的分项系数。(2)断绳荷载工况:断绳荷载效应控制的组合,断绳荷载、防坠制动荷载均按标准值参与组合,其他可变荷载应按标准值并考虑相应的组合值系数。通过对工作荷载工况、断绳荷载工况分别进行计算分析,井架结构起控制作用的工况为断绳荷载工况,应基于此工况进行结构设计。计算结果表明,天轮支承梁应力比为 0.8,是整个结构应力比最大的构件;其他部分构件应力比较小,均在 0.7 以内。其中斜撑部分应力比为 0.73,立架柱应力比为 0.67,这是由于斜撑及立架柱截面主要由长细比控制。斜撑柱、立架柱长细比不大于 1503,其他受压杆件长细比按 150235/fay控制2,受拉杆件长细比按 250235/fay2。表 1 主要构件长细比及应力比Tab.1 Slenderness ratio and stress ratio of main members构件名称长细比(x/y)容许长细比应力比(取强度、稳定引力比较大值)斜撑119.3/129.21500.73立架柱136.5/136.51500.674.2 正常使用极限状态设计正常使用极限状态下,井架结构变形验算应采用荷载标准值组合。在工作荷载效应组合时,水平变形值应控制在 1/1 0002。根据钢井架的结构位移计算结果,工作荷载效应下,结构最大水平位移为 23.54 mm,约为 1/2 433,满足要求。该工程水平位移控制较严格,主要是考虑到箕斗的提升高度很大,水平位移过大会引起钢丝绳的抖动,故提高结构整体刚度,控制提升过程中天轮的水平位移,避免箕斗与井下构件发生碰撞。天轮支承梁的变形验算应考虑使用过程中的冲击效应,因此应其标准值应乘以不小于 1.3 的动力系数。在提升荷载作用下,天轮支承梁的跨中挠度为 5.17 mm,挠度比 1/1 547。91有色金属设计第 50 卷4.3 局部构件验算防撞梁、起重架安装荷载仅对支承构件和连接进行验算。防撞荷载取4 倍钢丝绳最大静张力,仅作用于防撞梁上。起重架应进行变形验算,挠度不应大于 1/9003。4.4 抗倾覆验算井架倾覆直接影响井架结构安全,在抗倾覆计算时 MG/MQ1.3,MG 应乘以 0.9 的分项系数;MQ 应按承载能力极限状态下的基本组合(分项系数取 1.0)和偶然荷载效应的效应组合(偶然荷载效应值的 50%)分别验算。5 基础设计地基及基础可不进行断绳、防坠制动荷载效应及地震作用效应组合验算2。地基基础按正常使用提升工况进行设计,其中,基础底面尺寸、滑移及沉降按标准组合设计,底板配筋及锚栓按基本组合设计。根据斜撑柱底反力进行设计,该工程地基为基岩,斜撑基础之间基本没有沉降差,最大沉降量 2.6 mm,满足规范要求(80 mm)。6 结 语通过某铜矿-箕斗竖井井架的结构设计过程,可以得到以下结论:(1)单斜撑式钢井架适用广泛,结构形式和受力状态较为复杂,通过三维空间建模软件 PM-SAP 进行结构分析,可以提高计算结构分析的效率,满足其特殊性的要求。(2)单斜撑式钢井架主要由断绳荷载工况控制,斜撑柱及立架柱截面主要由长细比控制,通过合理设置支撑,可有效减小斜撑柱及立架柱的截面,节省造价。参考文献:1姜智岭,荣峰.矿山竖井钢井架设计J.铀矿冶,2010,29(03):124-1292中华人民共和国建设部.GB 503852018 矿山井架设计规范S.北京:中国计划出版社,2006.3中华人民共和国建设部.GB 500112010 建筑抗震设计规范S.北京:中国计划出版社,2016.(上接第 12 页)4 结 语通过现场踏勘,并与相关工程技术人员交流,找出破碎硐室前墙破损的原因;查看原设计溜破系统结构形式,分析破碎硐室前墙后续破坏发展趋势;结合破碎硐室内相关机械设备布置情况,找出符合实际情况的前墙修复方案,最终选取了钢筋混凝土结构墙来加固现有的破碎硐室前墙,同时在加固墙和原有前墙之间内衬耐磨钢板,以抵抗矿石的磨损。参考文献:1冶金工业部和北京有色冶金设计研究总院.新编矿山采矿设计手册(井巷工程卷)M.北京:中国矿业大学出版社,2006.2北京钢铁设计研究总院.混凝土结构计算手册(第二版)M.北京:中国建筑工业出版社,1991.3北京有色冶金设计研究总院.采矿设计手册(井巷工程卷)M.北京:中国建筑工业出版社,1989.02