ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓抗拉試驗(yàn)安全值的確定

費(fèi)萬堂,關(guān)景明,劉林元,常世舉

(1.河北豐寧抽水蓄能有限公司,河北承德067000；2.中國水利水電第一工程局有限公司,吉林長春130000；3.中國水利水電第三工程局有限公司,陜西西安710000；4.河南天池抽水蓄能有限公司,河南南陽473000)

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ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓抗拉試驗(yàn)安全值的確定

費(fèi)萬堂1,關(guān)景明2,劉林元3,常世舉4

(1.河北豐寧抽水蓄能有限公司,河北承德067000；2.中國水利水電第一工程局有限公司,吉林長春130000；3.中國水利水電第三工程局有限公司,陜西西安710000；4.河南天池抽水蓄能有限公司,河南南陽473000)

摘要：膨脹螺栓是ALIMAK爬罐安全運(yùn)行的重要承載力構(gòu)件。以豐寧抽水蓄能電站引水系統(tǒng)1號上斜井ALIMAK STH-5D爬罐施工為研究對象,運(yùn)用相關(guān)力學(xué)知識對軌道膨脹螺栓進(jìn)行抗拉理論計(jì)算,確定了爬罐軌道膨脹螺栓抗拉承載力的允許值,并經(jīng)過實(shí)際拉拔破壞試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,為爬罐螺栓抗拉試驗(yàn)安全值的選定提供了可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ALIMAK爬罐；斜井開挖；膨脹螺栓；拉拔試驗(yàn)

0引言

阿里瑪克(ALIMAK)爬罐由瑞典ALIMAK公司于19世紀(jì)70年代初設(shè)計(jì)生產(chǎn),80年代引進(jìn)中國。最早在礦業(yè)和水電站斜井開挖中使用。近20年來,隨著我國水電建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展,特別是抽水蓄能電站的興起,ALIMAK爬罐在水電站陡傾角、長斜井反導(dǎo)井施工中廣泛應(yīng)用。

過去,當(dāng)爬罐安裝、調(diào)試完成后,在投入運(yùn)行之前,一般情況下要做機(jī)械性能、安全制動等試驗(yàn)。由于ALIMAK爬罐是正規(guī)施工設(shè)備,并且在國內(nèi)外已使用數(shù)十年,因此,對ALIMAK爬罐的其他安全性試驗(yàn)是否該做很少有人考慮。隨著社會的不斷進(jìn)步和以人為本思想的深入人心,政府、企業(yè)、個人乃至整個社會安全意識的不斷增強(qiáng),近年來,一些抽水蓄能電站的建設(shè)方,要求對爬罐軌道膨脹鏍栓進(jìn)行安全性抗拉試驗(yàn)。但是,由于ALIMAK爬罐生產(chǎn)廠家沒有給出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),在國內(nèi)也找不到相關(guān)依據(jù),抗拉試驗(yàn)安全標(biāo)準(zhǔn)值的確定成為急需解決的問題。

本文運(yùn)用相關(guān)力學(xué)知識,通過對ALIMAK爬罐軌道膨脹鏍栓(也稱為“吊桿”)進(jìn)行受力計(jì)算分析,經(jīng)豐寧抽水蓄能電站現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證,最終確定了ALIMAK爬罐軌道膨脹鏍栓的抗拉試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)安全建議值。經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)確認(rèn)后,可在工程實(shí)踐中推廣使用。

1爬罐結(jié)構(gòu)組成及技術(shù)參數(shù)

ALIMAKSTH-5D爬罐系統(tǒng)主要由平臺、主罐和副罐構(gòu)成。主罐頂部有一2.4m×2.4m的操作平臺,人員在平臺上完成鉆孔、填藥、接軌、清撬等操作,最大載荷為5 000kN；副罐具有為主罐提供救援、維修、人員及材料運(yùn)輸?shù)裙δ?最大載荷為3 500kN；主副罐共用1條軌道,各自獨(dú)立運(yùn)行。爬罐上由齒輪沿軌道的齒槽爬升或下降,主罐共有890、430、1 510、430、1 040、730mm6組車輪輪距7個輪子。

2軌道及膨脹螺栓相關(guān)參數(shù)

爬罐軌道分通用軌和加強(qiáng)軌兩種。通用軌有2m和1m長兩個尺寸,可根據(jù)開挖進(jìn)尺選擇使用。沿軌道上部縱向排列4根φ40mm鋼管,作為布設(shè)風(fēng)、水以及通訊線路的通道。在安裝時,通用軌道每鋪設(shè)50m,安裝1根加強(qiáng)軌,特殊情況可適當(dāng)加密加強(qiáng)軌的數(shù)量。加強(qiáng)軌單根長2m,設(shè)計(jì)有4組8個螺栓孔,可視情況選擇膨脹螺栓安裝數(shù)量,最多可安裝8根。每根通用軌道單側(cè)端頭設(shè)計(jì)有一組兩個螺栓孔,用于膨脹螺栓安裝,兩節(jié)軌道間由對接螺栓把合。軌道膨脹螺栓內(nèi)徑20mm,外徑30mm,分0.8、1.2、1.5m長3種,可根據(jù)圍巖和超欠挖情況選擇安裝長度。

3受力分析及研究思路

主罐為爬罐系統(tǒng)的最大載荷構(gòu)件,因此,在研究時,只考慮主罐在滿荷載狀態(tài)下對軌道膨脹螺栓的影響。副罐不在研究范圍之內(nèi)。在斜井反導(dǎo)井施工中,爬罐一般只有平段、斜段、彎段3種運(yùn)行狀態(tài)。對于軌道膨脹螺栓,當(dāng)爬罐處于平段時抗拉力呈最大。因此,只選取此種最不利狀態(tài)進(jìn)行研究。

爬罐平均運(yùn)行速度為20cm/s,當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到90cm/s時,隨車保護(hù)裝置啟動,剎車報死,緊急制動時間1.00s。在計(jì)算分析時,緊急制動時所形成沖量的影響可忽略不計(jì)。對比通用軌和加強(qiáng)軌的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),就軌道膨脹螺栓而言,連接2m長通用軌道的膨脹螺栓受力更大。因此,本文以此種狀態(tài)的膨脹螺栓為研究對象。

爬罐在斜段下行末端發(fā)生緊急制動時,軌道膨脹螺栓承受剪力最大。在水電工程中,斜井設(shè)計(jì)傾角一般都小于65°,爬罐在斜井中運(yùn)行時,軌道膨脹螺栓受拉力、剪力共同作用。考慮爬罐所配膨脹螺栓的材質(zhì)、直徑和膨脹鏍栓組在一定范圍內(nèi)聯(lián)合受力。因此,軌道膨脹螺栓抗剪不在研究之內(nèi)。

4分析方法與荷載施加

4.1模型簡化和分析方法

在對爬罐軌道螺栓受力分析時,需對分析目標(biāo)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的合理簡化。根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的一般原則,可基于以下基本假設(shè)：①軌道材料均為線彈性材料,結(jié)構(gòu)變形遠(yuǎn)小于其橫斷面尺寸；②軌道結(jié)構(gòu)不受溫度影響；③由于爬罐行走速度很慢,分析時可以用靜態(tài)的方法來近似代替。

4.2軌道載荷施加

抗拉計(jì)算時,柴油液壓動力組件、打鉆平臺、載人(物)組件間為非剛性連接,分別作為獨(dú)立荷載考慮。根據(jù)車輪數(shù)按7個集中力來計(jì)算得到：P1=7kN,P2=P3=P4=P5=4.825kN,P6=2.15kN,P7=6.14kN。軌道自重作為均布荷載考慮，即0.44kN/m。計(jì)算簡圖見圖1。

圖1　軌道簡化受力示意(單位：mm)

5抗拉承載力計(jì)算

5.1直線軌道動靜態(tài)工況受拉計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式與荷載特性,采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的影響線方法計(jì)算。以B吊桿為例(如圖2),采用將輪2、輪3、輪4、輪5分別放在B支座位置4種工況,能使車輪數(shù)最大化的放置在AB,BC兩段。此時吊桿B受力最大。

圖2　B吊桿與B支座位置

其中吊桿B的拉力影響線如圖3所示。將輪2、輪3、輪4、輪5分別放在B支座位置時的拉力影響線如圖4所示。

圖3　吊桿B的拉力影響線

圖4　車輪位于B位置時的影響線

根據(jù)本工程案例的受力特點(diǎn)及受力情況,在研究爬罐螺栓受力時,爬罐作為動荷載考慮,軌道荷載作為靜荷載考慮。根據(jù)受力大小判斷本例由活荷載起控制作用。根據(jù)GB5009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第3.2.3條,活荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4,靜荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2。通過計(jì)算得到：第1種工況Fb=18.77kN；第2種工況Fb=18.32kN；第3種工況Fb=15.78kN；第4種工況Fb=15.76kN,綜上,吊桿B受力最大為18.77kN。

5.2單根膨脹螺栓靜態(tài)工況受拉計(jì)算

螺栓受力分析如圖1所示。兩節(jié)軌道連接處有兩根螺栓把合,共同承擔(dān)軌道、爬罐各部件及承載物的重力。當(dāng)輪2置于吊桿B位置時,兩節(jié)螺栓所受拉力最大,單根拉力N單=Fb/2=9.39kN。

6抗拉試驗(yàn)安全值的確定

根據(jù)計(jì)算,單根膨脹螺栓在最不利狀態(tài)下承受的拉力為9.39kN,安全系數(shù)選定為1.5倍,即軌道膨脹螺栓抗拉試驗(yàn)安全值可初步設(shè)定為14.09kN。

6.1現(xiàn)場抗拉試驗(yàn)

本次試驗(yàn)使用SW—300錨桿拉拔儀進(jìn)行。試驗(yàn)分2組,每組3根,分別由監(jiān)理工程師在臨近工作面圍巖較差部位選定,其中一組用于安全值驗(yàn)證性試驗(yàn),另一組用于破壞性試驗(yàn)。

在安全值驗(yàn)證試驗(yàn)中,當(dāng)拉拔值等于14.09kN時,膨脹螺栓均未出現(xiàn)位移,說明安全可靠；在拉拔破壞性試驗(yàn)中,最終破壞形態(tài)為埋置在圍巖中的膨脹螺栓出現(xiàn)位移,表現(xiàn)為松動,即視為螺栓已被破壞(現(xiàn)場觀察,實(shí)際仍能增加荷載),此時從錨桿拉拔儀顯示器上讀取數(shù)據(jù)計(jì)入表1中,并計(jì)算出平均值。本次拉拔破壞試驗(yàn)的平均值為29.10kN。

表1爬罐螺栓拉拔破壞試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果

錨桿編號取樣部位檢測日期拉拔力/kN實(shí)測平均備注1234561號洞直段2015-11-0726.302015-11-07312015-11-073029.10破壞性試驗(yàn)2015-11-0714.092015-11-0714.092015-11-0714.0914.09驗(yàn)證性試驗(yàn)

本次拉拔破壞試驗(yàn)平均值為29.10kN,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于14.09kN。表明,將ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓抗拉試驗(yàn)安全值確定為14.09kN,是安全可靠的。需要強(qiáng)調(diào)的是，如使用爬罐型號不同，則應(yīng)對其動、靜荷載復(fù)合后使用。

6.2拉拔試驗(yàn)的一般要求

拉拔試驗(yàn)應(yīng)在爬灌使用驗(yàn)收前完成。用于試驗(yàn)的膨脹螺栓可選在工作面附近圍巖較差部位布設(shè),分1或2組,每組3根。同等條件下,膨脹螺栓長度可首先選擇0.8m進(jìn)行試驗(yàn),如果滿足要求,其他長度無需再做,如不滿足要求,需增加膨脹螺栓長度,直至滿足要求。一般情況下,拉拔值大于或等于標(biāo)準(zhǔn)安全值即可,無需做破壞性拉拔試驗(yàn)。

7結(jié)語

有資料顯示,目前我國抽水蓄能電站裝機(jī)容量占比不足2%。抽水蓄能電站將面臨新的發(fā)展機(jī)遇期,加上常規(guī)水電的再發(fā)展,斜井導(dǎo)井施工會大量存在。現(xiàn)階段,使用爬罐進(jìn)行斜井的反導(dǎo)井開挖是主要施工手段之一。隨著安全意識的不斷增強(qiáng)和安全生產(chǎn)管理更加嚴(yán)格,對爬罐安全性試驗(yàn)也會提出一些新的要求。研究和確定ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓抗拉試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)安全值,對于確保安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義,也將為滿足市場需求提供便利條件。

致謝：文中計(jì)算部分由上海交通大學(xué)船舶與建筑學(xué)院土木工程系博士生導(dǎo)師、副教授鄧雪原和碩士研究生周洪波復(fù)核、校驗(yàn)。在此表示感謝!

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(責(zé)任編輯焦雪梅)

收稿日期：2015- 12- 03

作者簡介：費(fèi)萬堂(1963—),男,遼寧朝陽人,教授級高工,主要從事抽水蓄能電站運(yùn)行管理和工程建設(shè)管理工作；常世舉(通訊作者)．

中圖分類號：TV534

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0065- 03

ResearchonUpliftBearingCapacityofExpansionBoltsinALIMAKClimber

FEIWantang1,GUANJingming2,LIULinyuan3,CHANGShiju4

(1.HebeiFengningPumpedStorageCo.,Ltd.,Chengde067000,Hebei,China; 2.SinohydroBureau1Co.,Ltd.,Changchun130000,Jilin,China; 3.SinohydroBureau3Co.,Ltd.,Xi’an710000,Shaanxi,China;4.HenanTianchiPumpedStorageCo.,Ltd.,Nanyang473000,Henan,China)

Abstract:Expansion bolt is important bearing component for the safe operation of ALIMAK Climber. Taking the ALIMAK STH-5D Climber for the No. 1 inclined shaft of diversion system in Fengning Pumped-storage Power Station as research object, the tension capacity of rail expansion bolt is theoretically calculated based on mechanics theory, and the allowable value of uplift bearing capacity for expansion bolts in ALIMAK Climber is finally determined. The allowable value is verified by the pulling destruction tests. The research provides a reliable theoretical basis for the determination of allowable value of expansion bolts in ALIMAK Climber．

Key Words:ALIMAK Climber; excavation of inclined shaft; expansion bolt; pulling destruction test