一种竖井扩挖凿井井架的设计方法与流程

技术特征：

1.一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，包括如下方法：

(1)竖井扩挖凿井井架的结构设计；

(2)竖井扩挖凿井井架的结构材料选择；

(3)竖井扩挖凿井井架的载荷和强度验证。

2.根据权利要求1所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，在步骤(1)中，针对下水平出矸类型井筒的竖井扩挖凿井井架，包括天轮架平台、竖向立柱(1)、斜撑组和防滑钢板(13)；四根所述竖向立柱(1)顶端与长方形的所述天轮架平台的四个端点固定连接；所述竖向立柱(1)低端与地面井口上预先在混凝土板中预埋钢板固定连接；所述斜撑组为上窄下宽的梯形结构，所述斜撑组的上端抵顶并固定连接在所述竖向立柱(1)顶端；所述斜撑组的下端与地面井口上预先在混凝土板中预埋钢板固定连接；所述斜撑组与地面的夹角为60°；所述天轮架平台上表面为防滑钢板(13)，所述四根所述竖向立柱(1)通过立柱纵连接杆(5)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，所述天轮架平台包括一根承重主梁(19)、两根承重边梁(20)、两根纵梁(11)、两根横跨梁(12)、两根第一联络梁(21)和四根第二联络梁(22)；

两根纵梁(11)相对、两根横跨梁(12)相对，且所述纵梁(11)与所述横跨梁(12)首尾固定连接；所述承重主梁(19)的两端分别与两根所述横跨梁(12)的中点固定连接；所述承重边梁(20)分别位于所述承重主梁(19)与所述纵梁(11)之间，且所述承重边梁(20)的两端与两根所述横跨梁(12)固定连接；所述第一联络梁(21)位于所述承重主梁(19)与所述承重边梁(20)之间，且所述第一联络梁(21)两端分别与所述承重主梁(19)与所述承重边梁(20)固定连接；所述第二联络梁(22)位于所述纵梁(11)与所述承重边梁(20)之间，且所述第二联络梁(22)两端分别与所述纵梁(11)与所述承重边梁(20)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，所述斜撑组包括两根主撑杆(6)、一根横连接杆(16)、纵连接杆(7)、上斜拉杆(14)、上斜立杆(15)、下斜拉杆(18)和下斜撑杆(17)；两根所述主撑杆(6)的上端抵顶在一根所述横跨梁(12)的两端、并分别与所述竖向立柱(1)顶端固定连接；两根所述主撑杆(6)的下端与地面井口上预先在混凝土板中预埋钢板固定连接；所述横连接杆(16)的两端分别与两根所述主撑杆(6)的中点固定连接；所述上斜拉杆(14)上端与所述主撑杆(6)的顶端固定连接；所述上斜立杆(15)的两端分别与所述横跨梁(12)的中点和所述横连接杆(16)中点固定连接；所述上斜拉杆(14)下端与所述横连接杆(16)的中点固定连接，所述上斜拉杆(14)上端与所述主撑杆(6)的顶端固定连接；所述下斜撑杆(17)的上端与述横连接杆(16)的中点固定连接，所述下斜撑杆(17)的下端与所述主撑杆(6)的底端固定连接；所述下斜拉杆(18)的上端与所述主撑杆(6)的中点固定连接，所述下斜拉杆(18)的下端与所述下斜撑杆(17)的中点固定连接；所述纵连接杆(7)的一端与所述竖向立柱(1)的一端固定连接，所述纵连接杆(7)的另一端与所述主撑杆(6)和所述横连接杆(16)固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述天轮架平台、所述竖向立柱(1)和所述斜撑组为hw-400×400的型钢。

6.根据权利要求5所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，在步骤(3)中，对所述天轮架平台的承重主梁(19)和承重边梁(20)进行承重验算，对竖向立柱(1)和主撑杆(6)进行承重验算，对竖井扩挖凿井井架基础进行验算。

7.根据权利要求6所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，承重主梁(19)验证：

承重主梁(19)静力计算：

单跨梁形式：两端固定梁；

计算模型基本参数：长l＝5.4m，a＝0.9m；a为承重主梁(19)的端点a和b分别距离受力点c和d的距离；

集中力：标准值pk＝pg+pq＝10+160＝170kn，其中恒载为竖井扩挖凿井井架及天轮架单根自重按10kn计算，活载为提升罐笼和人员设备的重量，按160kn计算；其中：pk为集中力的标准值；pg为恒载、pc为活载；

集中力的设计值pd＝pg×γg+pq×γq＝10×1.2+160×1.4＝236kn；其中：γg为恒载应用计算安全系数、γq活载应用计算安全系数；

承重主梁(19)受荷截面：

截面类型：h型钢：400×400×13×21；

截面特性：截面对x轴的惯性距ix＝65361.58cm⁴；截面对x轴的抵抗矩wx＝3268.07cm³；型心对x轴的静距sx＝1800.06cm³；截面静载荷g＝168.41kg/m；翼缘厚度tf＝21mm；腹板厚度tw＝13mm；

承重主梁(19)材质：q235，x轴塑性发展系数γx：1.05；承重主梁(19)的挠度控制[v]：l/250；

承重主梁(19)的内力计算，承重主梁(19)的两个端点分别为a点和b点：

支座反力ra＝pd＝236kn，支座反力rb＝ra＝236kn，最大弯矩mmax＝pd×a×a/l＝35.4kn.m；

承重主梁(19)的强度及刚度验算：

弯曲正应力：σmax＝mmax/(γx×wx)＝10.32n/mm²；

a处剪应力τa＝ra×sx/(ix×tw)＝50n/mm²

b处剪应力τb＝rb×sx/(ix×tw)＝50n/mm²

最大挠度fmax＝pk×a×a×l/24×(3-4×a/l)×1/(e×i)＝0.54mm；e代表弹性截面模量，单位n/mm²；i代表截面惯性距，单位mm⁴；

相对挠度v＝fmax/l＝1/10057.5；

弯曲正应力σmax＝10.32n/mm²<抗弯设计值f:205n/mm²；符合要求；

支座最大剪应力τmax＝50n/mm²<抗剪设计值fv:125n/mm²；符合要求；

跨中挠度相对值v＝l/10057.5<挠度控制值[v]:l/250；符合要求；

承重主梁(19)的弯曲正应力、支座最大剪应力和跨中挠度相对值均符合要求，验证通过。

8.根据权利要求6所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，承重边梁(20)验证：

承重边梁(20)的静力计算

单跨梁形式：两端固定梁；

计算模型基本参数：长l＝5.4m，c＝1.35m；c为相邻集中力间距；承重边梁(20)被平均分成5段，每段的距离为c；

集中力：标准值pk＝pg+pq＝10+23＝33kn，其中恒载为竖井扩挖凿井井架及天轮架单根计算自重按10kn计算，活载为中间跨两端支座压力，按23kn计算；其中pk为集中力的标准值；pg为恒载、pc为活载；

设计值pd＝pg×γg+pq×γq＝10×1.2+23×1.4＝44.2kn；其中：γg为恒载应用计算安全系数、γq活载应用计算安全系数；

承重边梁(20)的受荷截面：

截面类型：h型钢：400×400×13×21；

截面特性：截面对x轴的惯性距ix＝65361.58cm⁴，截面对x轴的抵抗矩wx＝3268.07cm³，型心对x轴的静距sx＝1800.06cm³；截面静载荷g＝168.41kg/m；翼缘厚度tf＝21mm腹板厚度tw＝13mm；

承重边梁(20)材质：q235，x轴塑性发展系数γx：1.05，梁的挠度控制[v]：l/250；

承重边梁(20)的内力计算，承重边梁(20)的两个端点分别为a点和b点：

支座反力ra＝(n-1)/2×pd＝66.3kn，支座反力rb＝ra＝66.3kn；最大弯矩mmax＝(n×n+2)/(24×n)×pd×l＝44.75kn.m，其中力矩比值n＝l\c；

承重边梁(20)的强度及刚度验算结果：

弯曲正应力σmax＝mmax/(γx×wx)＝13.04n/mm²；

b处剪应力τb＝rb×sx/(ix×tw)＝14.05n/mm²；

最大挠度fmax＝n×pk×l^3/384×1/(e×i)＝4mm，其中n＝l\c；

相对挠度v＝fmax/l＝1/13432.6；

弯曲正应力σmax＝13.04n/mm²<抗弯设计值f:205n/mm²；符合要求；

支座最大剪应力τmax＝14.05n/mm²<抗剪设计值fv:125n/mm²；符合要求；

跨中挠度相对值v＝l/13432.6<挠度控制值[v]:l/250；符合要求；

承重边梁(20)的弯曲正应力、支座最大剪应力和跨中挠度相对值均符合要求，验证通过。

9.根据权利要求6所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，竖向立柱(1)的验证：

构件材料特性：

材料名称：q235，构件截面的最大厚度:21.00mm，设计强度:205.00n/mm2，屈服强度:235.00n/mm2，截面特性，截面名称:双轴对称焊接工字钢:b＝400mm，翼缘板宽度[3d≤b≤40t]:400mm，腹板厚度[(h-2t)/40≤d≤b/3]:13mm，翼缘板厚度[b/40≤t]:21mm，截面高度[4t≤h≤(40d+2t)]:400mm，缀件类型：构件高度：9.710m，容许强度安全系数：1.00，容许稳定性安全系数：1.00；

荷载信息：

恒载分项系数:1.20，活载分项系数:1.40，活载调整系数:1.00，考虑自重，轴向恒载标准值:12.500kn，主要为天轮架自重，自重按50kn计算，折算至每个竖向立柱(1)的力为50÷4＝12.5kn，轴向活载标准值:65.000kn，

偏心距ex:171.0cm，偏心距ey:0.0cm；

端部约束信息：

x-z平面内顶部约束类型:固定，

x-z平面内底部约束类型:固定，

x-z平面内计算长度系数:0.65，

y-z平面内顶部约束类型:固定，

y-z平面内底部约束类型:固定，

y-z平面内计算长度系数:0.65；

截面几何特性：

抗拉强度:205.00n/mm²，抗压强度:205.00n/mm²，抗弯强度:205.00n/mm²，抗剪强度:120.00n/mm²，屈服强度:235.00n/mm²，密度:785.00kg/m³；

稳定信息：

绕x轴弯曲:长细比:λx＝36.16，轴心受压整体稳定系数:均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数:最小稳定性安全系数:1.38，最大稳定性安全系数:1.38，最小稳定性安全系数对应的截面到构件顶端的距离:9.710m，最大稳定性安全系数对应的截面到构件顶端的距离:0.000m，绕x轴最不利位置稳定应力按《钢结构规范》公式(5.2.5-1)：

满足要求；

其中：n为构件承受的轴力标准值；为x轴心受压整体稳定系数；a—截面净截面面积；βmx—x轴压弯构件稳定的等效弯矩系数；rx—x轴塑性发展系数；wx—x轴弯矩作用平面内较大受压纤维的毛截面抵抗距；βmx—x轴压弯构件稳定的等效弯矩系数；mx—x轴所计算构件段范围内最大弯矩；n’ex—欧拉临界力，对截面x轴；η—轴心受力加固构件强度降低系数；βty—y轴等效弯矩系数；my—y轴所计算构件段范围内x轴的最大弯矩；轴均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数；wy—y轴弯矩作用平面内较大受压纤维的毛截面抵抗距，对截面y轴；

绕y轴弯曲:

长细比:λy＝61.76，轴心受压整体稳定系数:φy＝0.697，均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数:φbx＝0.983，最小稳定性安全系数:1.62，最大稳定性安全系数:1.62，最小稳定性安全系数对应的截面到构件顶端的距离:9.710m，最大稳定性安全系数对应的截面到构件顶端的距离:0.000m，绕y轴最不利位置稳定应力按《钢结构规范》公式(5.2.5-2)

满足要求；

其中：n为构件承受的轴力标准值，为y轴心受压整体稳定系数；a—截面净截面面积；a—截面净截面面积；βtx—x轴等效弯矩系数；mx—x轴所计算构件段范围内最大弯矩；轴均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数；wx—x轴弯矩作用平面内较大受压纤维的毛截面抵抗距；βmy—y轴压弯构件稳定的等效弯矩系数；my—y轴所计算构件段范围内最大弯矩；ry—y轴塑性发展系数；wy—y轴弯矩作用平面内较大受压纤维的毛截面抵抗距；my—所计算构件段范围内x轴的最大弯矩；n’ey—欧拉临界力,对截面y轴；

强度信息：

最大强度安全系数:1.65，最小强度安全系数:1.65，最大强度安全系数对应的截面到构件顶端的距离:0.000m，最小强度安全系数对应的截面到构件顶端的距离:9.710m，计算荷载:95.96kn，受力状态:绕y轴单弯；

最不利位置强度应力按《钢结构规范》公式(5.2.1)

满足要求；

其中，an—计算截面净截面面积；n—构件承受的轴力标准值；my—所计算构件段范围内x轴的最大弯矩；ry—y轴塑性发展系数；wny—对y轴的净截面抵抗距。

10.根据权利要求6所述的一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，其特征在于，竖井扩挖凿井井架基础验算：

在井口新增加一圈井台c30混凝土，混凝土边缘距离井口3m，预先在混凝土板中预埋钢板与竖井扩挖凿井井架连接，混凝土基础厚度为0.8m，双向配筋：

受冲切承载力计算：计算是按不配钢筋计算，根据《水工混凝土结构设计规范》，受冲切承载力计算如下：

fl：局部荷载设计值或集中反力设计值，对板柱结构的节点，取柱所承受的轴向压力设计值的层间差值减去冲切破坏锥体内板所承受的荷载设计值；

γd：钢筋混凝土结构的结构系数；

ft：混凝土轴心抗拉强度设计值，

h0：板的有效高度，取两个配筋方向的界面有效高度的平均值；

um：临界截面的周长，距离局部荷载或集中反力作用面积周边h0/2处板垂直截面的最不利周长；

η；局部荷载或集中反力作用面积形状的影响系数；

βh：截面高度影响系数；

βs：局部荷载或集中反力作用面为矩形时的长边与短边尺寸的比值，βs不宜大于4；当βs＜2时，取βs＝2；当作用面为圆形时，取βs＝2；

其中受压面积预埋板的面积，即500×500mm，单个点的设计值fl为竖井扩挖凿井井架的自重加荷载，这里取(40+26)/4＝16.5t＝165kn，γd取1.2，ft取1.43n/mm2，h0＝0.8m，um为5.2m，βs取2，η＝1，βh＝1，可计算fl＝165kn≤0.7×1.43×5200×800/1.2＝3470kn，满足要求；

地基承载力计算：

地基承载力按轴心荷载作用考虑，依据《建筑地基基础设计规范》gb50007-2011第5.2.1条计算公式为，pk＜fa，即可满足要求；

pk：相应于作用的标准组合时，基础底面处的评价压力值kpa；

fa：地基承载力特征值(kpa)，根据蓝图，本工程回填后的地基承载力不小于150kpa；

依据《建筑地基基础设计规范》gb50007-2011第5.2.1条，基础底面压力计算公式为：

pk：相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力值kpa；

fk：相应于作用的标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值(kn)，为竖井扩挖凿井井架的自重加荷载，取1.4×(40+26)＝92.4t＝924kn；

gk：基础自重及基础上的土重kn，钢筋混凝土取2.5t/m³，gk＝1.2×122.52×0.8×2.5＝294.048t＝2940.5kn；

a：基础底面面积m²；面积为122.52m²；

满足要求。

技术总结
本发明公开一种竖井扩挖凿井井架的设计方法，(1)竖井扩挖凿井井架的结构设计；(2)竖井扩挖凿井井架的结构材料选择；(3)竖井扩挖凿井井架的载荷和强度验证。本申请的承重主梁为单根整体高强度型钢设计，通过计算完全可以完成井架的整体吊装平移工作。本申请的竖井扩挖凿井井架因不需要出矸翻矸作业系统，悬吊布置简单，既该类型井筒施工井架不需要进行井筒全断面区域覆盖，只需要根据井内悬吊设备布置，设计井架的底座跨度和天轮平台覆盖范围，进一步减小新型井架的占地面积和占用空间。新型井架可以适用单边提升悬吊布置，斜支撑采用单根整体高强度型钢，受力均匀，作用力与反作用力的释放均匀，不会影响新型井架的受力状态。

技术研发人员：许峰;胡传安;刘志强;秦政;程守业;董之村;周武;李功子;于见水;李俊峰
受保护的技术使用者：北京中煤矿山工程有限公司;中国水利水电第十四工程局有限公司
技术研发日：2021.06.03
技术公布日：2021.08.20