費萬堂,關景明,劉林元,常世舉

(1.河北豐寧抽水蓄能有限公司,河北承德067000；2.中國水利水電第一工程局有限公司,吉林長春130000；3.中國水利水電第三工程局有限公司,陜西西安710000；4.河南天池抽水蓄能有限公司,河南南陽473000)

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ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓抗拉試驗安全值的確定

費萬堂1,關景明2,劉林元3,常世舉4

(1.河北豐寧抽水蓄能有限公司,河北承德067000；2.中國水利水電第一工程局有限公司,吉林長春130000；3.中國水利水電第三工程局有限公司,陜西西安710000；4.河南天池抽水蓄能有限公司,河南南陽473000)

摘要：膨脹螺栓是ALIMAK爬罐安全運行的重要承載力構(gòu)件。以豐寧抽水蓄能電站引水系統(tǒng)1號上斜井ALIMAK STH-5D爬罐施工為研究對象,運用相關力學知識對軌道膨脹螺栓進行抗拉理論計算,確定了爬罐軌道膨脹螺栓抗拉承載力的允許值,并經(jīng)過實際拉拔破壞試驗進行了驗證,為爬罐螺栓抗拉試驗安全值的選定提供了可靠的理論依據(jù)。

關鍵詞：ALIMAK爬罐；斜井開挖；膨脹螺栓；拉拔試驗

0引言

阿里瑪克(ALIMAK)爬罐由瑞典ALIMAK公司于19世紀70年代初設計生產(chǎn),80年代引進中國。最早在礦業(yè)和水電站斜井開挖中使用。近20年來,隨著我國水電建設事業(yè)的不斷發(fā)展,特別是抽水蓄能電站的興起,ALIMAK爬罐在水電站陡傾角、長斜井反導井施工中廣泛應用。

過去,當爬罐安裝、調(diào)試完成后,在投入運行之前,一般情況下要做機械性能、安全制動等試驗。由于ALIMAK爬罐是正規(guī)施工設備,并且在國內(nèi)外已使用數(shù)十年,因此,對ALIMAK爬罐的其他安全性試驗是否該做很少有人考慮。隨著社會的不斷進步和以人為本思想的深入人心,政府、企業(yè)、個人乃至整個社會安全意識的不斷增強,近年來,一些抽水蓄能電站的建設方,要求對爬罐軌道膨脹鏍栓進行安全性抗拉試驗。但是,由于ALIMAK爬罐生產(chǎn)廠家沒有給出相應標準,在國內(nèi)也找不到相關依據(jù),抗拉試驗安全標準值的確定成為急需解決的問題。

本文運用相關力學知識,通過對ALIMAK爬罐軌道膨脹鏍栓(也稱為“吊桿”)進行受力計算分析,經(jīng)豐寧抽水蓄能電站現(xiàn)場拉拔試驗驗證,最終確定了ALIMAK爬罐軌道膨脹鏍栓的抗拉試驗標準安全建議值。經(jīng)權(quán)威機構(gòu)確認后,可在工程實踐中推廣使用。

1爬罐結(jié)構(gòu)組成及技術參數(shù)

ALIMAKSTH-5D爬罐系統(tǒng)主要由平臺、主罐和副罐構(gòu)成。主罐頂部有一2.4m×2.4m的操作平臺,人員在平臺上完成鉆孔、填藥、接軌、清撬等操作,最大載荷為5 000kN；副罐具有為主罐提供救援、維修、人員及材料運輸?shù)裙δ?最大載荷為3 500kN；主副罐共用1條軌道,各自獨立運行。爬罐上由齒輪沿軌道的齒槽爬升或下降,主罐共有890、430、1 510、430、1 040、730mm6組車輪輪距7個輪子。

2軌道及膨脹螺栓相關參數(shù)

爬罐軌道分通用軌和加強軌兩種。通用軌有2m和1m長兩個尺寸,可根據(jù)開挖進尺選擇使用。沿軌道上部縱向排列4根φ40mm鋼管,作為布設風、水以及通訊線路的通道。在安裝時,通用軌道每鋪設50m,安裝1根加強軌,特殊情況可適當加密加強軌的數(shù)量。加強軌單根長2m,設計有4組8個螺栓孔,可視情況選擇膨脹螺栓安裝數(shù)量,最多可安裝8根。每根通用軌道單側(cè)端頭設計有一組兩個螺栓孔,用于膨脹螺栓安裝,兩節(jié)軌道間由對接螺栓把合。軌道膨脹螺栓內(nèi)徑20mm,外徑30mm,分0.8、1.2、1.5m長3種,可根據(jù)圍巖和超欠挖情況選擇安裝長度。

3受力分析及研究思路

主罐為爬罐系統(tǒng)的最大載荷構(gòu)件,因此,在研究時,只考慮主罐在滿荷載狀態(tài)下對軌道膨脹螺栓的影響。副罐不在研究范圍之內(nèi)。在斜井反導井施工中,爬罐一般只有平段、斜段、彎段3種運行狀態(tài)。對于軌道膨脹螺栓,當爬罐處于平段時抗拉力呈最大。因此,只選取此種最不利狀態(tài)進行研究。

爬罐平均運行速度為20cm/s,當運行速度達到90cm/s時,隨車保護裝置啟動,剎車報死,緊急制動時間1.00s。在計算分析時,緊急制動時所形成沖量的影響可忽略不計。對比通用軌和加強軌的設計結(jié)構(gòu),就軌道膨脹螺栓而言,連接2m長通用軌道的膨脹螺栓受力更大。因此,本文以此種狀態(tài)的膨脹螺栓為研究對象。

爬罐在斜段下行末端發(fā)生緊急制動時,軌道膨脹螺栓承受剪力最大。在水電工程中,斜井設計傾角一般都小于65°,爬罐在斜井中運行時,軌道膨脹螺栓受拉力、剪力共同作用?？紤]爬罐所配膨脹螺栓的材質(zhì)、直徑和膨脹鏍栓組在一定范圍內(nèi)聯(lián)合受力。因此,軌道膨脹螺栓抗剪不在研究之內(nèi)。

4分析方法與荷載施加

4.1模型簡化和分析方法

在對爬罐軌道螺栓受力分析時,需對分析目標模型結(jié)構(gòu)進行必要的合理簡化。根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力學分析的一般原則,可基于以下基本假設：①軌道材料均為線彈性材料,結(jié)構(gòu)變形遠小于其橫斷面尺寸；②軌道結(jié)構(gòu)不受溫度影響；③由于爬罐行走速度很慢,分析時可以用靜態(tài)的方法來近似代替。

4.2軌道載荷施加

抗拉計算時,柴油液壓動力組件、打鉆平臺、載人(物)組件間為非剛性連接,分別作為獨立荷載考慮。根據(jù)車輪數(shù)按7個集中力來計算得到：P1=7kN,P2=P3=P4=P5=4.825kN,P6=2.15kN,P7=6.14kN。軌道自重作為均布荷載考慮，即0.44kN/m。計算簡圖見圖1。

圖1　軌道簡化受力示意(單位：mm)

5抗拉承載力計算

5.1直線軌道動靜態(tài)工況受拉計算

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式與荷載特性,采用結(jié)構(gòu)力學的影響線方法計算。以B吊桿為例(如圖2),采用將輪2、輪3、輪4、輪5分別放在B支座位置4種工況,能使車輪數(shù)最大化的放置在AB,BC兩段。此時吊桿B受力最大。

圖2　B吊桿與B支座位置

其中吊桿B的拉力影響線如圖3所示。將輪2、輪3、輪4、輪5分別放在B支座位置時的拉力影響線如圖4所示。

圖3　吊桿B的拉力影響線

圖4　車輪位于B位置時的影響線

根據(jù)本工程案例的受力特點及受力情況,在研究爬罐螺栓受力時,爬罐作為動荷載考慮,軌道荷載作為靜荷載考慮。根據(jù)受力大小判斷本例由活荷載起控制作用。根據(jù)GB5009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第3.2.3條,活荷載分項系數(shù)取1.4,靜荷載分項系數(shù)取1.2。通過計算得到：第1種工況Fb=18.77kN；第2種工況Fb=18.32kN；第3種工況Fb=15.78kN；第4種工況Fb=15.76kN,綜上,吊桿B受力最大為18.77kN。

5.2單根膨脹螺栓靜態(tài)工況受拉計算

螺栓受力分析如圖1所示。兩節(jié)軌道連接處有兩根螺栓把合,共同承擔軌道、爬罐各部件及承載物的重力。當輪2置于吊桿B位置時,兩節(jié)螺栓所受拉力最大,單根拉力N單=Fb/2=9.39kN。

6抗拉試驗安全值的確定

根據(jù)計算,單根膨脹螺栓在最不利狀態(tài)下承受的拉力為9.39kN,安全系數(shù)選定為1.5倍,即軌道膨脹螺栓抗拉試驗安全值可初步設定為14.09kN。

6.1現(xiàn)場抗拉試驗

本次試驗使用SW—300錨桿拉拔儀進行。試驗分2組,每組3根,分別由監(jiān)理工程師在臨近工作面圍巖較差部位選定,其中一組用于安全值驗證性試驗,另一組用于破壞性試驗。

在安全值驗證試驗中,當拉拔值等于14.09kN時,膨脹螺栓均未出現(xiàn)位移,說明安全可靠；在拉拔破壞性試驗中,最終破壞形態(tài)為埋置在圍巖中的膨脹螺栓出現(xiàn)位移,表現(xiàn)為松動,即視為螺栓已被破壞(現(xiàn)場觀察,實際仍能增加荷載),此時從錨桿拉拔儀顯示器上讀取數(shù)據(jù)計入表1中,并計算出平均值。本次拉拔破壞試驗的平均值為29.10kN。

表1爬罐螺栓拉拔破壞試驗實測結(jié)果

錨桿編號取樣部位檢測日期拉拔力/kN實測平均備注1234561號洞直段2015-11-0726.302015-11-07312015-11-073029.10破壞性試驗2015-11-0714.092015-11-0714.092015-11-0714.0914.09驗證性試驗

本次拉拔破壞試驗平均值為29.10kN,遠遠大于14.09kN。表明,將ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓抗拉試驗安全值確定為14.09kN,是安全可靠的。需要強調(diào)的是，如使用爬罐型號不同，則應對其動、靜荷載復合后使用。

6.2拉拔試驗的一般要求

拉拔試驗應在爬灌使用驗收前完成。用于試驗的膨脹螺栓可選在工作面附近圍巖較差部位布設,分1或2組,每組3根。同等條件下,膨脹螺栓長度可首先選擇0.8m進行試驗,如果滿足要求,其他長度無需再做,如不滿足要求,需增加膨脹螺栓長度,直至滿足要求。一般情況下,拉拔值大于或等于標準安全值即可,無需做破壞性拉拔試驗。

7結(jié)語

有資料顯示,目前我國抽水蓄能電站裝機容量占比不足2%。抽水蓄能電站將面臨新的發(fā)展機遇期,加上常規(guī)水電的再發(fā)展,斜井導井施工會大量存在?，F(xiàn)階段,使用爬罐進行斜井的反導井開挖是主要施工手段之一。隨著安全意識的不斷增強和安全生產(chǎn)管理更加嚴格,對爬罐安全性試驗也會提出一些新的要求。研究和確定ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓抗拉試驗標準安全值,對于確保安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義,也將為滿足市場需求提供便利條件。

致謝：文中計算部分由上海交通大學船舶與建筑學院土木工程系博士生導師、副教授鄧雪原和碩士研究生周洪波復核、校驗。在此表示感謝!

參考文獻：

[1]劉天英, 孟健. 大起重量懸掛運輸設備軌道梁計算分析[J]. 吉林電力, 2013, 41(2): 24- 27.

[2]李安邦, 聶羽, 劉成良. 厚煤層全煤巷道單軌吊車的聯(lián)合錨桿吊掛技術[J]. 黑龍江科技大學學報, 2014, 24(5)： 282- 311.

[3]常煥生, 曲建軍, 金晨. 桐柏抽水蓄能電站陡傾角大直徑長斜井開挖施工技術[J]. 水力發(fā)電, 2006, 32(5)： 33- 35.

[4]王勝仙. 引水斜井開挖施工技術[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2013(1)： 61- 64.

(責任編輯焦雪梅)

收稿日期：2015- 12- 03

作者簡介：費萬堂(1963—),男,遼寧朝陽人,教授級高工,主要從事抽水蓄能電站運行管理和工程建設管理工作；常世舉(通訊作者)．

中圖分類號：TV534

文獻標識碼：A

文章編號：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