礦山鋼井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題研究

王 琨，耿 璐

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

礦山開采使用的鋼井架是在開采過程中的一項(xiàng)至關(guān)重要的設(shè)施，為了保證鋼井架的穩(wěn)定性和安全性，需要科學(xué)合理地完成鋼井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。鋼井架較其他材料來說主要有以下幾個(gè)明顯的特點(diǎn)：抗震強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作、使用周期長等，可以廣泛應(yīng)用在礦山的開采工程中。由于鋼井架結(jié)構(gòu)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、獨(dú)立空間的受力體，在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注鋼井架安裝區(qū)域的周邊環(huán)境，以此考慮鋼井架所承受的適應(yīng)能力，以期設(shè)計(jì)合理的鋼井架來滿足礦山開采的需要[1]。

1 礦山鋼井架結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)

1.1 礦山鋼井架結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)原則

鋼井架作為礦山開采過程中的重要一環(huán)，其結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計(jì)是首當(dāng)其沖需要關(guān)注的重點(diǎn)，主要包括橫向和豎向的布置，要想科學(xué)合理的設(shè)計(jì)好鋼井架結(jié)構(gòu)的布局，主要考慮以下幾個(gè)方面原則：

首先需要注意的是在單斜撐鋼井架中，用于提升鋼絲繩的合力作用線上邊是斜撐平面的中心線，兩條線之間的距離越近越好，以使斜撐柱材料發(fā)揮其最大的受力作用，避免礦山鋼井架產(chǎn)生移動(dòng)。

其次是在提升容器之間預(yù)留出一定的空間來布置礦山鋼井架結(jié)構(gòu)，尤其是在提升容器和平衡錘之間。不僅是應(yīng)用新工藝的需要，也是鋼井架結(jié)構(gòu)受力要求的需要，在礦山鋼井架設(shè)計(jì)中要特別注意。

再次，礦山鋼井架相關(guān)的基礎(chǔ)之間需要預(yù)留一定的空間以避免基礎(chǔ)之間相互干擾，從而有利于鋼井架的穩(wěn)定性和安全性，例如斜撐和提升機(jī)房的基礎(chǔ)等等。

最后礦山鋼井架的施工需要符合相關(guān)規(guī)定的要求，在保證鋼井架的穩(wěn)定性的和安全性的前提下，滿足使用需求，且結(jié)構(gòu)要符合規(guī)定的設(shè)計(jì)要求，立架的平面布置兩端的邊長需要十分之一長的立架高度。在井勁上設(shè)置四柱，避免落在井口的支撐結(jié)構(gòu)框架之上。為了減少兩端的邊長，可以將立架的水平構(gòu)件同時(shí)設(shè)計(jì)成罐道梁和托罐梁。

1.2 礦山鋼井架結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)

1.2.1 斜架布置

斜架布置在礦山鋼井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要，關(guān)系到鋼井架的安全性和穩(wěn)定性。斜架的布置能夠?qū)︿摻z繩產(chǎn)生有力的支撐作用，同時(shí)也承載著來自鋼井架結(jié)構(gòu)本身所帶來的荷載，如風(fēng)和地震等水平荷載，斜架支撐能夠保護(hù)鋼井架結(jié)構(gòu)，其三角構(gòu)架能夠提高鋼井架的穩(wěn)定性，防止鋼井架傾斜和倒覆。一般情況下，在礦山鋼井架的設(shè)計(jì)和施工過程中，斜架的中心軸線很難重合于綜合力作用線，但是需要注意的是主斜架的中心軸線很容易就重合于受力大的一對(duì)四米天輪的提升鋼絲繩合力中心線，這一對(duì)距離斜架中心較遠(yuǎn)的天輪受力小，斜架的斷面很難增大，這樣就能使斜架的軸線重合于鋼井架的總合力作用線。

1.2.2 立架布置

礦山鋼井架的立架是一個(gè)空間范圍的結(jié)構(gòu)，由四片桁架構(gòu)成。除了水平方向的風(fēng)荷載、地震荷載外，支架還承受著來自多個(gè)結(jié)構(gòu)的荷載，如斜撐、提升容器以及平衡錘等，這就導(dǎo)致支架需要多個(gè)輔助結(jié)構(gòu)來共同承載來自不同結(jié)構(gòu)的荷載。立架的整體強(qiáng)度由其平面尺寸所決定。立架兩端的長度要大于十分之一的立架高度，以保證鋼井架的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)位移的現(xiàn)象，在井勁上設(shè)置四柱，避免落在井口的支撐結(jié)構(gòu)框架之上。立架在實(shí)際工作中能夠使鋼井架在受到拉力之后發(fā)揮其剛強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，使立架柱斷面尺寸能夠減小，減少鋼材料的使用，從而降低造價(jià)成本[2]。

1.2.3 構(gòu)件截面布置

礦山鋼井架合理布置其構(gòu)件能夠最大程度上避免井架的位移，不合理的構(gòu)件設(shè)計(jì)和布局，或者構(gòu)件遭到一定的破壞或剛度減弱，就會(huì)破壞到井架整體的穩(wěn)定性，增加井架位移的風(fēng)險(xiǎn)和程度，最終導(dǎo)致倒塌。因此需要仔細(xì)計(jì)算和檢查構(gòu)件截面，根據(jù)各個(gè)構(gòu)件受力情況，選擇合適的構(gòu)件結(jié)構(gòu)、厚度、尺寸和加勁肋等，確定科學(xué)合理的構(gòu)件截面布置，提高礦山鋼井架的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2 荷載及荷載效應(yīng)組合

鋼井架所承受的荷載主要有三種：永久性荷載、可變荷載以及偶然荷載。這三種荷載根據(jù)其自身的特性進(jìn)行分類，自重即永久性荷載，人為操作及風(fēng)力等為可變荷載，突發(fā)事件及地震等自然災(zāi)害為偶然荷載。當(dāng)各類荷載同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，需要進(jìn)行礦山鋼井架結(jié)構(gòu)上的荷載效應(yīng)組合以應(yīng)對(duì)來自各種情況下要承受的總荷載。

通過計(jì)算各種組合主要包括上、下組天輪斷繩荷載和上、下組天輪工作荷載等的工作情況來保證礦山鋼井架的穩(wěn)定性，并且通過各項(xiàng)檢驗(yàn)和復(fù)查來確保其剛度和強(qiáng)度，以滿足在滿載或空載的情況下依舊能夠保障鋼井架的安全性。

在荷載計(jì)算中還要注意以下幾種荷載所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)，如托罐梁荷載、緩沖器裝置荷載、防墜器荷載、天輪桁架及橫梁荷載等。運(yùn)用空間分析法對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋼井架進(jìn)行荷載的分析和計(jì)算，可以將多繩提升鋼井架分解成三個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載計(jì)算：承擔(dān)提升荷載的正面桁架、可將正面桁架連成整體的側(cè)面桁架以及承載其他荷載的斜撐結(jié)構(gòu)。

3 鋼井架結(jié)構(gòu)計(jì)算

按照鋼井架結(jié)構(gòu)安全等級(jí)來說，一般情況下分為兩級(jí)，對(duì)其進(jìn)行極限狀態(tài)下的承載力計(jì)算時(shí)需要注意對(duì)其結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，防止出現(xiàn)位移和傾覆，對(duì)于易產(chǎn)生變形的結(jié)構(gòu)還要注意變形量的預(yù)估和驗(yàn)算。一般來說，運(yùn)用彈性理論來分析鋼井架的結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)是常用的手段。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的平面桁架空間鋼結(jié)構(gòu)，需要采用空間分析法來計(jì)算荷載效應(yīng)，對(duì)于鋼井架的整體結(jié)構(gòu)的分析和計(jì)算一般采用邁達(dá)斯系列的結(jié)構(gòu)分析方法和手段[3-5]。

針對(duì)布局合理、有規(guī)則的礦山鋼井架，在荷載效應(yīng)計(jì)算時(shí)可以將井架拆分成幾個(gè)平面構(gòu)架和桁架來方便分析和數(shù)據(jù)采集。單繩和多繩提升鋼井架可以分解成三個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載計(jì)算：承擔(dān)提升荷載的正面桁架、可將正面桁架連成整體的側(cè)面桁架以及承載其他荷載的斜撐結(jié)構(gòu)。單繩提升鋼井架的荷載的傳遞途徑是上部天輪桁架將力傳遞給鋼井架分解的三個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，最后利用PKPM計(jì)算軟件對(duì)STS模塊進(jìn)行分析和計(jì)算天輪桁架、頭部桁架、正面桁架、側(cè)面桁架及斜撐所承載的荷載。

4 斜架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

斜架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的計(jì)算有三個(gè)方面的內(nèi)容：基礎(chǔ)承載能力、基礎(chǔ)抗滑移、錨栓，使用CAD進(jìn)行空間建模，保證斜架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。為確保礦山鋼井架的穩(wěn)定性，多使用拉設(shè)纜風(fēng)繩的方法來連接地錨，在水平方向上對(duì)稱分布，使地面與纜風(fēng)繩在一定范圍內(nèi)形成合適的夾角以保證地錨的強(qiáng)度。目前有兩種可以解決斜撐柱基礎(chǔ)位移的方法，一種與防止擋土墻位移的原理相似，是將斜撐柱改造成斜面狀態(tài)的基礎(chǔ)地面，另一種是用抗壓地梁將提升基礎(chǔ)與斜撐柱基礎(chǔ)連接在一起，使水平方向上的推力中和，以防止斜撐柱基礎(chǔ)的滑移問題[6]。

在進(jìn)行斜架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)井架斜撐與基礎(chǔ)的連接應(yīng)為鉸接，斜撐牛腿采用弧形支座，支座可采用45號(hào)高強(qiáng)鋼制作。基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C30，二次澆灌層如果采用細(xì)石混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不得低于基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)。斜撐基礎(chǔ)頂面宜配置不少于兩層層距100mm的鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑不應(yīng)小于8mm，間距不應(yīng)大于200mm。斜撐基礎(chǔ)沿錐面四周宜配置一層鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑不應(yīng)小于8mm，間距不應(yīng)大于300mm。除此之外，井架斜撐基礎(chǔ)還應(yīng)設(shè)置沉降變形觀測(cè)點(diǎn)。

5 結(jié)語

綜上，鋼井架作為礦山開采主要的建筑構(gòu)造物，對(duì)礦山的生產(chǎn)開采起著至關(guān)重要的作用。筆者對(duì)礦山鋼井架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問題進(jìn)行了梳理總結(jié)和分析，在以后的設(shè)計(jì)過程中，要不斷總結(jié)和創(chuàng)新，為礦山開采提供有力的保障。