竖井溜渣井垂直运输系统钢结构优化设计.doc

竖井溜渣井垂直运输系统钢结构优化设计
蒲 进 唐铭鸿 何 杰
(中国水利水电第五工程局第三分局 四川凉山州 615615)
摘 要：根据调压室竖井溜渣井人工二次扩挖施工需要，对竖井溜渣井垂直运输系统钢结构进行了优化设计，在钢结构的优化设计中，对其结构的各项参数进行了分析、计算，介绍了在大直径导井（溜渣井）或小直径竖井开挖过程中吊装系统的稳定计算及施工方法；在实际应用中，充分考虑其安全、经济、可操作性，从而降低了施工成本，提高了竖井开挖施工的安全稳定。
关键词：竖井 钢结构 优化设计 稳定计算
1 工程概况
锦屏二级水电站4条引水隧洞末端各设有一座上游调压室，每座调压室主要由阻抗孔、调压室竖井、事故闸门布置有关的闸墩、闸门检修和启闭平台、闸门后通气孔、调压室底部分岔段等组成。
调压室竖井标准断面开挖内径为32.481×25m，竖井全断面开挖为四区及五区施工，开挖时首先用LM-300反井钻机打Φ250mm导向孔，然后用Φ1.4m的钻头反扩，最后人工扩挖成Φ4m的溜渣井，竖井高度为122m，4个井井间中心距为60m。
在Φ4m的溜渣井扩挖中，为保证和提高整个溜渣井扩挖过程中的安全性及经济合理性，特对其垂直运输系统钢结构进行了优化设计，以保证竖井施工的顺利进行。
2 垂直运输系统受力计算
2.1 垂直运输系统布置
垂直运输系统由卷扬机、钢丝绳、吊装门架、定滑轮及施工吊篮等组成。在此，主要对卷扬机、钢丝绳及吊装门架钢结构进行了设计计算，而定滑轮及卷扬机等设备则根据所设计的钢丝绳和实际吊重选型购买。
2.2 垂直运输系统受力计算书
2.2.1 垂直运输系统概述
垂直运输系统由卷扬机、钢丝绳、吊装门架、定滑轮和施工吊篮等组成。该垂直运输系统为竖井溜渣扩挖支护设计。整个运输系统使用8t卷扬机配7×35(钢丝强度极限为1700Mpa)ф28mm钢丝绳，负荷小吊篮、4人和两把手风钻进行施工，为避免打钻用的水管、风管意外破裂而影响施工安全，因此将打钻用的水管、风管从井底往上搭接，风水管总重量共计0.75t，卷扬机运料时限载1.0t。（垂直运输设备示意图见图1）
图1 垂直运输设备示意图
2.2.2 工况分析
2.2.2.1系统自重计算
（1）小吊篮理论重量计算
根据设计材料计算小吊篮重量，见表2-1
表2-1 小吊篮理论重量计算表
序号
材料名称
型号
数量
单位
理论重量（kg）
1
钢板
8mm
3
m 2
188.4
2
钢板骨架
Φ25
20.28
m
78.2
3
钢筋
Φ14
34.6
m
41.8
4
钢筋
Φ25
25.8
m
99.49
合计： 407.94kg
本垂直运输系统受力计算书中，取小吊篮重量420kg。
（2）钢丝绳重计算
查《简明施工计算手册》可得，φ28mm钢丝绳重量为274.0kg/100m，这里取最大高度140m计算，得钢丝绳重383.6kg，计算取钢丝绳重400kg。
（3）载重计算
施工荷载：吊篮重量约420kg，施工人员75kg/人，锚杆9kg/根，手风钻28kg/台，小施工机具100kg，打钻风水管750kg。
载重组合计算，见表2-2
表2-2 载重组合分析表
序号
载荷组合
载重
备注
1
10根锚杆
10×9=90kg

2
2部YT-28气腿式凿岩机
28×2=56kg

3
小型机具、钻杆、钻头
100kg

4
吊笼重
420kg

5
1～4部分静荷载重量合计G
6660kg

6
钢丝绳自重
400kg

7
4人
75×4=300kg
限载4人
8
打钻用风水管
750kg
风水管自重及风水重
9
6～8部分动荷载重量合计Q
1450kg

根据荷载组合要求，在施工过程中的荷载重量乘荷载分项系数得：

计算取荷载重量值为2.9t。
2.2.2.2 钢丝绳工况分析及校核
钢丝绳采用φ28.0mm的钢丝绳，查《钢结构工程必备数据一本全》可得φ28.0mm钢丝绳的破断拉力,根据钢丝绳结构取钢丝6×19查得钢丝绳破断拉力换算系数为:a=0.85。
由于是有人员在吊篮中进行施工，根据规范要求，载人条件下，钢丝绳的安全系数为k=14，取安全系数k=14。计算载人时所需要的容许拉力为：

而钢丝绳许用载重为：

故φ28.0mm的钢丝绳满足要求。
2.2.2.3 吊装门架设计及校核
为提高溜渣井施工的安全性，吊装门架按最大荷载设计，即按吊重为钢丝绳极限拉力时进行设计计算；而本计算书将以此时工况进行校核。其中门架采用型钢制作，横梁长6.0m，立柱高5.0m，钢丝绳定滑轮设在门架横梁中部。
(1) 梁的受力分析
设梁中心点受到滑轮两面钢丝绳合力为P1，根据现场实际条件，门架高为5m，钢丝绳导向地滑轮距门架的水平垂直距离为15m，那么有
钢丝绳拉力F=2.9×103×10=29.0kN
钢丝绳夹角a=tan-1（15/5）=63.43°
根据余弦定理可以求得合力P1=49.34kN
（2）横梁的材料选型及力学计算
横梁采用2*[20a槽钢（通过试算法确定，试算过程同下）焊接组合而形成的箱型梁[]200*146*7*11，材料采用Q-235钢，其弹性模量E=210×109 Pa，容许应力[σ]＝140MPa，箱型梁的长度，查五金手册表得此箱型钢截面特性参数为：A1=57.04cm2、G=45.2kg/m、Ix=3529.61cm4、Wx=352.96cm3、tw＝7mm、t=11mm、ix=7.87cm、iy=5.58cm、Sx＝179.49cm3，跨度，材质为Q235，X轴塑性发展系数γx＝1.05，梁的挠度控制[v]：。
1）梁的内力计算
由于吊篮在运行过程中，卷扬机启动瞬间对门架有瞬时冲击作用，根据《起重机设计规范》要求，取起升冲击系数及起升荷载动载系数为之和为1.4，得荷载为:

那么有支座反力及横梁最大弯矩为：
支座反力：
最大弯矩：
2) 梁的强度及刚度验算
根据公式可得
a、弯曲正应力为：

b、两端剪应力为：

c、最大挠度为：

d、相对挠度为：

根据以上计算结果可得：
弯曲正应力
支座最大剪应力
跨中挠度相对值
因此，根据以上计算结果得门架的横梁强度及刚度满足要求。
2.2.2.4 门架立柱的材料力学计算
立柱同样采用2*[20a槽钢焊接组合而成的箱型钢[]200*146*7*11，立柱高度为L=5.0m，查型钢表可得截面面积A=57.04cm2，i=5.58cm。
（1）作用在立柱上的轴心压力
由于是载人施工用，为提高施工过程中的安全性，这里取10倍的安全系数进行计算，则有：

（2）立柱的强度验算
根据轴向受压计算公式：
（ 1 ）
其中：——轴心拉力或轴心压力；
　　　　 ——截面面积；
——轴心受压构件的稳定系数
——Q235钢的抗压强度设计值，。
因为每根钢支撑的长细比：
查规范得构件的稳定系数为：代入（1）式中得

故门架立柱强度满足要求。
3 垂直提升设备安全技术措施
（1）卷扬机垂直运输时，上、下联系采用了明确的信号，这里采用了对讲机、电铃两种方式，并时刻保证施工通讯工具的正常运行。并严格要求卷扬机司机要坚守岗位，严禁非操作人员乱按按纽。
（2）在卷扬机上设置了过电流和失电压等保险装置及可靠的制动系统，设置了防滑装置，防止运行过程中出现过卷、过速；同时还设置了上下限位装置，当吊篮运行至上下极限位置时，垂直运输系统自动断电，有效的保证了垂直运输系统的安全。
（3）在安装调试和维护中，严格检查限位装置是否灵活可靠，设立超载限位器，紧急手动开关，并保证卷扬机卷筒上钢丝绳安全圈，有效安全圈必须在3圈以上。
（4）提升设备在正常使用前进行了静动负荷试验。其中静负荷试验按额定负荷的125%，起升离地面约10cm，持续10分钟结束后检查提升设备正常可靠；动负荷试验按额定负荷重量作反复升降试验，试验后检查提升设备的机械传动部分、电器部分和连接部分都正常可靠。
（5）新安装或经拆检后安装的吊篮，在投入施工前都进行空车试运转数次。
（6）卷扬机操作人员都经过专业训练，负责提升设备的操作、保养和日常维护过程中，严格按照以下要点进行操作：
在每次启动前先检查卷扬机、吊点、吊篮等各部件有无异常现象；机身、井架是否固定牢靠；卷扬机的外露皮带、齿轮等传动滑轮是否符合要求；检查各项制动设备是否灵敏可靠，经检查试转合格后方准操作。
在运行过程中，绝对禁止在超过额定负荷或额定合闸次数的情况下运行
③在钢丝绳上油时，使用硬毛刷或木质小片，严禁直接用手给正在工作的钢丝绳上油；钢丝绳应定期检查断丝情况，断丝数量超过规定数量的要及时更换，防止断绳。为防止运行过程中钢丝绳出现旋转，特将原来的6*19Ф28mm的钢丝绳更改为7*35Ф28mm的钢丝绳，以保证施工过程中施工人员的安全。
不允许同时按下两个使提升设备按相反方向运动的手电门按钮。升降到位并定位后必须把电源的总闸拉开，切断电源。
提升设备应由专人操纵并持证上岗，操作人员应充分掌握安全操作规程，严禁歪拉斜吊。提升设备使用中必须保持足够的润滑油，并保持润滑油的干净，不应含有杂质和污垢。在使用中必须由专门人员定期检查，发现故障及时采取措施，并仔细记录。
调整制动下滑量时，应保证额定载荷下，制动下滑量S≤V/100（V为负载下一分钟内稳定起升的距离）。提升设备不工作时，不允许把重物悬于空中，防止零件产生永久变形。
（7）在卷扬机运输中发生下列情况时，必须立即停机检修：
发现电气设备漏电。
起动器的触点发生火弧或烧毁。
电动机在运行中温升过高或有异常的声音。
电压突然下降。
防护设备脱落。
制动设备失灵或不够灵敏。
（9）卷扬机吊篮停靠时，将吊篮停靠安全闸打开，托住吊笼，确保吊笼不至坠落。
综上所述，根据现场工程实际条件，在充分考虑其安全、经济、可操作性的前提下，通过对调压室竖井溜渣井垂直运输系统钢结构的优化设计，促进了整个竖井溜渣井扩挖工作的安全顺利进行。在此优化设计中，由于考虑到整个门架存在一个水平分力，因此，采用[20a槽钢对门架立柱进行了反向支撑，而整个门架立柱底部最后用C25砼浇筑形成一个长宽高为60cm*60cm*100cm的混凝土基敦，从而保证了立柱及门架的稳定。同时，在实际施工中，对施工吊篮及安全系统进行了设计，此处，也不做陈述。
4结 语
本文根据现场实际条件，对竖井溜渣井垂直运输系统钢结构进行了优化设计，通过对其结构的各项参数进行了分析、计算，介绍了在大直径导井（溜渣井）或小直径竖井开挖过程中吊装系统的稳定计算及施工方法；同时也为以后相似工程的施工提供了一定的参考。

参考文献：
[1]《起重机设计规范》（235 GB/T3811-2008）
[2] 朱国梁等.简明施工计算手册（第三版）.中国建筑工业出版社
[3] 本书编委会.《钢结构工程必备数据一本全》.地震出版社
[4] 刘鸿文.材料力学(第四版)上册.北京：高等教育出版社，2004
[5] 龙驭球，包世华等.结构力学教程(Ⅰ).北京：高等教育出版社，1999

作者简介：
蒲进(1976.2－)，男，渠县，项目总工，工程师，从事施工技术、管理工作。
何杰 (1978.8－)，男，广安，工程师，从事施工技术、管理工作。
唐铭鸿(1983.12－)，男，永州，工学学士，技术员，从事施工技术工作。