多绳提升井塔结构设计荷载取值研究

 摘 要：井塔是一个矿井地面提升系统的重要组成部分，为保证井塔的设计安全，文章结合准东二号矿井副井井塔实际施工条件，总结了多绳提升井塔结构设计荷载种类、取值方法，以及不同荷载组合方法。该矿井塔按设计建成后，性能良好，保证了整个矿井的顺利运转，此研究成果对类似设计的开展具有一定的参考价值。 

　　关键字：多绳提升井塔；结构设计；荷载种类；荷载取值 

　　中图分类号：S611文献标识码： A 　 

　　井塔是矿井地面提升系统的重要组成部分，主要负责运输人员、材料、设备等等，保证井塔结构设计安全，对整个矿井的运行有着十分重要的意义。设计过程中，合理的荷载选取是确保结构安全的关键因素之一，但是，由于井塔内部设备种类及布置复杂，井塔高度大，结构形式复杂，造成荷载种类繁多，荷载组合呈现多样性，井塔设计过程中，经常出现荷载遗漏、选取不合理等现象。因此，如何确保荷载选取的合理性，具有非常重要的研究意义。 

　　1 工程概况 

　　准东二号矿井位于奇台县城北140千米处，行政区划属奇台县管辖。本区属大陆干旱荒漠气候，昼夜温差较大。区内经常有7－8级大风伴有强大的沙尘暴天气。最大冻土深度为1.50米。本场区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计分组第二组。 

　　副井井塔轴线尺寸24m×24m，总建筑面积4420m2，建筑体积30955m3；建筑层数、地上七层（局部八层），建筑高度51.900m ；结构形式为框架剪力墙结构，设计使用年限为50年，耐火等级为二级。井塔34.800m层（提升机大厅层）平面图见图1。 

　　图1井塔34.800m层（提升机大厅层）平面图 

　　2 荷载选取 

　　2.1设备及其参数取值 

　　（1）大罐提升设备：JKM-4.5×6塔式多绳提升机一台，配2600kW，38.2r/min交流电动机。提升速度9.0m/s。 

　　（2）提升数据：钢丝绳 50 ZBB 6×28+FC 1770 ZZ/SS各3根，单重10.31m/s,，总长580m，总重36t。 

　　（3）扁尾绳 P8×4×19-216×34-1370，qk=21.2kg/m ，2根；P8×4×19-206×33-1370，qk=19.5kg/m，1根。总长565m，总重35t。 

　　（4）每根绳最小钢丝破断拉力总和1960kN， 

　　钢丝绳与主轮间的围包角：188.534°； 

　　提升钢丝绳最大静张力：Smax=1500kN； 

　　提升钢丝绳最大静张力差：440kN； 

　　提升钢丝绳最小静张力：Smin=1500-440=1060 kN； 

　　提升罐笼自重(包括首尾绳悬挂装置及配重重量)：54t ； 

　　罐笼最大载重：45t； 

　　导向轮重量24t，提升机重量130t，电机重量74t，电机定子重量29t；电机转子重量36t。 

　　2.2荷载计算 

　　1）屋面荷载： 

　　屋面自重：包括屋面做法、预制槽板、钢桁架合计：Gk＝5.48kN/m2 

　　活荷载：Qk＝0.75kN/m2（雪荷载） 

　　钢桁架作滑模平台用，桁架计算荷载：自重3.0kN/m2；活载2.0 kN/m2 

　　2）楼面自重荷载： 

　　(1)120mm厚水泥楼面自重 

　　Gk＝25×0.12＋1.0＝4 kN/m2 

　　(2)150mm厚水泥楼面自重Gk＝5 kN/m2 

　　(3)200mm厚水泥楼面自重Gk＝6 kN/m2 

　　(4)200mm厚地砖楼面（防水地砖楼面）：自重Gk＝8 kN/m2 

　　(5)200mm厚防静电楼面自重Gk＝7 kN/m2 

　　(6) 200mm厚石材楼面自重Gk＝7 kN/m2 

　　3）楼面活载： 

　　(1)提升机大厅：提升机安装、检修区：25.0 kN/m2 ，准永久值系数：0.85；其余区域：6.0 kN/m2 ，准永久值系数：0.8。 2.0 kN/m2 ，准永久值系数：0.85（当按断绳荷载计算提升机大厅的提升机支承梁时，对无设备区域的楼面，其中提升机包括主轴装置、减速机、电动机） 

　　(2)导向轮层及有设备的楼层：6.0 kN/m2 ， 准永久值系数：0.8； 30.0 kN/m2 ，准永久值系数：0.5（导向轮层吊装、安装区域） 

　　(3)其它楼层：4.0 kN/ m2 ，准永久值系数：0.5 

　　(4)楼梯、走廊、门厅：2.5 kN/ m2 ，准永久值系数：0.3 

　　(5)当计算壁板、框架和基础时，各楼层活载均按4.0kN/ m2取值，而不再分层折减。 

　　4）地面活荷载：10.0 kN/ m2 ，准永久值系数：0.85；吊装孔、箕斗存放位置：20.0 

　　kN/ m2 ； 

　　5）风压：W0=0.6kN/ m2，准永久值系数：0.0 

　　6）雪压： W0=0.75kN/ m2，准永久值系数：0.2 

　　7）墙体：外墙：400厚轻质砼砌块，抹灰刷涂料内墙：q=12×0.40+20×0.023×2=5.8kN/ m2 

　　内墙：200厚轻质砼砌块，抹灰刷涂料内墙：q=12×0.20+20×0.023×2=3.3kN/ m2 

　　玻璃幕墙：1.0kN/ m2 

　　8）楼层梁活荷载及偶然荷载： 

　　罐笼荷载计算： 

　　提升侧全部钢丝绳拉断力T=1960×1.177×0.85×6=11760kN 见《矿山井架设计规范》 

　　(1)提升机工作荷载：N＝1.5(Smax×2) =1.5×(1500×2) =4500kN 

　　P1k=4500×0.4009（0.5991）=1804（2696）kN 

　　(2)提升机断绳荷载：P＝1.5T＝1.5×11760＝17640kN 

　　注意偶然荷载不乘分项系数 P1=17640×0.45（0.55）/1.4=5670（6930）kN 

　　(3)电机工作荷载：N＝1.3Q/2±MA/l1=1.3×740/2±650/4.46＝626（336）kN 

　　其中Q----电动机设备自重MA ----电动机额定扭矩 l2 ----电动机支座距离 

　　（4）电机断绳荷载：定子部分＝1.3Q/2±2.5MA/l1=1.3×740/2±2.5×650/4.46＝845(117)kN 

　　注意偶然荷载不乘分项系数845(117)/1.4＝603(83) 

　　(5)导向轮工作荷载： 

　　Px=PsinØ=4500×sin8.534º=670kN 

　　Py=P(1-cosØ)= 4500×(1-cos8.534º)=50kN 

　　对导向轮支承梁的弯矩MD=Px（h1+h3/2）=670/2×(2.75＋1.5/2)＝1180 kN.m 

　　对提升机支承梁的弯矩MM=Px（h2+h4/2）=670/2×(1.2＋4/2)＝1070 kN.m 

　　导向轮断绳荷载 

　　Px=PsinØ=17640×sin8.534º=2618kN 

　　Py=P(1-cosØ)= 17640×(1-cos8.534º)=195kN 

　　(Px1=2618/2=1310kN) 

　　对导向轮支承梁的弯矩MD=Px（h1+h3/2）=1310×(2.75＋1.5/2)＝4590 kN.m 

　　对提升机支承梁的弯矩MM=Px（h2+h4/2）=1310×(1.2＋4/2)＝4190 kN.m 

　　(6)罐道系统荷载： 

　　①罐道梁水平荷载QHk=Q提升2=4500/12 

　　=375 kN 

　　罐道梁垂直荷载QHk=QHk/4=375/4=94 kN（向上） 

　　②内套架重按1t/m计算 

　　③防撞梁荷载（向上）：A3k=4.0 Smax =4×1500=6000kN（向上） 

　　注意偶然荷载不乘分项系数 

　　④断绳后托罐荷载（向下）：A5k=5.0 Smax =5×1500=7500kN 

　　3 整体结构计算 

　　3.1技术参数选取 

　　结构构件重要性系数：1.1；抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度0.1g，设计地震第二组；建筑抗震设防类别属乙类，抗震等级均提高一级，框架结构为二级，剪力墙为一级；梁弯距调幅系数：0.85；地震周期折减系数：0.9。斜交抗侧力构件方向附加地震数：1，相应角度90°。考虑扭转耦联、偶然偏心，单偏压计算。建筑场地属I类。 

　　3.2荷载系数选取 

　　断绳荷载：分项系数为1.0。断绳荷载组合中不考虑地震荷载。断绳荷载传力范围有限，设计中，直接支承梁及框架主梁按 

　　100％，直接支承柱按70％，其它层梁柱均不予考虑 

　　托罐荷载：分项系数为1.0。与导向轮、提升机、电动机工作荷载组合，不考虑地震荷载 

　　3.3 SATWE计算结果分析 

　　（1）结构整体稳定验算结果： 

　　X向刚重比 EJd/GH*2=25.13 

　　Y向刚重比 EJd/GH*2=27.90 

　　该结构刚重比EJd/GH*2大于1.4,能够通过《高规》(5.4.4)的整体稳定验算 

　　该结构刚重比EJd/GH*2大于2.7,可以不考虑重力二阶效应 

　　（2）Tt/T1=0.1607/0.8984=0.179<0.9，可以《高规》(3.4.5) 

　　（3）X向水平地震作用下，1层剪重比2.66% > 1.60%，抗震规范(4.3.12)条，满足； 

　　X方向的有效质量系数：90.86%>90%，满足《高规》(5.1.13)； 

　　Y向水平地震作用下，1层剪重比2.81% >1.60%，抗震规范(4.3.12)条，满足； 

　　Y方向的有效质量系数：93.97% >90%，满足。 

　　 (4)Y方向最大值层间位移角：1/4178>1/800，满足。 

　　楼层的最大位移比1.25，都不高于《高规》限值1.5，不属于刚度和质量明显不规则的结构，不需要选择双向地震作用。 

　　(5)查看WMASS.OUT文件，楼层与上一层的承载力之比，第11层X向最小0.62<0.65，《高规》3.5.3，明显属于竖向不规则结构，应将第11层设为薄弱层。 

　　井塔上部结构确定后，再基于PKPM中JCCAD设计软件，确定基础布置形式，最终形成准东二号矿井副井井塔设计方案。准东二号矿井根据此设计方案，顺利完成了井塔建设。 

　　4 结论 

　　1）总结了多绳提升井塔结构设计荷载种类、取值方法，以及不同荷载组合方法。 

　　2）设计过程中，荷载选取合理，井塔建成后，性能良好，保证了整个矿井的顺利运转。 　 

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