過(guò)曾明, 安建英, 杜貴文(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)
礦山硐室常需設(shè)起吊裝置來(lái)滿足設(shè)備的安裝檢修,但由于起吊重量,起吊次數(shù),起吊范圍和硐室所處巖層情況不同導(dǎo)致起吊裝置有不同的選擇和設(shè)計(jì)。礦山硐室常見(jiàn)的起吊裝置有3種:錨桿吊鉤、起吊梁和起重機(jī)。以下就分別介紹這3種起吊裝置的適用情況,設(shè)計(jì)選型以及注意事項(xiàng)。
錨桿吊鉤是礦山硐室起吊裝置中比較簡(jiǎn)易的一種。錨桿吊鉤由外露的吊鉤和錨固段錨桿組成,錨固段錨桿采用水泥砂漿或樹(shù)脂錨固劑錨固[1],待錨桿錨固穩(wěn)定后方可起吊設(shè)備。錨桿吊鉤如圖1所示。
錨桿吊鉤不僅加工簡(jiǎn)單,而且施工操作也比較簡(jiǎn)單。因此錨桿吊鉤在礦山硐室使用較多,但錨桿吊鉤在使用上有一定的約束條件:①要求起吊位置處巖層穩(wěn)定不破碎;②單個(gè)吊鉤起吊重量小于等于5t;③起吊范圍比較窄;④一般適用于臨時(shí)性或使用次數(shù)不多的起吊場(chǎng)所。礦山設(shè)有錨桿吊鉤的硐室有馬頭門(mén)、井底水泵房、排泥硐室和調(diào)車場(chǎng)等。
錨桿吊鉤在滿足以上適用條件的情況下,就可以根據(jù)起吊重量Q和黏結(jié)強(qiáng)度參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),從而確定錨桿吊鉤截面積AS和吊鉤錨固段長(zhǎng)度La[2]。
1)錨桿吊鉤截面積AS確定
查詢《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》,錨桿吊鉤截面積As依據(jù)起吊重量為
圖1 錨桿吊鉤
(1)
式中:As——錨桿吊鉤截面積, mm2;
Nd——錨桿拉力設(shè)計(jì)值, N;
fy——普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值度,N/mm2;當(dāng)為HPB300鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為270N/mm2;當(dāng)為HRB335鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為300N/mm2。
Nd=1.35γwQ
(2)
式中:Nd——錨桿拉力設(shè)計(jì)值, N;
Q——錨桿起吊重量, N;
γw——工作條件系數(shù),一般情況取1.1。
由以上公式計(jì)算確定錨桿吊鉤的直徑和牌號(hào)。
2) 錨桿吊鉤錨固長(zhǎng)度La計(jì)算
查詢《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》,錨桿吊鉤錨固長(zhǎng)度La用以下兩個(gè)公式計(jì)算,取其中的較大者。
(3)
(4)
式中:La——錨固段長(zhǎng)度, mm;
Nd——錨桿拉力設(shè)計(jì)值, N;
fmg——錨固段注漿體與地層間極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa或kPa);
f′mg——錨固段注漿體與鋼筋間極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa或kPa);
D——錨桿錨固段鉆孔直徑,mm;
d——鋼筋直徑,mm;
K——錨固段注漿體與地層間黏結(jié)抗拔安全系數(shù);
ξ——采用2根或2根以上鋼筋時(shí),界面黏結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù),取0.70~0.85;
φ——錨固段長(zhǎng)度對(duì)極限黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù);
n——鋼筋根數(shù)。
由以上公式計(jì)算確定了錨桿吊鉤的錨固長(zhǎng)度,而錨桿吊鉤總長(zhǎng)度L是錨固長(zhǎng)度La加上吊鉤長(zhǎng)度Lb(Lb吊鉤長(zhǎng)度由工藝專業(yè)確定)。
在工程實(shí)際運(yùn)用中,錨桿吊鉤還有如下幾點(diǎn)事項(xiàng)需要注意:
(1)當(dāng)需要在起吊區(qū)域設(shè)置多個(gè)錨桿吊鉤時(shí),應(yīng)合理安排錨桿吊鉤之間的距離:吊鉤布置間距主要受起吊重量和硐室支護(hù)等級(jí)的影響;若起吊重量增大,吊鉤布置間距則應(yīng)適當(dāng)加大;若硐室支護(hù)等級(jí)加強(qiáng),吊鉤布置間距則可適當(dāng)減小[3]。
(2)當(dāng)需要在起吊區(qū)域設(shè)置多個(gè)錨桿吊鉤時(shí),起吊區(qū)域的圍巖等級(jí)應(yīng)為Ⅲ類及以上。
(3)當(dāng)起吊區(qū)域腐蝕性較強(qiáng)時(shí),應(yīng)考慮腐蝕對(duì)吊鉤的影響,設(shè)計(jì)應(yīng)加大安全系數(shù)。
起吊梁是礦山硐室起吊裝置中較簡(jiǎn)易的一種,它可以配合繩索或是電動(dòng)葫蘆起吊設(shè)施裝備。起吊梁采用型鋼梁制作,其梁兩端采用預(yù)埋固定或是懸吊固定;當(dāng)起吊距離較長(zhǎng)時(shí),可在起吊梁中間架設(shè)數(shù)根輔助連接鋼梁來(lái)減小起吊梁的跨度。起吊梁如圖2所示。
圖2 起吊梁
起吊梁在礦山硐室使用較多,有如下優(yōu)點(diǎn):①起吊數(shù)量不受巖層條件影響,起吊點(diǎn)可以靈活布置;②起吊距離比較長(zhǎng);③起吊梁加工安裝比較方便。起吊梁缺點(diǎn):①起吊重量比較小,一般在10t左右;②起吊梁和輔助鋼梁都比較長(zhǎng),坑內(nèi)運(yùn)輸不方便。礦山設(shè)有起吊梁的硐室有卸載硐室、中央水泵房硐室、無(wú)軌維修硐室、有軌維修硐室、皮帶尾部硐室和皮帶頭部硐室等。
起吊梁設(shè)計(jì)需要進(jìn)行如下計(jì)算:①起吊梁的型號(hào)確定,起吊梁的抗彎驗(yàn)算、抗剪驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算[4];②輔助連接鋼梁型號(hào)確定,輔助連接鋼梁的抗彎驗(yàn)算、抗剪驗(yàn)算、撓度驗(yàn)算和端部固定驗(yàn)算(預(yù)埋深度驗(yàn)算);③起吊梁與輔助連接鋼梁連接螺栓的強(qiáng)度驗(yàn)算。
1) 起吊梁設(shè)計(jì)
起吊梁設(shè)計(jì):一般按起吊重量Q作用在最不利位置,L采用最大跨度的數(shù)值Lmax,具體如圖3所示。
圖3 起吊梁計(jì)算簡(jiǎn)圖
(1)起吊梁的型號(hào)確定。
查詢《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》,起吊梁型號(hào)通過(guò)截面抵抗矩Wx來(lái)確定為
(5)
式中:Wx——對(duì)x軸凈截面抵抗矩, mm3;
Q——起吊重量,N;
f——鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2;
Lmax——梁的最大跨度,mm;
α——重要性系數(shù),取1.2;
γG——永久荷載分項(xiàng)系數(shù),取1.2;動(dòng)荷載分項(xiàng)系數(shù),取1.4。
設(shè)計(jì)選取的起吊梁的截面抵抗矩W0應(yīng)大于Wx:考慮井下的腐蝕環(huán)境,起吊梁型號(hào)規(guī)格應(yīng)留有一定的富余系數(shù)。
(2)起吊梁的抗彎,抗剪和撓度驗(yàn)算
①起吊梁抗彎驗(yàn)算
(6)
式中:f——鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2;
σ——起吊梁最大彎矩處的正應(yīng)力,N/mm2;
W0——起吊梁對(duì)x軸凈截面抵抗矩, mm3。
②起吊梁抗剪驗(yàn)算
τ=V×S/(I×tw)≤fv
(7)
式中:fv——鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2;
τ——起吊梁最大剪應(yīng)力,N/mm2;
V——起吊梁的最大剪力,N;
I——起吊梁截面慣性矩, mm4;
S——計(jì)算剪力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩,mm3。
③起吊梁豎向撓度驗(yàn)算
起吊梁的豎向撓度ν,等截面簡(jiǎn)支梁為
(8)
2)輔助連接鋼梁設(shè)計(jì)
輔助連接鋼梁對(duì)起吊梁起到減跨和提高側(cè)向穩(wěn)定性的作用,其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。
(1)輔助連接鋼梁的型號(hào)確定。
查詢《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》,輔助連接鋼梁型號(hào)通過(guò)截面抵抗矩Wx為
(9)
式中:Wx——對(duì)x軸凈截面抵抗矩, mm3;
Mmax——輔助連接鋼梁的最大彎矩,N·mm;
f——鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2。
當(dāng)LX≥LY時(shí),
(10)
輔助連接鋼梁的截面抵抗矩W0應(yīng)大于Wx:考慮井下的腐蝕環(huán)境,輔助連接鋼梁型號(hào)規(guī)格應(yīng)留一定的富余系數(shù)。
(2)輔助連接鋼梁的抗彎、抗剪、撓度驗(yàn)算和端部固定驗(yàn)算。
①輔助連接鋼梁抗彎驗(yàn)算
(11)
式中:f——鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2;
σ——輔助連接鋼梁最大彎矩處的正應(yīng)力,N·m;
W0——輔助連接鋼梁對(duì)x軸凈截面抵抗矩, mm3。
②輔助連接鋼梁抗剪驗(yàn)算
τ=V×S/(I×tw)≤fv
(12)
式中:fv——鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2;
τ——輔助連接鋼梁最大剪應(yīng)力,N/mm2;
V——輔助連接鋼梁的最大剪力,N;
I——輔助連接鋼梁截面慣性矩, mm4;
S——計(jì)算剪力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩,mm3。
③輔助連接鋼梁豎向撓度驗(yàn)算
輔助連接鋼梁的豎向撓度ν,等截面簡(jiǎn)支梁可按式(13)計(jì)算。另L=LX+LY+LZ,當(dāng)LX≥LY時(shí),
(13)
④輔助連接鋼梁端部固定驗(yàn)算
輔助連接鋼梁端部固定驗(yàn)算即要求鋼梁預(yù)埋深度LS≥輔助連接鋼梁的梁高H。
3)連接螺栓設(shè)計(jì)
連接螺栓的直徑根據(jù)起吊梁和輔助連接鋼梁的規(guī)格來(lái)確定:即鋼梁的翼緣開(kāi)孔直徑規(guī)定(取二者中的較小者),得出螺栓直徑為開(kāi)孔直徑-2mm。
在工程實(shí)際運(yùn)用中,起吊梁還有如下幾點(diǎn)事項(xiàng)需要注意:
(1)當(dāng)硐室超挖較多時(shí),會(huì)導(dǎo)致輔助連接鋼梁跨度加大,則起吊系統(tǒng)的安全性降低。出現(xiàn)以上情況時(shí),可以加大輔助連接鋼梁型號(hào),也可以采用錨桿懸吊來(lái)減跨。
(2)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)采用托架固定輔助鋼梁兩端時(shí),須嚴(yán)格驗(yàn)算托架的強(qiáng)度和穩(wěn)定,以及驗(yàn)算錨桿的抗剪和抗拔。
起重機(jī)是礦山硐室起吊裝置中比較復(fù)雜的一種。它有專門(mén)的起吊裝備(由廠家生產(chǎn)供應(yīng))和一系列配套設(shè)施,如吊車梁,車檔,軌道和牛腿立柱等。廠家根據(jù)起吊重量和跨度生產(chǎn)起重機(jī)裝備,而配套設(shè)施則根據(jù)相關(guān)的裝備參數(shù)和起吊重量來(lái)設(shè)計(jì)。起重機(jī)如圖4所示。
圖4 起重機(jī)
在礦山硐室內(nèi),起重機(jī)主要用于大型裝備的安裝和檢修。它有以下優(yōu)點(diǎn):①起吊重量大,大鉤能起吊5~50t,小鉤能起吊10t及其以下重量;②起吊范圍比較大,可以在兩個(gè)方向上移動(dòng);③起吊設(shè)備比較平穩(wěn)安全。起重機(jī)的缺點(diǎn):①安裝比較復(fù)雜;②工程造價(jià)比前二者高很多;③起重機(jī)運(yùn)行的硐室尺寸要求大,造成硐室開(kāi)挖和支護(hù)成本高,難度大。礦山設(shè)有起重機(jī)的硐室有破碎硐室、卷?yè)P(yáng)機(jī)硐室和天輪硐室等。
起重機(jī)設(shè)計(jì)主要集中于吊車梁、運(yùn)行軌道、牛腿和車檔的設(shè)計(jì),其中吊車梁、運(yùn)行軌道和車檔可根據(jù)《鋼吊車梁》集中吊車梁選用表來(lái)選取設(shè)計(jì);牛腿可根據(jù)設(shè)計(jì)的外載荷和相關(guān)參數(shù),查看《新編混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的牛腿配筋表來(lái)設(shè)計(jì)[5]。
在工程實(shí)際運(yùn)用中,起重機(jī)還有以下幾點(diǎn)事項(xiàng)需要注意:
(1)在滿足起重機(jī)使用的前提下,應(yīng)保證硐室壁與起重機(jī)的最小間距符合安全規(guī)程,特別需要核實(shí)硐室高度。如果硐室高度不夠,會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)移動(dòng)區(qū)域受限,最終無(wú)法滿足安裝檢修的需求。
(2)當(dāng)起重機(jī)硐室采用噴錨網(wǎng)支護(hù)時(shí),牛腿與立柱應(yīng)采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鋼牛腿立柱設(shè)計(jì)除了應(yīng)考慮立柱強(qiáng)度、穩(wěn)定性外,還應(yīng)考慮立柱間的穩(wěn)定連接,立柱和硐室直墻、底板的連接。
本文介紹了3種常見(jiàn)礦山硐室的起吊裝置:錨桿吊鉤、起吊梁和起重機(jī),并列出其適用情況和優(yōu)缺點(diǎn),最后詳細(xì)分析了起吊裝置選取設(shè)計(jì)以及注意事項(xiàng)。本文對(duì)礦山硐室有類似起吊裝置的選取設(shè)計(jì)有一定借鑒意義。