钢结构提升井塔体系的探讨

2020-05-14刘彦东王志杰张振宇

煤炭工程 2020年4期

刘彦东，王志杰，刘兵，张振宇

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710054；2.成都基准方中建筑设计有限公司郑州分公司，河南郑州 450000)

矿井立井提升构筑物常采用井架或井塔。考虑寒冷、钢丝绳防滑等因素，在寒冷及严寒地区一般采用井塔提升，更有利于提升系统长期稳定运行。煤炭行业的井塔据统计约占整个矿山提升井塔数量的三分之二[1]，而且随着资源开采向深部发展、单井规模越来越大，大型井塔得到了广泛应用。

目前已建成的大型井塔多为钢筋混凝土结构体系，其刚度大、承载力较高，可以较好的满足矿山生产的使用要求，但是存在自重大、现场混凝土浇筑湿作业量大、施工周期长、占用井口时间长等缺点，成为制约矿井地面建筑施工的关键工程。钢结构井塔具有建设周期短、自重小、更容易实现工业化生产和装配式施工，具有很好的抗震性能，同时能够实现结构寿命期后绝大部分可回收的绿色建筑目标，具有良好的应用前景。我国目前高层钢结构主要应用在建筑领域，大型高层工业建筑鲜有应用，而矿井提升井塔又有与高层民用建筑显著不同的使用功能和受力特点，本文结合井塔的工艺、受力等特点探讨了钢结构井塔的结构体系。

1 矿山提升井塔的使用功能和结构特征

1.1 提升井塔的功能特点

井塔按照提升功能可分为主井井塔和副井井塔。主井井塔的主要功能为利用箕斗提升物料，可分为下部、塔身和上部三部分，在井塔的下部布置有料仓和运输系统，在井塔的上部大厅层布置提升机、减速器、电动机和操作室，大厅层上布置供安装和检修的起重机，大厅层下布置导向轮，塔身有一层为提升容器的防撞系统，其余各层可布置配电、通风等设备[2-4]。副井的主要功能为利用罐笼升降人员及运送材料设备，与主井不同的地方是下部没有料仓和运输系统，但在首层应考虑人员上、下罐笼的路线，运输设备材料的进车和出车，还要设置视眼良好的信号室[5，6]。

1.2 提升井塔的结构布置特点

井塔结构设计使用年限应与矿井生产服务年限相适应，井塔担负着物料提升、升降人员和运送材料设备，是矿井生产的重要构筑物，井塔结构安全等级为一级，抗震设防类别为重点设防类[7]。

井塔除工作荷载外还要承受较大的偶然荷载：断绳荷载、防坠器制动荷载、过卷荷载和托罐荷载。其中断绳荷载是提升容器全速的提升过程中，意外地受到包括罐道、罐道梁或井壁等不正常结构突出的某种阻碍，而使提升容器突然卡住，或者由于操作失误和电控失灵，引起容器过卷而被楔形罐道和防撞梁卡住，而提升机仍继续向上提升容器，导致一侧提升钢丝绳全部被拉断[8]。

井塔的主要荷载集中在提升大厅层、导向轮层和防撞梁层，且层高由工艺确定，层高差异较大，其他楼层设备少，荷载小，使得竖向刚度分布不均匀。

井塔平面布置受限制因素多，首层的布置主要受井筒大小的影响，采用冻结法施工井壁时，还要考虑冻结管的布置，副井要求信号室的视线无遮挡，主井运输物流的出口不宜布置在井塔的角部(一般有剪力墙，减小对剪力墙开洞的削弱)，塔身各层有垂直吊装孔和垂直罐道孔留洞，大厅层有摩擦轮和电机等，荷载较大，尽可能使得主受力梁传力直接简单。

井塔大厅层以上内柱不能伸上去，为排架结构，层高约为15～18m，刚度减小明显，并要布置70～100t起重机一台，受力较大。

1.3 钢结构提升井塔的特点

钢筋混凝土井塔的中间内柱承受主要的竖向荷载，周边结构以自重为主，竖向受力差异较大，水平剪力滞后现象严重。作为高层结构的多道抗震设防基本以外筒构件为主，中间柱数量较少，层高很高，几乎无法提供主体结构刚度退化后的抗侧要求。钢结构井塔主要通过柱及支撑提供抗侧力刚度、传递水平荷载，具有良好的抗震性能。

钢筋混凝土井塔的自重较大，结构材料承担了较多的自重荷载，钢结构井塔能够大大降低井塔的自重，可以充分发挥材料的特性[9-11]。钢材在工厂加工，运输到施工现场快速拼装，减少了占用井口的时间，加快了井塔施工周期。钢结构承载力高，更容易实现大空间、大跨度的布置。钢结构井塔减小现场混凝土浇筑湿作业量，可实现节能减排、绿色、装配式发展。钢筋混凝土结构由于自身刚度很大，可通过一些概念设计和构造来满足设备振动的影响。但钢结构井塔的设计必须考虑设备振动的影响和受工艺要求的水平位移限值。

2 钢结构提升井塔体系选择

巴拉素矿井设计生产能力10.00Mt/a，位于陕西省榆林市，该地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组。副立井井塔结构型式采用钢筋混凝土外箱内框结构，总轴网尺寸为24.5m×25m，总高度68m，井筒内径10.5m，提升大厅层标高50.7m，设直径6.0m和直径2.0m的两台多绳摩擦轮提升机，提升机大厅上设一台75/20t的起重机，轨面标高55m，该井塔为较为典型的大型煤矿副立井井塔。本文以巴拉素副立井井塔为参考对象，研究钢结构井塔的体系。

钢结构井塔的结构体系首先要满足工艺和功能要求、其次要充分发挥结构的自身优势，本文探索性的提出了三种结构体系：钢框架-支撑体系、巨型钢框架体系、桁架筒体体系。

2.1 钢框架-支撑体系

柱网布置结合钢筋混凝土外箱内框结构，柱子布置避开井筒位置、提升孔和罐道留洞，并尽可能使得提升机主梁跨度小，传力简单直接，X、Y向轴网尺寸约为6m、12m、6m。

支撑布置在四个角部，并根据计算需要可在外框中部设置支撑，如图1所示。竖向楼层高度首先满足工艺要求，塔身空层可结合上下楼层的刚度，控制在8m左右。梁基本上以实腹式梁为主，提升机大梁由于受力较大，可采用桁架体系。钢结构井塔的楼板宜采用组合楼板，钢梁上翼缘表面设置抗剪健，并在楼板内增设水平支撑，可有效传递楼层水平剪力(其余两种体系与此相同)。钢结构主井井塔的煤仓设置成落地式，减少对主体结构的影响(其余两种体系与此相同)。

图1 钢框架-支撑体系平面图(mm)

该体系平面布置规则，受力简单明确，由框架部分的内柱承担主要竖向荷载，由支撑部分抵抗水平荷载，提供抗侧刚度，减小水平位移和扭转[12]。该体系的问题有：①考虑各层框架柱承受的总地震剪力不应小于井塔底层总地震剪力的25%和框架部分计算最大层剪力的1.8倍二者的较小值[7]，进一步增大中柱的截面，但由于剪力滞后的问题，中柱的抗剪能力发挥不充分；②周圈框架柱轴力较小，截面的强度发挥不充分。

2.2 巨型钢框架体系

在钢框架-支撑体系的基础上缩小角部四柱之间的间距，使得一侧可布置吊装孔，一侧电机留洞处框架梁贯通，并结合楼、电梯间的布置，X、Y向轴网尺寸约为4m、16m、4m。每个角部的四柱间用支撑连接，形成一个巨型框架柱，如图2所示。

图2 巨型钢框架体系平面图(mm)

四个巨型框架柱通过设置一定数量的巨型梁形成巨型框架体系。巨型梁可根据受力特点和竖向刚度的连续性布置在防撞梁层、大厅层、顶层，可采用桁架梁体系。竖向楼层高度只满足工艺要求，可以不设置空层。

该体系平面布置可根据工艺需要灵活布置，基本上不受井筒、罐道孔留洞、提升机主梁布置的影响。该体系传力明确，巨型框架柱、巨型梁为主要的承重体系和抗侧力体系，刚度大，整体性能良好，其余常规构件起辅助作用和大震下的耗能作用[13]。

该体系问题：四个矩形柱内的空间受限且要布置支撑，不便于利用，可根据实际情况布置楼梯间、电梯间、管道井等。

2.3 桁架筒体体系

在井塔四周设八个格构柱，周圈设支撑斜杆，支撑斜杆跨越井塔一个面的边长，两个面的支撑斜杆相交于角柱上，形成八面体巨型桁架筒体结构。该体系中间可不设内柱，仅考虑罐道留洞不影响主梁的贯通，X、Y向轴网尺寸约为7m、10m、7m，如图3所示。节间高度可根据工艺要求并结合支撑角度确定，如图4所示。梁可布置双向桁架井字梁，结合楼层高度，桁架梁上、下弦布置楼层。也可布置交错桁架梁，相邻两层一层布置X向桁架梁，另一层布置Y向桁架梁。

图3 桁架筒体体系平面图(mm)

图4 桁架筒体体系立面图(mm)

该体系可实现与井筒的同时施工，加快建井周期，布置进一步释放受限制条件，不受井筒大小、吊装孔等因素的影响，平面可实现最大化的灵活布置，立面造型也更加美观。八面形桁架筒体体系是巨型桁架体系的型式之一，将水平侧力转化成杆件的轴向力向下传递，充分利用杆件的轴向刚度远大于剪弯刚度的优点，形成了极为有效的抗侧力体系[14，15]，应用在井塔结构中，既能解决井塔的功能要求，又能充分发挥桁架筒体体系的特点。

该体系包括：由于大厅层上要布置起重机，需要将角部悬挑，井塔外轮廓形成矩形截面；梁的跨度大，需要布置桁架梁，对工艺布置、通道、门的留设有一定的影响。

3 钢框架-支撑体系的计算分析

钢框架-支撑体系与钢筋混凝土外箱内框结构布置较为接近，且梁跨度较小，实施难度最小，本文以巴拉素副立井井塔为参考对象，进行钢框架-支撑副立井井塔的计算分析。

3.1 结构布置及荷载取值

平面X向轴网尺寸取7m、11m、7m，Y向轴网尺寸取7m、13m、5m，中柱截面取□1000mm×1000mm×30mm×30mm，边柱截面取□700mm×1000mm×30mm×30mm，角柱截面取□600mm×600mm×15mm×15mm，典型楼层的平面布置如图5所示。竖向楼层布置未考虑夹层，在标高15.5m、24m(防撞梁层)、33m(导向轮层)、42m(设备层)、51m(提升大厅层)、68m(顶层)设置楼层，如图6、图7所示。

井塔结构荷载有永久荷载、可变荷载、偶然荷载和地震作用，荷载取值根据规范规定进行取值和计算。