調壓井灌漿平臺鋼管爬桿和牛腿支架強度淺析

徐躍斌 馮萬青

【摘 要】針對調壓井灌漿施工條件和洞內場地條件等特點，在保證施工安全和質量的前提下，研制灌漿施工作業平臺，對平臺爬升系統的主要桿件受力情況作分析和介紹。

【Abstract】According to the characteristics of grouting construction conditions and site conditions in surge shaft， on the premise of ensuring construction safety and quality， the grouting construction operation platform is developed， and the force of the main members of the platform climbing system is analyzed and introduced.

【關鍵詞】調壓井;灌漿平臺;爬桿;強度

【Keywords】 surge shaft; grouting platform; climbing rod; strength

【中圖分類號】TV511? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）09-0151-03

1 概況

尾水系統調壓井布置在尾水主洞起始位置處，為埋藏式調壓井，通過井頂支洞與外部相連，調壓井總深96.0m，井下部與尾水主洞相連。尾水調壓井主要包括大豎井段、連接管（含水平段、彎段及小豎井段）段、調壓井井體頂部等結構。調壓井大井段井室深70.0m，襯砌后斷面尺寸16.4m，井室全斷面梅花形布置固結灌漿孔，間排距2m×2m，孔深入巖6m。為保證工程安全、質量的前提下，能更高效地完成灌漿作業，特研制針對深井、大斷面灌漿施工液壓爬升作業平臺。灌漿作業平臺主要由爬桿、內外圍圈、交通梁、船型梁、高壓油管、液壓控制臺、主平臺、檢查平臺等組成。

本工程中調壓井直徑16.4m，灌漿平臺與負載總重20t，由均勻布置于井周的20根鋼管爬桿承重。爬桿采用單根長6m的？覫48×6無縫鋼管以螺紋螺栓連接，總長70m。爬桿上端由均勻布置于井周上緣的20個牛腿支架懸掛支撐。牛腿支架采用雙排14#槽鋼拼裝而成，并與井壁預埋支座固結。

考慮灌漿平臺與負載20t及爬桿自重載荷作用下，本次分析主要考察牛腿支架、爬桿及連接螺栓的強度，為結構整體的強度安全性能提供參考。

2 建模及載荷分析

由于爬桿及牛腿支架沿井周向均勻布置，整個爬桿升降系統的外載荷均為重力作用，爬桿主要承受軸向拉力作用，因此，可對單根爬桿與牛腿支架所組成的單個爬桿支架系統進行分析。同時注意到爬桿在承受平臺及負載作用的同時，還存在自重，因此，爬桿上端部承受的軸向拉力最大，即爬桿上端部為其強度危險段。因此，分析中不需要對70m爬桿整體分析，考察上部即可[1]。

平臺理想工作狀態是20t重力負載均勻作用于平臺上，此時每根爬桿負載為1t。但實際工作中存在載荷不均勻分布，使得每根爬桿受力也不均勻，本分析中假設負載的極端不均勻性，使得單根爬桿的負重達到總負重的1/4，即5t。因此，單根爬桿上端所受軸向載荷為70m爬桿自重與5t負載的總和。

爬桿及牛頭支架所用材料為Q235鋼，其密度ρ=7850kg/m3，爬桿上端總載荷為：

3 有限元模型及參數

本次分析采用有限元方法[2]進行，借助有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran分析計算。采用三維實體模型進行強度分析，即14#槽鋼牛腿支架及無縫鋼管爬桿均采用三維實體建模，加強板采用平面板單元，厚度為12mm。所有材質均為Q235鋼，其材料參數為：彈性模量E=200GPa、泊松比ν=0.3、密度ρ=7850kg/m3、屈服極限σs=235MPa。對于Q235鋼，按工程慣例，取安全因數為1.5，則其許用應力為157MPa。

分別分析兩個工況：理想工作狀態及非均勻分布載荷工作狀態。理想狀態下，爬桿上部所受合載為1.45t，即14210N;非均勻分布載荷工作狀態下爬桿上部所受合載為5.45t，即53.41kN。

實體采用8節點六面體等參數單元，加強板采用四邊形板單元建模。牛腿支架與井壁預埋支座連接處固定約束，沿爬桿軸向施加軸向載荷作用。在牛腿支座的橫豎兩組槽鋼間布置、 厚度為12mm的加強板;在爬桿與平板鏈接處布置（支架上部鋼板為方板，除去爬桿孔50mm，能夠焊接的三角形板寬75mm）、厚度為12mm的加強板。有限元模型如圖2和圖3所示。

4 牛腿支架爬桿強度分析結果

借助有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran分析計算可得：理想工作狀態下，支架及爬桿的最大應力為25.7MPa，遠低于Q235鋼的許用應力，因此是安全的。以下考察在非均勻的5t負重載荷作用下，各構件的應力[3]。

有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran分析計算可得：在5t的軸向載荷作用下，各構件強度均沒超過Q235鋼的許用應力，強度滿足要求。結果匯總如表1所示。

5 爬桿無縫鋼管螺紋鏈接強度分析

5.1 無縫鋼管螺紋鏈接尺寸及聯接示意圖

本項目中，左右兩邊的無縫鋼管用中部的螺栓聯接，螺紋聯接的旋合長度為L=40mm;鋼管受到軸向拉力F的作用，其最大軸向拉力載荷為非均勻工作狀態下的負載及爬桿自重：5.45t[5]。

無縫鋼管尺寸為？覫48×6，材料為Q235鋼;連接螺栓為M39×3，材料為Q235鋼。由于螺紋聯接的受力復雜性，在爬桿工作過程很容易發生螺紋聯接失效及破壞，因此有必要對螺栓及鋼管螺紋的強度進行計算校核，以保證結構的正常工作。

5.2 螺紋參數分析

聯接螺栓M39×3為常規三角形螺紋，其公稱直徑（最大直徑）為39mm，螺距為3mm。

螺栓主要參數指標包括螺距p、公稱直徑d、螺栓小徑d1、螺栓中徑d2、旋合長度L、螺牙高度h、實際牙高h1、牙根寬b、螺數n、間隙e等，相關參數具有如下關系[4]：

本項目的螺栓螺紋主要參數如表2所示。

5.3 螺紋載荷及受力情況

在螺栓聯接中需考慮預緊力對螺紋強度的影響，通過查閱相關資料（螺栓擰緊力矩標準），確定本項目螺栓的擰緊力矩為T=150N·m。螺栓預緊力F0與擰緊力矩之間具有如下關系：T ≈0.2T0d。

式中，d為螺栓的公稱直徑，從而可求出螺紋預緊力載荷為：

非均勻負載工作狀態中螺栓還承受5.45t的軸向拉力載荷：F=5.45×9.8=53.41kN。因此，螺紋所受總的軸向載荷為F合=F0+F=72.61kN。

螺紋在預緊及工作中的實際受力情況非常復雜，并且沿螺桿軸向呈現出非常嚴重的不均勻現象，大量的工程實例及實驗數據表明，螺紋的大部分載荷都由端部的幾個螺紋承擔，因此，端部螺紋最易發生斷裂、彎曲破壞，從而導致螺栓聯接失效。在螺紋強度校核時，必須考慮這種受力不均勻性的影響，學者通過理論研究并結合實驗數據，研究了這種不均勻性的內在規律及其影響因素，建議定義螺紋受力不均勻系數Kz，以反映螺紋受力不均勻對螺栓連接強度的影響。Kz的值為0～1，Kz越小，說明螺紋受力越不均勻，端部螺紋受力越大，越易發生破壞失效。本次計算中，通過查閱相關文獻對Kz的建議取值，并結合本螺紋聯接的實際參數，從偏安全的角度考慮，取Kz=0.4。

5.4 螺紋聯接的強度指標及相應的應力計算

工程常用鋼結構件，取安全系數ns=1.5，設其構件材料鋼的屈服應力為σs，則其許用應力為[σ]=σs/ns，其許用切應力通常取為：[τ]=0.8[σ]。本項目中爬桿及聯接螺栓均為Q235鋼，其屈服應力為235MPa，所以相應的許用應力為[6]：

聯接螺紋受軸向載荷作用時，螺紋根部會產生剪切，螺牙會產生彎曲，相互嚙合的螺紋面會發生擠壓，同時螺桿受到拉伸。因此，螺紋相應的強度指標有4個：

螺紋剪切強度指標[τ];

螺紋彎曲強度指標[σw]（一般等于其許用正應力[σ]）;

螺紋擠壓強度指標[σp]（本項目中為偏安全考慮，假設等于[σ]）;

螺紋拉伸強度指標[σ]。

與4個強度指標對應的評價應力可分別由下列公式計算：

以上4式是針對螺栓螺紋的強度指標的應力計算，其中dc為計算螺紋拉應力的有效直徑，其值為：dc=（d+d1-h/6）/2

當計算鋼管螺紋應力時，d1應取為鋼管螺紋的螺牙根部直徑，而鋼管螺紋的拉應力由下式計算：

5.5 螺紋強度校核

根據以上公式及螺紋參數，計算可知：

①螺栓螺紋

通過以上分析可知：調壓井的灌漿平臺爬升系統中的牛腿支架、爬桿及連接螺栓的強度滿足工程施工要求。

【參考文獻】

【1】李廉錕.結構力學第四版[M].北京：高等教育出版社，2004.

【2】孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學第四版[M].北京：高等教育出版社，2002.

【3】機械設計手冊編委會.機械設計手冊——連接與緊固[M].北京：機械工業出版社，2007.

【4】GB/T 196—2003中華人民共和國國家標準[S].

【5】李明民.螺紋結構的強度設計規范[J].化工設備與管道，1985（4）：37-42.

【6】鵜戶口英善（日），李明民（譯）.螺紋結構強度設計規范的制定及其理論基礎[J].化工設備與管道，1985（4）：42-52.