王建群，李大浪，黃恒平，劉榮樂

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

冶金礦山大型鋼井架模塊化設(shè)計研究與應用

王建群，李大浪，黃恒平，劉榮樂

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

某國外礦山大型鋼井架總高65 m,結(jié)構(gòu)型式為圓鋼管雙斜柱鋼井架,采用模塊化設(shè)計技術(shù)。本文介紹了鋼井架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和模塊化技術(shù)全過程,并重點對鋼井架的結(jié)構(gòu)選型、模塊劃分及組裝進行了較為詳細的闡述。工程應用結(jié)果表明,該新型鋼井架節(jié)約用材,施工簡便,具有明顯的綜合經(jīng)濟效益。

鋼井架；圓鋼管斜柱；主體結(jié)構(gòu)設(shè)計；模塊化分割；模塊化安裝

井架作為礦山豎井提升的主要構(gòu)筑物,主要用于支承提升天輪、固定提升套架和承受礦井提升荷重。目前礦山豎井井架一般采用大型箱型體鋼結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的井架安裝方法：將鋼井架劃分為主、副斜架吊裝單元,采用地面分片組對,使用吊裝設(shè)備將主、副斜架豎立就位并完成對接,拼接部位高空焊接固定完畢后,再將設(shè)備吊運到位進行安裝。由于大型箱型鋼結(jié)構(gòu)井架構(gòu)造復雜、用鋼量多、焊接工作量大,且加工制作周期長,施工過程中存在對吊裝設(shè)備要求高、現(xiàn)場焊接質(zhì)量難以保證、施工措施費用高、安裝難度大且精度差等缺點。本文結(jié)合具體工程,對傳統(tǒng)的雙斜撐式鋼井架進行截面選型優(yōu)化,并將模塊化技術(shù)理念引入到鋼井架的設(shè)計與施工中,提出一種節(jié)約用材、施工簡便的新型圓鋼管斜柱鋼井架。

1　工程概況

某銅礦項目位于土耳其北部卡斯塔莫努區(qū),該礦區(qū)屬高原區(qū),山峰起伏，鋼井架建于海拔1 100 m的高山頂峰,設(shè)計年提升量1 500 kt。鋼井架總高度為65.0 m,井架底部平面尺寸24 m×36 m,井架沿豎向設(shè)7層平臺,標高18.0 m為卸載平臺;3層罐道平臺標高分別為：標高28.50 m、36.0 m,45.0 m;2層天輪平臺分別為：下天輪平臺標高為51.1 m、上天輪平臺標高57.6 m;頂層為天輪安裝檢修平臺,其標高為65.0 m。井架主結(jié)構(gòu)為塔形鋼架結(jié)構(gòu),主斜柱采用圓鋼管格構(gòu)柱,副斜柱采用單圓管鋼柱,斜柱基礎(chǔ)采用獨立基礎(chǔ),鋼井架采用歐洲標準規(guī)范和中國規(guī)范雙控方式進行設(shè)計。項目的效果圖見圖1,整體結(jié)構(gòu)三維模型見圖2。

圖1　鋼井架效果

圖2　鋼井架三維模型

2　主體結(jié)構(gòu)體系

2.1結(jié)構(gòu)的選型

采用傳統(tǒng)的設(shè)計思路,將鋼井架劃分為主、副斜架大型箱型鋼結(jié)構(gòu)吊裝單元,采用地面分片組對,使用吊裝設(shè)備將主、副斜架豎立就位并完成對接,拼接部位高空焊接固定完畢后,再將設(shè)備吊運到位，進行安裝。由于建設(shè)場地地處高原,道路狹窄而且坡度大,大型鋼構(gòu)件的現(xiàn)場運輸、吊裝非常困難,幾乎難以實現(xiàn)。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況,通過理論分析,借鑒冶金礦山模塊化建造技術(shù)的研究成果，決定采用模塊化新型圓鋼管斜柱鋼井架,結(jié)合井架平臺的使用功能進行安裝模塊劃分,減少了鋼結(jié)構(gòu)件的運輸重量和尺寸,預安裝部分主要設(shè)備,模塊間采用螺栓連接,提高了安裝精度,大大節(jié)約了現(xiàn)場安裝工時,降低工程造價。

2.2結(jié)構(gòu)的型式

鋼井架一般分為單斜撐式和雙斜撐式兩種結(jié)構(gòu)型式。本工程的井架設(shè)計具有高度較高、鋼絲繩破斷力大、抗震設(shè)防烈度高等特點。這給井架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性及頂點位移控制提出了更高的要求,因此主體結(jié)構(gòu)采用較為可靠的雙斜撐式鋼井架。鋼井架工藝平臺立面見圖3。

2.3截面選型和材質(zhì)

由于主斜架承擔大部分提升荷載,是井架主要受力構(gòu)件,所以用鋼量所占比重比較大。主斜架為壓彎構(gòu)件,斜架計算長度大,因此通常為穩(wěn)定控制。這要求斜架柱截面的回轉(zhuǎn)半徑比較大,才能滿足柱的穩(wěn)定性。通過與組合箱型截面方案對比,相同力學特性大截面柱,主斜架采用圓鋼管格構(gòu)柱截面可以節(jié)省鋼材。圓鋼管可以工廠加工成型,加工簡便,大大減少焊接工作量。圓管單肢構(gòu)件重量輕,單肢柱圓管現(xiàn)場法蘭連接,便于現(xiàn)場安裝。主斜柱截面示意見圖4。

圖3　鋼井架工藝平臺立面

圖4　主斜柱截面示意

鋼材的采購遵循在滿足使用的物理力學性能的前提下就近采購的原則。本工程地處土耳其,現(xiàn)場材料供應為歐標鋼材,因此鋼井架采用歐洲標準的鋼材,主要構(gòu)件采用S355J2低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼-20℃沖擊韌性的合格保證),支撐、系桿等次要構(gòu)件采用S355JR。

3　荷載工況及荷載組合

3.1荷載工況

本工程鋼井架計算的荷載取值及荷載組合均嚴格按照歐洲荷載規(guī)范[1]EN1991要求。荷載工況如下：1)永久荷載。天輪設(shè)備2臺共360 kN,平臺樓面恒載取1.0 kN/m2,井架結(jié)構(gòu)自重由程序自動計算。2)可變荷載。平臺操作活荷載取5 kN/m2,樓梯活荷載取4 kN/m2,走道活荷載取2.5 kN/m2；提升鋼絲繩工作荷載：豎向力1 049 kN,水平力312 kN；卸載裝置工作荷載230 kN,主提升、緊急提升罐道繩液壓拉緊裝置荷載分別為2 240 kN和560 kN,天輪檢修起重機起吊重量20 t；風荷載：設(shè)計風速為26 m/s。3)偶然荷載。偶然荷載包括斷繩荷載和地震荷載。提升鋼絲繩斷繩荷載：豎向力6 657 kN,水平力1 876 kN。地震荷載:地震基本加速度0.3 g。

3.2荷載組合

按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載效應組合，并取各自的最不利的效應組合進行設(shè)計。計算主要采用了以下6種荷載組合：1)1.2恒+1.4平臺活載+1.3提升工作荷載+1.2鋼絲繩罐道荷載+1.4吊車荷載；2)1.2恒+1.4平臺活載+0.85×1.3提升工作荷載+0.85×1.2鋼絲繩罐道荷載+0.6×1.4吊車荷載+1.4（風）；3)1.2恒+0.6×1.2平臺活載+1.0斷繩荷載+0.85×1.2鋼絲繩罐道荷載+0.6×1.4吊車荷載+0.2×1.4（風）；4)1.2恒+1.3提升工作荷載+1.0鋼絲繩罐道荷載+1.3（地震）；5)1.0恒+0.8（1.0平臺活載+1.0提升工作荷載+1.0鋼絲繩罐道荷載+1.0吊車荷載）；6)1.0恒+0.6平臺活載+ 1.0提升工作荷載+1.0鋼絲繩罐道荷載+0.6吊車荷載+0.2（風）。

4　結(jié)構(gòu)計算及設(shè)計

本工程鋼井架設(shè)計安全等級為二級,應按兩種極限狀態(tài)對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進行承載力與穩(wěn)定計算，必要時應進行結(jié)構(gòu)的傾覆及滑移驗算，需要控制變形的結(jié)構(gòu)構(gòu)件還應進行變形驗算。井架結(jié)構(gòu)的荷載效應按彈性理論進行分析[2]。鋼井架是由平面桁架組成的空間鋼結(jié)構(gòu),對于體形復雜的井架結(jié)構(gòu)應采用空間分析方法進行荷載效應計算[3]。

本工程采用SAP2000通用有限元分析軟件建立三維模型對鋼井架進行空間分析計算，并按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范EN1993[4]對鋼構(gòu)件進行截面設(shè)計,并用中國規(guī)范進行驗算,以兩者中較嚴格的標準進行安全度控制,確保新型結(jié)構(gòu)的安全可靠性能。

5　鋼井架的模塊化設(shè)計

為了適應高原山區(qū)的運輸條件，提高建造安裝效率,節(jié)省工程造價,本工程設(shè)計進行了進一步研究,分析結(jié)果得出采用目前先進的模塊化工廠建造技術(shù),可以大大提高效率，合理地進行模塊劃分,有助于設(shè)備安裝和吊裝。

5.1模塊化分割

模塊化工廠建設(shè)首先要進行模塊化設(shè)計,遵循工藝合理性優(yōu)先原則,根據(jù)單元模塊功能、重量、幾何尺寸進行模塊劃分,且各模塊應具有相對獨立功能屬性,并符合國際海事組織(IMO)專業(yè)的標準和規(guī)則,使其能夠同時滿足設(shè)備制造、工藝流程的布置、陸路和海洋運輸、模塊組裝和現(xiàn)場安裝的要求[5]。根據(jù)鋼井架工藝提升方案并考慮運輸?shù)囊?主要分割為卸載平臺模塊、緊急罐籠罐道繩固定平臺及緊急罐籠天輪平臺模塊、主提升罐道繩固定平臺模塊、下天輪平臺模塊,上天輪平臺模塊、天輪安裝檢修平臺模塊,共6大模塊。由于卸載平臺模塊空間尺寸較大,超出公路運輸尺寸要求,因此需將該模塊繼續(xù)分割成若干個子模塊。模塊化的井架強調(diào)設(shè)備與鋼平臺高度集成，各模塊由鋼平臺結(jié)構(gòu)與鋼平臺上的工藝設(shè)備組成并具有相對獨立功能。例如：天輪平臺模塊是由天輪和支承天輪設(shè)備的鋼平臺組合,卸載平臺模塊是由卸料設(shè)備和支承卸料設(shè)備的鋼平臺組合而成；其它輔助鋼平臺由工廠加工并以散件形式運輸至現(xiàn)場進行地面組裝。鋼井架模塊劃分示意見圖5。鋼井架完工實景見圖6。

圖5　鋼井架模塊劃分

圖6　鋼井架完工實景

5.2模塊化梁、柱典型節(jié)點設(shè)計

各模塊的主副斜柱、主梁的拼接均采用等強度設(shè)計原則。主副斜柱拼接點不僅要求強度連續(xù)性，而且要求抗彎剛度的連續(xù)性。法蘭連接具有便于連接、剛度大、承載力高、柱截面尺寸適用范圍廣等優(yōu)點。本工程柱拼接采用加勁肋法蘭連接,由于設(shè)置了加勁肋,剛度大、承載力高、變形小,可以減小法蘭板厚度。梁柱剛接采用帶懸臂段的短牛腿,牛腿與主梁的翼緣、腹板兩側(cè)加連接板完全采用高強螺栓連接,可減少工廠焊接工作量,加快各模塊工廠預組裝的進度，懸臂段端部的外加強環(huán)較大的提高梁柱節(jié)點抗彎承載力。圓管柱拼接大樣詳見圖7，主梁拼接大樣詳見圖8。

圖7　鋼斜柱法蘭拼接

圖8　主梁拼接

6　模塊的制作、安裝

6大模塊及其子模塊分別由制造廠完成制作，并將相應的設(shè)備根據(jù)設(shè)計安裝在對應的模塊上，然后整體運輸至現(xiàn)場；其它輔助鋼平臺構(gòu)件由工廠加工，并以散件形式運輸至現(xiàn)場；現(xiàn)場地面進行卸載平臺各子模塊和輔助平臺組裝；鋼井架的模塊化安裝采用搭積木式安裝模式，由下至上將模塊依次吊裝就位，通過鋼斜柱法蘭拼接安裝固定。

7　結(jié)語

通過鋼井架進行截面選型優(yōu)化，采用圓鋼管格構(gòu)主斜柱和型鋼組合的桁架大跨度梁替換傳統(tǒng)鋼井架設(shè)計的箱型截面，即以圓鋼管空間單元結(jié)構(gòu)體系代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大型箱型鋼結(jié)構(gòu)平面單元拼裝結(jié)構(gòu)體系，可以節(jié)省鋼材，加工簡便，大大減少焊接工作量；采用模塊化設(shè)計與施工技術(shù)，使鋼井架實現(xiàn)集成化、模塊化，很好地解決了大型鋼構(gòu)件運輸、吊裝難題，可進行設(shè)備預安裝，減少了鋼井架結(jié)構(gòu)及提升設(shè)備安裝所需的大量現(xiàn)場人工時，縮短了現(xiàn)場安裝工期，提高了安裝精度，降低了安裝成本。該項技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)成功地申請了國家專利，具有良好的應用前景。

[1]EN1991，Actions on structures[S].

[2]姜智嶺，榮峰.礦山豎井鋼井架設(shè)計[J].鈾礦冶,2010(3):125-129.

[3]GB 50385-2006，礦山井架設(shè)計規(guī)范[S]．

[4]EN1993，Design of steel structures[S].

[5]李大浪,雷存友,王建群,等.模塊化選礦廠磨礦車間的設(shè)計研究[J].有色冶金設(shè)計與研究,2013(4):15-17.

Research and Application of Large Steel Headgear Modularization Design for Metallurgical Mine

WANG Jianqun,LI Dalang,HUANG Hengping,LIU Rongle
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Total height of large steel headgear in a foreign mine is 65m,type of structure is circular steel tube double inclined column steel headgear,technology of modularization design is adopted.The paper introduces structure design of steel headgear and overall process of modularization technology,and focuses on description of structure type selection of steel headgear,modularization division and assembling.Result of engineering application shows that the new steel headgear has the properties of materials saving, convenient construction and obvious comprehensive economic benefit.

steel headgear;circular steel tube inclined column;design of main structure;modularization division;modularization installation

TF08

B

1004-4345(2015)04-0049-04

2015-05-30

中國中冶重大科技專項項目(0012012005)。

王建群(1979—),男,工程師,主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。