ALIMAK爬罐轨道膨胀螺栓抗拉试验安全值的确定

费万堂,关景明,刘林元,常世举

(1.河北丰宁抽水蓄能有限公司,河北承德067000；2.中国水利水电第一工程局有限公司,吉林长春130000；3.中国水利水电第三工程局有限公司,陕西西安710000；4.河南天池抽水蓄能有限公司,河南南阳473000)



ALIMAK爬罐轨道膨胀螺栓抗拉试验安全值的确定

费万堂1,关景明2,刘林元3,常世举4

(1.河北丰宁抽水蓄能有限公司,河北承德067000；2.中国水利水电第一工程局有限公司,吉林长春130000；3.中国水利水电第三工程局有限公司,陕西西安710000；4.河南天池抽水蓄能有限公司,河南南阳473000)

摘要：膨胀螺栓是ALIMAK爬罐安全运行的重要承载力构件。以丰宁抽水蓄能电站引水系统1号上斜井ALIMAK STH-5D爬罐施工为研究对象,运用相关力学知识对轨道膨胀螺栓进行抗拉理论计算,确定了爬罐轨道膨胀螺栓抗拉承载力的允许值,并经过实际拉拔破坏试验进行了验证,为爬罐螺栓抗拉试验安全值的选定提供了可靠的理论依据。

关键词：ALIMAK爬罐；斜井开挖；膨胀螺栓；拉拔试验

0引言

阿里玛克(ALIMAK)爬罐由瑞典ALIMAK公司于19世纪70年代初设计生产,80年代引进中国。最早在矿业和水电站斜井开挖中使用。近20年来,随着我国水电建设事业的不断发展,特别是抽水蓄能电站的兴起,ALIMAK爬罐在水电站陡倾角、长斜井反导井施工中广泛应用。

过去,当爬罐安装、调试完成后,在投入运行之前,一般情况下要做机械性能、安全制动等试验。由于ALIMAK爬罐是正规施工设备,并且在国内外已使用数十年,因此,对ALIMAK爬罐的其他安全性试验是否该做很少有人考虑。随着社会的不断进步和以人为本思想的深入人心,政府、企业、个人乃至整个社会安全意识的不断增强,近年来,一些抽水蓄能电站的建设方,要求对爬罐轨道膨胀镙栓进行安全性抗拉试验。但是,由于ALIMAK爬罐生产厂家没有给出相应标准,在国内也找不到相关依据,抗拉试验安全标准值的确定成为急需解决的问题。

本文运用相关力学知识,通过对ALIMAK爬罐轨道膨胀镙栓(也称为“吊杆”)进行受力计算分析,经丰宁抽水蓄能电站现场拉拔试验验证,最终确定了ALIMAK爬罐轨道膨胀镙栓的抗拉试验标准安全建议值。经权威机构确认后,可在工程实践中推广使用。

1爬罐结构组成及技术参数

ALIMAKSTH-5D爬罐系统主要由平台、主罐和副罐构成。主罐顶部有一2.4m×2.4m的操作平台,人员在平台上完成钻孔、填药、接轨、清撬等操作,最大载荷为5 000kN；副罐具有为主罐提供救援、维修、人员及材料运输等功能,最大载荷为3 500kN；主副罐共用1条轨道,各自独立运行。爬罐上由齿轮沿轨道的齿槽爬升或下降,主罐共有890、430、1 510、430、1 040、730mm6组车轮轮距7个轮子。

2轨道及膨胀螺栓相关参数

爬罐轨道分通用轨和加强轨两种。通用轨有2m和1m长两个尺寸,可根据开挖进尺选择使用。沿轨道上部纵向排列4根φ40mm钢管,作为布设风、水以及通讯线路的通道。在安装时,通用轨道每铺设50m,安装1根加强轨,特殊情况可适当加密加强轨的数量。加强轨单根长2m,设计有4组8个螺栓孔,可视情况选择膨胀螺栓安装数量,最多可安装8根。每根通用轨道单侧端头设计有一组两个螺栓孔,用于膨胀螺栓安装,两节轨道间由对接螺栓把合。轨道膨胀螺栓内径20mm,外径30mm,分0.8、1.2、1.5m长3种,可根据围岩和超欠挖情况选择安装长度。

3受力分析及研究思路

主罐为爬罐系统的最大载荷构件,因此,在研究时,只考虑主罐在满荷载状态下对轨道膨胀螺栓的影响。副罐不在研究范围之内。在斜井反导井施工中,爬罐一般只有平段、斜段、弯段3种运行状态。对于轨道膨胀螺栓,当爬罐处于平段时抗拉力呈最大。因此,只选取此种最不利状态进行研究。

爬罐平均运行速度为20cm/s,当运行速度达到90cm/s时,随车保护装置启动,刹车报死,紧急制动时间1.00s。在计算分析时,紧急制动时所形成冲量的影响可忽略不计。对比通用轨和加强轨的设计结构,就轨道膨胀螺栓而言,连接2m长通用轨道的膨胀螺栓受力更大。因此,本文以此种状态的膨胀螺栓为研究对象。

爬罐在斜段下行末端发生紧急制动时,轨道膨胀螺栓承受剪力最大。在水电工程中,斜井设计倾角一般都小于65°,爬罐在斜井中运行时,轨道膨胀螺栓受拉力、剪力共同作用。考虑爬罐所配膨胀螺栓的材质、直径和膨胀镙栓组在一定范围内联合受力。因此,轨道膨胀螺栓抗剪不在研究之内。

4分析方法与荷载施加

4.1模型简化和分析方法

在对爬罐轨道螺栓受力分析时,需对分析目标模型结构进行必要的合理简化。根据结构静力学分析的一般原则,可基于以下基本假设：①轨道材料均为线弹性材料,结构变形远小于其横断面尺寸；②轨道结构不受温度影响；③由于爬罐行走速度很慢,分析时可以用静态的方法来近似代替。

4.2轨道载荷施加

抗拉计算时,柴油液压动力组件、打钻平台、载人(物)组件间为非刚性连接,分别作为独立荷载考虑。根据车轮数按7个集中力来计算得到：P1=7kN,P2=P3=P4=P5=4.825kN,P6=2.15kN,P7=6.14kN。轨道自重作为均布荷载考虑，即0.44kN/m。计算简图见图1。

图1　轨道简化受力示意(单位：mm)

5抗拉承载力计算

5.1直线轨道动静态工况受拉计算

根据结构形式与荷载特性,采用结构力学的影响线方法计算。以B吊杆为例(如图2),采用将轮2、轮3、轮4、轮5分别放在B支座位置4种工况,能使车轮数最大化的放置在AB,BC两段。此时吊杆B受力最大。

图2　B吊杆与B支座位置

其中吊杆B的拉力影响线如图3所示。将轮2、轮3、轮4、轮5分别放在B支座位置时的拉力影响线如图4所示。

图3　吊杆B的拉力影响线

图4　车轮位于B位置时的影响线

根据本工程案例的受力特点及受力情况,在研究爬罐螺栓受力时,爬罐作为动荷载考虑,轨道荷载作为静荷载考虑。根据受力大小判断本例由活荷载起控制作用。根据GB5009—2012《建筑结构荷载规范》第3.2.3条,活荷载分项系数取1.4,静荷载分项系数取1.2。通过计算得到：第1种工况Fb=18.77kN；第2种工况Fb=18.32kN；第3种工况Fb=15.78kN；第4种工况Fb=15.76kN,综上,吊杆B受力最大为18.77kN。

5.2单根膨胀螺栓静态工况受拉计算

螺栓受力分析如图1所示。两节轨道连接处有两根螺栓把合,共同承担轨道、爬罐各部件及承载物的重力。当轮2置于吊杆B位置时,两节螺栓所受拉力最大,单根拉力N单=Fb/2=9.39kN。

6抗拉试验安全值的确定

根据计算,单根膨胀螺栓在最不利状态下承受的拉力为9.39kN,安全系数选定为1.5倍,即轨道膨胀螺栓抗拉试验安全值可初步设定为14.09kN。

6.1现场抗拉试验

本次试验使用SW—300锚杆拉拔仪进行。试验分2组,每组3根,分别由监理工程师在临近工作面围岩较差部位选定,其中一组用于安全值验证性试验,另一组用于破坏性试验。

在安全值验证试验中,当拉拔值等于14.09kN时,膨胀螺栓均未出现位移,说明安全可靠；在拉拔破坏性试验中,最终破坏形态为埋置在围岩中的膨胀螺栓出现位移,表现为松动,即视为螺栓已被破坏(现场观察,实际仍能增加荷载),此时从锚杆拉拔仪显示器上读取数据计入表1中,并计算出平均值。本次拉拔破坏试验的平均值为29.10kN。

表1爬罐螺栓拉拔破坏试验实测结果

锚杆编号取样部位检测日期拉拔力/kN实测平均备注1234561号洞直段2015-11-0726.302015-11-07312015-11-073029.10破坏性试验2015-11-0714.092015-11-0714.092015-11-0714.0914.09验证性试验

本次拉拔破坏试验平均值为29.10kN,远远大于14.09kN。表明,将ALIMAK爬罐轨道膨胀螺栓抗拉试验安全值确定为14.09kN,是安全可靠的。需要强调的是，如使用爬罐型号不同，则应对其动、静荷载复合后使用。

6.2拉拔试验的一般要求

拉拔试验应在爬灌使用验收前完成。用于试验的膨胀螺栓可选在工作面附近围岩较差部位布设,分1或2组,每组3根。同等条件下,膨胀螺栓长度可首先选择0.8m进行试验,如果满足要求,其他长度无需再做,如不满足要求,需增加膨胀螺栓长度,直至满足要求。一般情况下,拉拔值大于或等于标准安全值即可,无需做破坏性拉拔试验。

7结语

有资料显示,目前我国抽水蓄能电站装机容量占比不足2%。抽水蓄能电站将面临新的发展机遇期,加上常规水电的再发展,斜井导井施工会大量存在。现阶段,使用爬罐进行斜井的反导井开挖是主要施工手段之一。随着安全意识的不断增强和安全生产管理更加严格,对爬罐安全性试验也会提出一些新的要求。研究和确定ALIMAK爬罐轨道膨胀螺栓抗拉试验标准安全值,对于确保安全生产具有现实意义,也将为满足市场需求提供便利条件。

致谢：文中计算部分由上海交通大学船舶与建筑学院土木工程系博士生导师、副教授邓雪原和硕士研究生周洪波复核、校验。在此表示感谢!

参考文献：

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[2]李安邦, 聂羽, 刘成良. 厚煤层全煤巷道单轨吊车的联合锚杆吊挂技术[J]. 黑龙江科技大学学报, 2014, 24(5)： 282- 311.

[3]常焕生, 曲建军, 金晨. 桐柏抽水蓄能电站陡倾角大直径长斜井开挖施工技术[J]. 水力发电, 2006, 32(5)： 33- 35.

[4]王胜仙. 引水斜井开挖施工技术[J]. 水利规划与设计, 2013(1)： 61- 64.

(责任编辑焦雪梅)

收稿日期：2015- 12- 03

作者简介：费万堂(1963—),男,辽宁朝阳人,教授级高工,主要从事抽水蓄能电站运行管理和工程建设管理工作；常世举(通讯作者)．

中图分类号：TV534

文献标识码：A

文章编号：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