某煤礦主井鋼井架加固設計與計算

王 輝

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

陜西省銅川市某煤礦于2015年永久關閉，礦井關閉后為妥善安置職工，實現再就業以及創新利用礦區工業生產空間和廢舊設備設施，計劃將該煤礦建設成為煤礦工業遺址公園。其中，主井井架作為公園中心標志性建筑予以保留。由于該井架建造年代久遠，且大部分構件都處于露天環境、經受風雨凍融等自然環境侵蝕，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，立架為框架式鋼結構，斜撐為工字形梁柱組成的鋼框架結構。該煤礦所在地抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第三組，設計基本地震加速度0.10 g，場地類別為Ⅱ類。井架按乙類進行抗震設防，井架設計的安全等級為一級。按50 a重現期的基本風壓值為0.35 kN/m2，按50 a重現期的基本雪壓為0.20 kN/m2，考慮到本井筒作為回風井，封閉后對井架會產生負壓，負壓按0.5 kPa進行考慮。直徑4.0 m的天輪兩組，每組質量7.2 t，天輪中心標高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。

根據建設單位提供的《陜西省銅川市某煤礦主井井架構件檢測報告》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國家標準《工業建筑可靠性鑒定標準》[4]建議主井井架鋼材強度乘以0.8的折減系數。經現場外觀檢查，立架部分鋼柱及柱間支撐等桿件連接節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，個別桿件出現變形、彎折等現象；天輪架部分桿件銹蝕嚴重，大部分涂層皸裂、脫落，個別桿件出現銹透、脆斷等現象。根據《工業建筑可靠性鑒定標準》對鋼結構構件腐蝕和防腐情況評級要求，大部分構件評定等級都是C級。在現有荷載條件下，該井架鑒定單元可靠性等級評定為四級[5]，即“極不符合國家現行標準規范的可靠性要求，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《構筑物抗震鑒定標準》的要求，后續設計工作年限按30 a考慮。

2 井架結構加固原則與計算

鋼井架為一變截面桿件組成的空間鋼架結構，在設計時根據實際受力狀態簡化為空間桿系結構，并采用結構通用有限元軟件Midas Gen(Ver.780)進行結構計算分析工作[6]。該軟件是由韓國MIDAS公司開發的大型建筑結構通用有限元軟件，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

主井井架屬于工業遺址景觀，要求對其進行修復改造，盡量保持原貌。根據《陜西省銅川市某煤礦主井井架構件檢測報告》中給出的構件實際截面尺寸和鋼材強度，對主井井架進行核算。在標高2.750 m、5.500 m、8.250 m處增設防過卷緩沖器裝置，故對此3層橫梁進行更換。在標高11.000 m處增設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。根據鑒定結論，對井架實施所有連接節點板、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向風荷載、Y向風荷載、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。工程所在地抗震設防烈度7°，經計算分析可知，地震作用組合相對于斷繩荷載組合設計的斜撐式鋼井架，不起控制作用。

根據《礦山井架設計標準》[7]規定，該井架應按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態，分別進行荷載效應組合，并取最不利的效應組合進行設計。本工程考慮荷載組合分別是提升工作荷載效應控制的基本組合、斷繩及防墜制動荷載效應控制的組合、正常使用極限狀態組荷載效應組合。

對于提升工作荷載效應控制的基本組合，荷載效應組合的設計值S1

(1)

對于斷繩、防墜制動荷載效應控制的組合，荷載效應組合的設計值S2

(2)

對于正常使用極限狀態組荷載效應組合，荷載效應組合的設計值S3

(3)

式(1)～(3)中，γG為重力荷載分項系數；γQi為第i個可變荷載分項系數；γw為風荷載分項系數；SGik為按永久荷載標準值Gk計算的荷載效應標準值；SQik為按可變荷載標準值Qik計算的荷載效應標準值；Swk為按風荷載標準值Wk計算的荷載效應標準值；ψCi為第i個可變荷載Qi的組合值系數；n為參與組合的可變荷載數量；SA1k(SA2k)為斷繩荷載標準值A1k(A2k)荷載效應；ψw為風荷載組合值系數。

2.3 結構計算

井架結構計算采用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，每個節點有3個平動自由度和3個轉動自由度。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 計算結果分析

2.4.1 承載能力極限狀態下井架桿件應力

經過分析得知，在工作荷載組合下井架應力最大值為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向風荷載組合下井架應力最大值為158.63 N/mm2，位于立架柱424單元處，如圖3所示。在工作荷載+Y向風荷載組合下井架應力最大值為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力值見表1。

圖6 防過卷荷載組合下井架應力云圖 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力云圖Fig.2 The stress cloud diagram of headframe under working load combination

圖3 工作荷載+X向風荷載組合下井架應力云圖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向風荷載組合下井架應力云圖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《礦山井架設計標準》的規定“井架在工作荷載效應組合時的水平變形值應控制在h/1 000以內”，即30 mm。由《礦山井架設計標準》可知，“鋼井架中立架柱、斜撐柱、天輪支承結構的壓桿長細比限值為150，其他受壓桿件200，主要受拉桿件250。”經核算，主井井架的所有桿件的長細比均小于限值，滿足規范要求。

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

3 結語

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。在綜合考慮鋼結構損傷情況及現場施工條件下，應采取經濟合理的加固方法；同時，在加固施工中要嚴格按照施工工藝的要求，應由專業加固施工隊伍來完成工程的加固施工。