鋼結(jié)構(gòu)提升井塔體系的探討

劉彥東，王志杰，劉 兵，張振宇

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450000)

礦井立井提升構(gòu)筑物常采用井架或井塔?？紤]寒冷、鋼絲繩防滑等因素，在寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)一般采用井塔提升，更有利于提升系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。煤炭行業(yè)的井塔據(jù)統(tǒng)計(jì)約占整個(gè)礦山提升井塔數(shù)量的三分之二[1]，而且隨著資源開采向深部發(fā)展、單井規(guī)模越來越大，大型井塔得到了廣泛應(yīng)用。

目前已建成的大型井塔多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，其剛度大、承載力較高，可以較好的滿足礦山生產(chǎn)的使用要求，但是存在自重大、現(xiàn)場混凝土澆筑濕作業(yè)量大、施工周期長、占用井口時(shí)間長等缺點(diǎn)，成為制約礦井地面建筑施工的關(guān)鍵工程。鋼結(jié)構(gòu)井塔具有建設(shè)周期短、自重小、更容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和裝配式施工，具有很好的抗震性能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)壽命期后絕大部分可回收的綠色建筑目標(biāo)，具有良好的應(yīng)用前景。我國目前高層鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在建筑領(lǐng)域，大型高層工業(yè)建筑鮮有應(yīng)用，而礦井提升井塔又有與高層民用建筑顯著不同的使用功能和受力特點(diǎn)，本文結(jié)合井塔的工藝、受力等特點(diǎn)探討了鋼結(jié)構(gòu)井塔的結(jié)構(gòu)體系。

1 礦山提升井塔的使用功能和結(jié)構(gòu)特征

1.1 提升井塔的功能特點(diǎn)

井塔按照提升功能可分為主井井塔和副井井塔。主井井塔的主要功能為利用箕斗提升物料，可分為下部、塔身和上部三部分，在井塔的下部布置有料倉和運(yùn)輸系統(tǒng)，在井塔的上部大廳層布置提升機(jī)、減速器、電動機(jī)和操作室，大廳層上布置供安裝和檢修的起重機(jī)，大廳層下布置導(dǎo)向輪，塔身有一層為提升容器的防撞系統(tǒng)，其余各層可布置配電、通風(fēng)等設(shè)備[2-4]。副井的主要功能為利用罐籠升降人員及運(yùn)送材料設(shè)備，與主井不同的地方是下部沒有料倉和運(yùn)輸系統(tǒng)，但在首層應(yīng)考慮人員上、下罐籠的路線，運(yùn)輸設(shè)備材料的進(jìn)車和出車，還要設(shè)置視眼良好的信號室[5，6]。

1.2 提升井塔的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)

井塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)與礦井生產(chǎn)服務(wù)年限相適應(yīng)，井塔擔(dān)負(fù)著物料提升、升降人員和運(yùn)送材料設(shè)備，是礦井生產(chǎn)的重要構(gòu)筑物，井塔結(jié)構(gòu)安全等級為一級，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類[7]。

井塔除工作荷載外還要承受較大的偶然荷載：斷繩荷載、防墜器制動荷載、過卷荷載和托罐荷載。其中斷繩荷載是提升容器全速的提升過程中，意外地受到包括罐道、罐道梁或井壁等不正常結(jié)構(gòu)突出的某種阻礙，而使提升容器突然卡住，或者由于操作失誤和電控失靈，引起容器過卷而被楔形罐道和防撞梁卡住，而提升機(jī)仍繼續(xù)向上提升容器，導(dǎo)致一側(cè)提升鋼絲繩全部被拉斷[8]。

井塔的主要荷載集中在提升大廳層、導(dǎo)向輪層和防撞梁層，且層高由工藝確定，層高差異較大，其他樓層設(shè)備少，荷載小，使得豎向剛度分布不均勻。

井塔平面布置受限制因素多，首層的布置主要受井筒大小的影響，采用凍結(jié)法施工井壁時(shí)，還要考慮凍結(jié)管的布置，副井要求信號室的視線無遮擋，主井運(yùn)輸物流的出口不宜布置在井塔的角部(一般有剪力墻，減小對剪力墻開洞的削弱)，塔身各層有垂直吊裝孔和垂直罐道孔留洞，大廳層有摩擦輪和電機(jī)等，荷載較大，盡可能使得主受力梁傳力直接簡單。

井塔大廳層以上內(nèi)柱不能伸上去，為排架結(jié)構(gòu)，層高約為15～18m，剛度減小明顯，并要布置70～100t起重機(jī)一臺，受力較大。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)提升井塔的特點(diǎn)

鋼筋混凝土井塔的中間內(nèi)柱承受主要的豎向荷載，周邊結(jié)構(gòu)以自重為主，豎向受力差異較大，水平剪力滯后現(xiàn)象嚴(yán)重。作為高層結(jié)構(gòu)的多道抗震設(shè)防基本以外筒構(gòu)件為主，中間柱數(shù)量較少，層高很高，幾乎無法提供主體結(jié)構(gòu)剛度退化后的抗側(cè)要求。鋼結(jié)構(gòu)井塔主要通過柱及支撐提供抗側(cè)力剛度、傳遞水平荷載，具有良好的抗震性能。

鋼筋混凝土井塔的自重較大，結(jié)構(gòu)材料承擔(dān)了較多的自重荷載，鋼結(jié)構(gòu)井塔能夠大大降低井塔的自重，可以充分發(fā)揮材料的特性[9-11]。鋼材在工廠加工，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場快速拼裝，減少了占用井口的時(shí)間，加快了井塔施工周期。鋼結(jié)構(gòu)承載力高，更容易實(shí)現(xiàn)大空間、大跨度的布置。鋼結(jié)構(gòu)井塔減小現(xiàn)場混凝土澆筑濕作業(yè)量，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色、裝配式發(fā)展。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于自身剛度很大，可通過一些概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造來滿足設(shè)備振動的影響。但鋼結(jié)構(gòu)井塔的設(shè)計(jì)必須考慮設(shè)備振動的影響和受工藝要求的水平位移限值。

2 鋼結(jié)構(gòu)提升井塔體系選擇

巴拉素礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.00Mt/a，位于陜西省榆林市，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。副立井井塔結(jié)構(gòu)型式采用鋼筋混凝土外箱內(nèi)框結(jié)構(gòu)，總軸網(wǎng)尺寸為24.5m×25m，總高度68m，井筒內(nèi)徑10.5m，提升大廳層標(biāo)高50.7m，設(shè)直徑6.0m和直徑2.0m的兩臺多繩摩擦輪提升機(jī)，提升機(jī)大廳上設(shè)一臺75/20t的起重機(jī)，軌面標(biāo)高55m，該井塔為較為典型的大型煤礦副立井井塔。本文以巴拉素副立井井塔為參考對象，研究鋼結(jié)構(gòu)井塔的體系。

鋼結(jié)構(gòu)井塔的結(jié)構(gòu)體系首先要滿足工藝和功能要求、其次要充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的自身優(yōu)勢，本文探索性的提出了三種結(jié)構(gòu)體系：鋼框架-支撐體系、巨型鋼框架體系、桁架筒體體系。

2.1 鋼框架-支撐體系

柱網(wǎng)布置結(jié)合鋼筋混凝土外箱內(nèi)框結(jié)構(gòu)，柱子布置避開井筒位置、提升孔和罐道留洞，并盡可能使得提升機(jī)主梁跨度小，傳力簡單直接，X、Y向軸網(wǎng)尺寸約為6m、12m、6m。

支撐布置在四個(gè)角部，并根據(jù)計(jì)算需要可在外框中部設(shè)置支撐，如圖1所示。豎向樓層高度首先滿足工藝要求，塔身空層可結(jié)合上下樓層的剛度，控制在8m左右。梁基本上以實(shí)腹式梁為主，提升機(jī)大梁由于受力較大，可采用桁架體系。鋼結(jié)構(gòu)井塔的樓板宜采用組合樓板，鋼梁上翼緣表面設(shè)置抗剪健，并在樓板內(nèi)增設(shè)水平支撐，可有效傳遞樓層水平剪力(其余兩種體系與此相同)。鋼結(jié)構(gòu)主井井塔的煤倉設(shè)置成落地式，減少對主體結(jié)構(gòu)的影響(其余兩種體系與此相同)。

圖1 鋼框架-支撐體系平面圖(mm)

該體系平面布置規(guī)則，受力簡單明確，由框架部分的內(nèi)柱承擔(dān)主要豎向荷載，由支撐部分抵抗水平荷載，提供抗側(cè)剛度，減小水平位移和扭轉(zhuǎn)[12]。該體系的問題有：①考慮各層框架柱承受的總地震剪力不應(yīng)小于井塔底層總地震剪力的25%和框架部分計(jì)算最大層剪力的1.8倍二者的較小值[7]，進(jìn)一步增大中柱的截面，但由于剪力滯后的問題，中柱的抗剪能力發(fā)揮不充分；②周圈框架柱軸力較小，截面的強(qiáng)度發(fā)揮不充分。

2.2 巨型鋼框架體系

在鋼框架-支撐體系的基礎(chǔ)上縮小角部四柱之間的間距，使得一側(cè)可布置吊裝孔，一側(cè)電機(jī)留洞處框架梁貫通，并結(jié)合樓、電梯間的布置，X、Y向軸網(wǎng)尺寸約為4m、16m、4m。每個(gè)角部的四柱間用支撐連接，形成一個(gè)巨型框架柱，如圖2所示。

圖2 巨型鋼框架體系平面圖(mm)

四個(gè)巨型框架柱通過設(shè)置一定數(shù)量的巨型梁形成巨型框架體系。巨型梁可根據(jù)受力特點(diǎn)和豎向剛度的連續(xù)性布置在防撞梁層、大廳層、頂層，可采用桁架梁體系。豎向樓層高度只滿足工藝要求，可以不設(shè)置空層。

該體系平面布置可根據(jù)工藝需要靈活布置，基本上不受井筒、罐道孔留洞、提升機(jī)主梁布置的影響。該體系傳力明確，巨型框架柱、巨型梁為主要的承重體系和抗側(cè)力體系，剛度大，整體性能良好，其余常規(guī)構(gòu)件起輔助作用和大震下的耗能作用[13]。

該體系問題：四個(gè)矩形柱內(nèi)的空間受限且要布置支撐，不便于利用，可根據(jù)實(shí)際情況布置樓梯間、電梯間、管道井等。

2.3 桁架筒體體系

在井塔四周設(shè)八個(gè)格構(gòu)柱，周圈設(shè)支撐斜桿，支撐斜桿跨越井塔一個(gè)面的邊長，兩個(gè)面的支撐斜桿相交于角柱上，形成八面體巨型桁架筒體結(jié)構(gòu)。該體系中間可不設(shè)內(nèi)柱，僅考慮罐道留洞不影響主梁的貫通，X、Y向軸網(wǎng)尺寸約為7m、10m、7m，如圖3所示。節(jié)間高度可根據(jù)工藝要求并結(jié)合支撐角度確定，如圖4所示。梁可布置雙向桁架井字梁，結(jié)合樓層高度，桁架梁上、下弦布置樓層。也可布置交錯(cuò)桁架梁，相鄰兩層一層布置X向桁架梁，另一層布置Y向桁架梁。

圖3 桁架筒體體系平面圖(mm)

圖4 桁架筒體體系立面圖(mm)

該體系可實(shí)現(xiàn)與井筒的同時(shí)施工，加快建井周期，布置進(jìn)一步釋放受限制條件，不受井筒大小、吊裝孔等因素的影響，平面可實(shí)現(xiàn)最大化的靈活布置，立面造型也更加美觀。八面形桁架筒體體系是巨型桁架體系的型式之一，將水平側(cè)力轉(zhuǎn)化成桿件的軸向力向下傳遞，充分利用桿件的軸向剛度遠(yuǎn)大于剪彎剛度的優(yōu)點(diǎn)，形成了極為有效的抗側(cè)力體系[14，15]，應(yīng)用在井塔結(jié)構(gòu)中，既能解決井塔的功能要求，又能充分發(fā)揮桁架筒體體系的特點(diǎn)。

該體系包括：由于大廳層上要布置起重機(jī)，需要將角部懸挑，井塔外輪廓形成矩形截面；梁的跨度大，需要布置桁架梁，對工藝布置、通道、門的留設(shè)有一定的影響。

3 鋼框架-支撐體系的計(jì)算分析

鋼框架-支撐體系與鋼筋混凝土外箱內(nèi)框結(jié)構(gòu)布置較為接近，且梁跨度較小，實(shí)施難度最小，本文以巴拉素副立井井塔為參考對象，進(jìn)行鋼框架-支撐副立井井塔的計(jì)算分析。

3.1 結(jié)構(gòu)布置及荷載取值

平面X向軸網(wǎng)尺寸取7m、11m、7m，Y向軸網(wǎng)尺寸取7m、13m、5m，中柱截面取□1000mm×1000mm×30mm×30mm，邊柱截面取□700mm×1000mm×30mm×30mm，角柱截面取□600mm×600mm×15mm×15mm，典型樓層的平面布置如圖5所示。豎向樓層布置未考慮夾層，在標(biāo)高15.5m、24m(防撞梁層)、33m(導(dǎo)向輪層)、42m(設(shè)備層)、51m(提升大廳層)、68m(頂層)設(shè)置樓層，如圖6、圖7所示。

井塔結(jié)構(gòu)荷載有永久荷載、可變荷載、偶然荷載和地震作用，荷載取值根據(jù)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行取值和計(jì)算。

圖5 典型樓層平面圖(mm)

圖6 A、D軸立面圖(m)

圖7 B、C軸立面圖(m)

3.2 計(jì)算分析

主體受力構(gòu)件選用Q345鋼，通過SAP2000有限元軟件對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析計(jì)算，得出周期與質(zhì)量參與系數(shù)見表1，前6階振型如圖8所示。結(jié)構(gòu)第一、二、四、五振型為平動，第三、六振型為扭轉(zhuǎn)，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值為0.605。

正常工作荷載作用下X方向的最大層間位移角為1/2163，Y向的最大層間位移角為1/840。在地震荷載作用下，X方向的最大層間位移角為1/3462，Y向的最大層間位移角為1/3158。

A軸、B軸立面結(jié)構(gòu)應(yīng)力比如圖9、圖10所示。結(jié)構(gòu)的邊柱、角柱的應(yīng)力比較小，在0.5～0.7之間，中柱的應(yīng)力比稍大，在0.5～0.9之間，柱截面選型合理，滿足要求。整個(gè)結(jié)構(gòu)的用鋼量約為1470t。

表1 周期與質(zhì)量參與系數(shù)表

圖8 前六階振型圖

圖9 A軸立面應(yīng)力比

圖10 B軸立面應(yīng)力比

通過計(jì)算分析，鋼框架—支撐井塔各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，有較高的承載力、抗側(cè)力剛度大、整體性能良好。

4 結(jié) 語

相比較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)井塔，鋼結(jié)構(gòu)井塔有減輕自重、縮短施工周期、更加綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但由于沒有具體工程實(shí)例，阻礙了鋼結(jié)構(gòu)井塔的發(fā)展。本文從提出了幾種鋼結(jié)構(gòu)井塔體系，并對鋼框架-支撐體系進(jìn)行了計(jì)算分析，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，為今后鋼結(jié)構(gòu)井塔的設(shè)計(jì)提供參考。

由于井塔屬于礦山生產(chǎn)的重要構(gòu)筑物，高度及層高較高，跨度較大，荷載較大，不同于一般高層民用建筑，對于梁、柱的選型、支撐的布置、連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、設(shè)備振動的影響、工藝要求的水平位移限值等問題還需要進(jìn)一步的研究。