2-天轮平台

中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2天轮平台作为安装提升和悬吊设备天轮的天轮平台是煤矿立井凿井施工过程中的重要承载结构。本章主要介绍天轮平台的型式与构造、荷载选取及天轮平台的设计计算方法。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计本章内容2.1天轮平台的形式和构造2.2天轮平台的荷载2.3天轮梁2.4天轮平台主梁2.5设计算例中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.1天轮平台的型式与构造天轮平台位于凿井井架顶部，通常由钢结构梁组成的框形平台结构，主要用来安设提升和悬吊设备的天轮。天轮由天轮梁支撑，并直接承受全部提升物料和悬吊掘砌设备的荷载，然后荷载经由天轮依次传递给天轮梁、天轮平台主梁、凿井井架最后传递给基础。天轮平台是由四条边梁和一条中梁组成的“曰”字型框架，如图2.1所示。天轮梁一般成双出现在地安放在天轮平台上，承托提升天轮和悬吊天轮。天轮梁在天轮平台的位置以井内施工设备布置而定。主梁和天轮梁的选型应按计算确定，需要满足强度、刚度和稳定性要求。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.1天轮平台的型式与构造天轮平台的型式通常采用正方形。天轮平台的平面尺寸亦即凿井井架的顶部尺寸，其取决于井筒直径和提升与悬吊设备的天轮数量及其布置。在满足使用要求的前提下，应该尽量缩小天轮平台的尺寸，常用的I~V型天轮平台尺寸为5.5×5.5m~7.5×7.5m，一般以0.5m为模数。天轮平台一般由4根边梁和一根中梁（边梁和中梁统称主梁）以及若干天轮梁组成。有时还设置用来支承天轮梁的支承梁（天轮梁和支承梁统称副梁）。主梁和副梁组成天轮平台的梁系结构，如图2.1所示。天轮平台的边梁和中梁即主梁，由于承受很大的竖向荷载和水平荷载，采用普通型钢不够经济，所以它们通常都采用由三块钢板焊成的工字形截面组合梁（图2.2a），或者采用加强的轧制工字型钢（图2.2b）。如果主梁还承受很大的轴向荷载，则梁的截面有时采用上翼缘（受压翼缘）加强的形式（图2.2c、d）。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.1天轮平台的型式与构造天轮平台上的天轮梁和支承梁即副梁通常都选用轧制的工字型钢（图2.2e）。只有当梁的计算内力较大或者缺乏大型号工字钢时，才考虑采用焊接工字形截面组合梁。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.1天轮平台的型式与构造天轮梁通常直接支承在边梁和中梁上，或者彼此相互支承，有时还支承于专设的支承梁上。当天轮梁支承在主梁上时，其长度要求搭接时超过主梁不少于150mm，以便在其上钻孔，用U型螺栓将其与主梁固定，为了避免在边梁和中梁的翼缘上钻孔而降低承载能力，并保证井架能够多次重复使用，主梁上不准打孔，亦不准焊接。天轮梁与天轮梁、天轮梁与支承梁之间通常都采用连接角钢和螺栓进行连接，如图2.4所示。天轮平台主梁之间彼此用连接板相连接.天轮在天轮梁上的支承方式，应尽量使天轮轴承座直接承在天轮梁的上翼缘上，如图2.6a所示。但有时为了调整钢丝绳的高度，避免与井架构件相碰，而不得不将天轮轴承座安装的高于或低于天轮梁的上翼缘，如图2.6b、c、d所示。或者增设导向轮，如图2.7所示。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.1天轮平台的型式与构造中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.1天轮平台的型式与构造为了满足天轮外缘于天轮平台边梁上翼缘之间的距离不小于60mm的要求，天轮轴心的升高可按下式计算（图2.10a）：中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.1天轮平台的型式与构造为了避免钢丝绳与天轮平台边梁上翼缘相碰擦，天轮轴心的升高可按下式计算（图2.10b）：如果按式（2.1）或式（2.2）算得的天轮轴心升高值小于或等于天轮梁高度与天轮轴乘座高度之和，则不必设置垫梁，否则必须设置垫梁，其高度可按下式计算：中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.1天轮平台的型式与构造当天轮轴承座设在低于梁的上翼缘时，可在梁的腹板内设置垫座（见图2.6d）。采用此支承方式时，还应在梁上用槽钢或角钢做成的加强横撑，以保证梁在弯矩作用平面外的稳定性。由于这种支承方式比较复杂，所以一般采用较少。天轮梁的腹板在天轮轴承处，通常应设置加劲肋，以保证腹板的局部稳定性。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.2.1荷载类型作用在天轮平台上的荷载有恒载、活荷载和偶然荷载，主要包括：（1）天轮平台自重；（2）整套天轮重量（包括天轮及其轴承重量）；（3）悬吊凿井设备钢丝绳的拉力。偶然荷载是指因偶然事件而作用在平台上的荷载，如提升钢丝绳拉断时的断绳荷载。对于提升天轮梁，即承受提升容器（吊桶或临时罐笼）荷载的天轮梁，计算时，钢丝绳的拉力应取钢丝绳的破断拉力，即按断绳荷载计算。而对于其他天轮梁，计算时钢丝绳的拉力则取钢丝绳的工作拉力，即按工作荷载计算。这是因为吊桶和临时罐笼是经常提升运动，而且运行速度较快，因此有可能发生与吊盘相撞、卡住，或提升严重过卷，或钢丝绳从天轮上滑脱等，因而引起断绳事故。至于其他悬吊设备则是每隔一定时间才上下移动一次，而且运行速度很慢，通常不超过0.15m/s，所以它们的悬吊钢丝绳一般不致被拉断。2.2天轮平台的荷载中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.2.2悬吊设备钢丝绳工作拉力的确定悬吊凿井设备钢丝绳的工作拉力，是指钢丝绳与天轮轮缘相切处的静拉力，它等于钢丝绳自重及其悬吊设备重量的总和。有些凿井设备是用一根钢丝绳悬吊，如吊桶、安全梯和电缆等；有些是用两根钢丝绳悬吊，如吊盘、吊泵、风筒、压风管和混凝土输送管等。当用一根钢丝绳悬吊时，钢丝绳的工作拉力可按下式计算：当用两根钢丝绳悬吊时，每一根钢丝绳的工作拉力可按下式计算：2.2天轮平台的荷载中国矿业大学出版社矿山特种结构设计式中Q——悬吊于钢丝绳的凿井设备的重量；P——每米长钢丝绳重量；H——井筒最大掘进深度；h——井架天轮平台高度。凿井设备重量Q，包括设备自重、附属件重以及货载重量等，可以根据选用设备实际情况通过计算确定。2.2.2.1吊桶（或吊盘）悬吊重量Q=Q1+Q2+Q3(2.6)式中Q1——吊桶（或吊盘）自重；Q2——吊桶的附属件（滑架、钩头和连接装置等）重量，（或吊盘上的砌壁材料和器材重量）；Q3——吊桶提升矸石（或材料）重量，（或吊盘上工作人员和工具重量）。2.2天轮平台的荷载中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.2天轮平台的荷载2.2.2.2吊泵、管路及安全梯悬吊重量中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.2天轮平台的荷载H——各种管路、风筒的敷设高度；d——排水管内径；γ——水的容量；g1——各种管路、风筒的自重及连接件（法兰盘、垫料、螺栓等）重；g2——各种管路、风筒的悬吊件（管卡及螺栓等）重；g3——电缆重；Q1——吊泵、梯子自重；Q2——工作人员及工具重；Q3——分风器或分水器的重量；Q4——压风及供水胶管重量；Q5——混凝土重量（包括混凝土的静重及冲击力）；g——一个人及所带工具重；n——一次提升人员数。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.3天轮梁为了便于计算，将钢丝绳拉力的合力R分解为竖向分力V和水平分力T，由图2.11可知：当只有一个工作轮时（图2.11a）：当只有一个工作轮时当有一个工作轮和一个导向轮时中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.2.2.3稳绳的拉力稳绳的静拉力，不应按稳绳盘的重量和稳绳自重来计算，因为稳绳作为吊桶滑架的导轨，必须具有足够的张力，其大小与稳绳长度成比例，可按下式确定：稳绳拉力还应满足稳绳最小张紧力的要求，如表2.1所列。2.2天轮平台的荷载中国矿业大学出版社矿山特种结构设计凿井设备悬吊重量Q，除按上述方法计算外，还可以根据所选用的凿井设备规格、井筒深度和井筒直径从《建井工程手册》中查得。当钢丝绳的工作拉力S确定后，应根据《煤矿安全规程》的规定，对选择的钢丝绳进行强度验算，它的强度条件采用安全系数的形式表达：2.2天轮平台的荷载中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.2.3钢丝绳的破断拉力钢丝绳的破断拉力可以从钢丝绳手册中查得，也可按下式计算：2.2天轮平台的荷载中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.3.1天轮梁的荷载2.3.1.1.钢丝绳拉力的竖向分力和水平分力天轮梁直接承受由天轮传来的钢丝绳拉力，以及整套天轮的重量。在天轮上，钢丝绳的工作拉力S可按式（2-4）或式（2-5）求出。钢丝绳拉力的合力R可采用图解法求得，合力通过天轮中心，如图2.11所示。2.3天轮梁中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.3天轮梁2.3.1.2作用在天轮梁上的荷载作用在天轮梁上的竖向荷载还应包括整套天轮的自重。由于梁的自重较小，一般可以忽略不计。以上荷载作用在两根天轮梁上，因此作用在一根天轮梁上的竖向荷载和水平荷载为：中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.3天轮梁2.3.2天轮梁的内力计算方法天轮梁一般为单跨简支梁，其支点为边梁和中梁或其他副梁，两支点均按铰支考虑，跨度取两支座之间的中心距，它的计算简图如图2.12a、b所示，梁的内力按简支梁计算。当采用整根天轮梁支承于两边梁及中梁时，或以其他副梁为中间支点时，梁的内力可按两跨连续梁（俗称通梁）计算，它的计算简图如图2.12c、d所示。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.3天轮梁两跨连续梁的中间支点弯矩可以根据三弯矩方程计算.由于天轮梁均为等截面梁,因此根据三弯矩方程可以得到中间支点弯矩的计算公式.中间支点弯矩求得后，再按简支梁分别计算左跨与右跨在中间支座弯矩及外荷载作用下的反力，中间支座反力应为相邻两跨计算结果的代数和，然后即可计算梁的内力。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.3天轮梁2.3.3天轮梁的截面设计天轮梁的内力分析可知天轮梁内力除弯矩外，还有轴力，属于压弯构件。天轮梁一般根据Wx选型，或根据经验预选梁的截面。然后对所选截面进行强度、刚度、稳定性进行验算。按计算选型规格必然繁多，为施工方便，通常尽量选用相同规格。(1)按弯曲强度条件试选截面：中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.3天轮梁2.按压弯构件进行截面验算(1)强度验算(2）刚度验算天轮梁的跨中挠度可由结构力学方法求得，也可以按下式近似估算：（3）稳定性验算中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.4天轮平台主梁2.4.1主梁的荷载由于天轮梁安放在主梁上，主梁承受天轮梁传递给它的荷载，因此作用在主梁上的荷载就是各个天轮梁的支点竖向反力和水平反力，它们是一对作用力与反作用力。计算主梁时，荷载组合应按最不利的情况考虑。在一般情况下断绳时是各种荷载组合中的最不利的组合，即一根提升钢丝绳取断绳荷载、共轭钢丝绳取两倍工作荷载、其他钢丝绳取工作荷载、以及整套天轮重量。并应分别考虑各提升钢丝绳发生拉断的情况，以确定最不利的荷载组合。当按断绳考虑荷载进行荷载组合时，除自重和设备重外，其他荷载应乘以组合系数0.8。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.4天轮平台主梁2.4.2主梁的结构计算方法计算应分别考虑主梁在竖向荷载和水平荷载作用下的内力。1.主梁在竖向荷载作用下的内力计算中梁在竖直面内为单跨简支梁，其内力计算与一般简支梁相同。边梁在竖直面内为双跨连续梁，其内力计算与天轮梁的通梁相同。2.主梁在水平荷载作用下的内力计算（1）中梁及与其平行的边梁，如图2.14a中的L-1、L-2及L-5梁，在水平面内均为单跨简支梁，其内力计算与一般简支梁相同。天轮梁通常都布置在3根平行的主梁上，与它们相垂直，且两侧布置的天轮梁都支承在中梁上。当水平荷载通过天轮梁传递给边梁（L-1、L-2）和中梁（L-5）时，由于中梁两侧的水平荷载方向是相反的，因此两侧的水平荷载将通过中梁互相抵消一部分，抵消后所剩余的水平荷载再由这3根平行主梁分配负担。当忽略天轮梁的轴向变形（实际很小）时，在水平荷载作用下，这3根平行主梁沿每一根天轮梁方向的水平位移应给是相等的。中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.4天轮平台主梁所以水平荷载的分配与这3根平行主梁的侧向抗弯刚度成比例中国矿业大学出版社矿山特种结构设计2.4天轮平台主梁通常边梁和中梁的侧向抗弯刚度大致相同，故可认为近似平均分配，即：（2）与中梁垂直的边梁，如图2.