某煤礦主井鋼井架加固設(shè)計與計算

王 輝

(中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

陜西省銅川市某煤礦于2015年永久關(guān)閉，礦井關(guān)閉后為妥善安置職工，實現(xiàn)再就業(yè)以及創(chuàng)新利用礦區(qū)工業(yè)生產(chǎn)空間和廢舊設(shè)備設(shè)施，計劃將該煤礦建設(shè)成為煤礦工業(yè)遺址公園。其中，主井井架作為公園中心標(biāo)志性建筑予以保留。由于該井架建造年代久遠，且大部分構(gòu)件都處于露天環(huán)境、經(jīng)受風(fēng)雨凍融等自然環(huán)境侵蝕，大部分桿件銹蝕、腐蝕嚴重，部分桿件脆斷、銹透，桿件連接節(jié)點處焊縫及螺栓均銹蝕嚴重。因此，需要對其進行整體加固處理，以滿足規(guī)范要求[1-3]。

1 工程概況

該井架為單斜撐式鋼井架，立架為框架式鋼結(jié)構(gòu)，斜撐為工字形梁柱組成的鋼框架結(jié)構(gòu)。該煤礦所在地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第三組，設(shè)計基本地震加速度0.10 g，場地類別為Ⅱ類。井架按乙類進行抗震設(shè)防，井架設(shè)計的安全等級為一級。按50 a重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值為0.35 kN/m2，按50 a重現(xiàn)期的基本雪壓為0.20 kN/m2，考慮到本井筒作為回風(fēng)井，封閉后對井架會產(chǎn)生負壓，負壓按0.5 kPa進行考慮。直徑4.0 m的天輪兩組，每組質(zhì)量7.2 t，天輪中心標(biāo)高30.00 m。鋼絲繩最大靜張力140 kN，最小鋼絲繩破斷拉力總和為1 173 kN，提升加速度a為0.5 m/s2。

根據(jù)建設(shè)單位提供的《陜西省銅川市某煤礦主井井架構(gòu)件檢測報告》和《陜西省銅川市某煤礦主井井架可靠性及抗震鑒定》，該井架鋼材強度為Q235，考慮腐蝕損傷量后鋼材強度取值依據(jù)國家標(biāo)準《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準》[4]建議主井井架鋼材強度乘以0.8的折減系數(shù)。經(jīng)現(xiàn)場外觀檢查，立架部分鋼柱及柱間支撐等桿件連接節(jié)點處連接板銹蝕嚴重、焊縫及螺栓均銹蝕嚴重；斜架部分大部分連接節(jié)點處連接板銹蝕嚴重、螺栓銹蝕嚴重；天輪架部分桿件連接節(jié)點處連接板銹蝕嚴重。立架部分鋼柱及柱間支撐等大部分桿件銹蝕、腐蝕嚴重，部分桿件脆斷、銹透，桿件上積煤較多，腐蝕構(gòu)件；斜架部分大部分桿件涂層皸裂、起皮，桿件銹蝕嚴重，個別桿件出現(xiàn)變形、彎折等現(xiàn)象；天輪架部分桿件銹蝕嚴重，大部分涂層皸裂、脫落，個別桿件出現(xiàn)銹透、脆斷等現(xiàn)象。根據(jù)《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準》對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件腐蝕和防腐情況評級要求，大部分構(gòu)件評定等級都是C級。在現(xiàn)有荷載條件下，該井架鑒定單元可靠性等級評定為四級[5]，即“極不符合國家現(xiàn)行標(biāo)準規(guī)范的可靠性要求，已嚴重影響整體安全，必須立即采取措施”。該井架的整體抗震性能不符合《構(gòu)筑物抗震鑒定標(biāo)準》的要求，后續(xù)設(shè)計工作年限按30 a考慮。

2 井架結(jié)構(gòu)加固原則與計算

鋼井架為一變截面桿件組成的空間鋼架結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時根據(jù)實際受力狀態(tài)簡化為空間桿系結(jié)構(gòu)，并采用結(jié)構(gòu)通用有限元軟件Midas Gen(Ver.780)進行結(jié)構(gòu)計算分析工作[6]。該軟件是由韓國MIDAS公司開發(fā)的大型建筑結(jié)構(gòu)通用有限元軟件，能夠進行線性與非線性靜力分析、彈性動力時程分析、彈塑性動力時程分析、P-△分析、疲勞與斷裂及屈曲分析等。

2.1 加固原則

主井井架屬于工業(yè)遺址景觀，要求對其進行修復(fù)改造，盡量保持原貌。根據(jù)《陜西省銅川市某煤礦主井井架構(gòu)件檢測報告》中給出的構(gòu)件實際截面尺寸和鋼材強度，對主井井架進行核算。在標(biāo)高2.750 m、5.500 m、8.250 m處增設(shè)防過卷緩沖器裝置，故對此3層橫梁進行更換。在標(biāo)高11.000 m處增設(shè)防撞梁及托罐緩沖繩裝置，故在此層增加防撞梁并對橫梁進行更換處理。根據(jù)鑒定結(jié)論，對井架實施所有連接節(jié)點板、螺栓及已失效的桿件進行更換處理，并考慮施工階段的防護措施，對井架實施防腐措施重新涂裝。

2.2 荷載工況與組合

本井架加固計算時考慮的荷載工況有恒荷載(井架自重及天輪自重)、活載、提升工作荷載、X向風(fēng)荷載、Y向風(fēng)荷載、斷繩荷載(一根為斷繩荷載，另一根為兩倍工作荷載)、防過卷荷載、托罐緩沖荷載、防撞梁荷載。工程所在地抗震設(shè)防烈度7°，經(jīng)計算分析可知，地震作用組合相對于斷繩荷載組合設(shè)計的斜撐式鋼井架，不起控制作用。

根據(jù)《礦山井架設(shè)計標(biāo)準》[7]規(guī)定，該井架應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，分別進行荷載效應(yīng)組合，并取最不利的效應(yīng)組合進行設(shè)計。本工程考慮荷載組合分別是提升工作荷載效應(yīng)控制的基本組合、斷繩及防墜制動荷載效應(yīng)控制的組合、正常使用極限狀態(tài)組荷載效應(yīng)組合。

對于提升工作荷載效應(yīng)控制的基本組合，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值S1

(1)

對于斷繩、防墜制動荷載效應(yīng)控制的組合，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值S2

(2)

對于正常使用極限狀態(tài)組荷載效應(yīng)組合，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值S3

(3)

式(1)～(3)中，γG為重力荷載分項系數(shù)；γQi為第i個可變荷載分項系數(shù)；γw為風(fēng)荷載分項系數(shù)；SGik為按永久荷載標(biāo)準值Gk計算的荷載效應(yīng)標(biāo)準值；SQik為按可變荷載標(biāo)準值Qik計算的荷載效應(yīng)標(biāo)準值；Swk為按風(fēng)荷載標(biāo)準值Wk計算的荷載效應(yīng)標(biāo)準值；ψCi為第i個可變荷載Qi的組合值系數(shù)；n為參與組合的可變荷載數(shù)量；SA1k(SA2k)為斷繩荷載標(biāo)準值A(chǔ)1k(A2k)荷載效應(yīng)；ψw為風(fēng)荷載組合值系數(shù)。

2.3 結(jié)構(gòu)計算

井架結(jié)構(gòu)計算采用Midas Gen(Ver.780)中梁單元建立有限元模型，共建立200個節(jié)點，335個單元。此種單元建立在鐵木辛柯理論上[8]，具有拉、壓、剪、彎、扭變形剛度，每個節(jié)點有3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度。釋放立架與防撞梁之間的Z向約束，將天輪梁簡化為鋼牛腿，并考慮剪切變形對天輪梁的影響，井架計算模型如圖1所示。

圖1 主井井架計算模型Fig.1 Calculation model of main shaft headframe

2.4 計算結(jié)果分析

2.4.1 承載能力極限狀態(tài)下井架桿件應(yīng)力

經(jīng)過分析得知，在工作荷載組合下井架應(yīng)力最大值為71.02 N/mm2，位于斜架與立架連接桁架237單元處，如圖2所示。在工作荷載+X向風(fēng)荷載組合下井架應(yīng)力最大值為158.63 N/mm2，位于立架柱424單元處，如圖3所示。在工作荷載+Y向風(fēng)荷載組合下井架應(yīng)力最大值為160.12 N/mm2，位于天輪支承桁架386單元處，如圖4所示。在斷繩荷載組合下井架應(yīng)力最大值為161.1 N/mm2，位于天輪支承桁架340單元處，如圖5所示。在防過卷荷載組合下井架應(yīng)力最大值為206.34 N/mm2，位于防撞梁579單元處，如圖6所示。各荷載組合下井架桿件的應(yīng)力值見表1。

圖6 防過卷荷載組合下井架應(yīng)力云圖 Fig.6 The stress cloud diagram of the headframe under the combination of anti-overroll loads

表1 各荷載組合下井架桿件的應(yīng)力值Table 1 Stress values of headframe members under various load combinations

圖2 工作荷載組合下井架應(yīng)力云圖Fig.2 The stress cloud diagram of headframe under working load combination

圖3 工作荷載+X向風(fēng)荷載組合下井架應(yīng)力云圖Fig.3 The stress cloud diagram of the headframe under the combination of working load and X-direction wind load

圖4 工作荷載+Y向風(fēng)荷載組合下井架應(yīng)力云圖Fig.4 The stress cloud diagram of the headframe under the combination of working load and Y-direction wind load

圖5 斷繩荷載組合下井架應(yīng)力云圖Fig.5 The stress cloud diagram of the headframe under the combination of broken rope loads

2.4.2 井架變形及桿件長細比

正常使用極限狀態(tài)下井架的位移等值線如圖7所示。由圖7可以看出，立架在工作荷載組合下最大水平位移5.064 mm；天輪支承桁架在工作荷載組合下最大水平位移7.352 mm；斜架在工作荷載組合下最大水平位移11.486 mm；立架與斜架連接桁架在工作荷載組合下最大水平位移26.031 mm，均滿足《礦山井架設(shè)計標(biāo)準》的規(guī)定“井架在工作荷載效應(yīng)組合時的水平變形值應(yīng)控制在h/1 000以內(nèi)”，即30 mm。由《礦山井架設(shè)計標(biāo)準》可知，“鋼井架中立架柱、斜撐柱、天輪支承結(jié)構(gòu)的壓桿長細比限值為150，其他受壓桿件200，主要受拉桿件250。”經(jīng)核算，主井井架的所有桿件的長細比均小于限值，滿足規(guī)范要求。

圖7 正常使用極限狀態(tài)下井架的位移等值線Fig.7 Displacement contour of headframe under the limit state of normal service

3 結(jié)語

將廢棄的煤礦井架改造為景觀建筑時，要綜合考慮井架過去的使用狀況及現(xiàn)狀、確定影響其今后安全性和耐久性的主要因素。在綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)損傷情況及現(xiàn)場施工條件下，應(yīng)采取經(jīng)濟合理的加固方法；同時，在加固施工中要嚴格按照施工工藝的要求，應(yīng)由專業(yè)加固施工隊伍來完成工程的加固施工。