钢井架设计技术探讨

矿山井架设计

煤炭工程

２００７年第４期

钢井架设计技术探讨

林儆，张伯林

（中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司，北京１０００１１）

摘要：钢井架是矿井地面主要的构筑物，对整个矿井的生产起着重要作用，设计中有很多技术问题需要不断探索、不断改进、不断创新。为了设计出适用、安全、经济的钢井架，论文对钢井架的整体布局、构件布置、变形控制、钢材选用等技术问题进行探讨。

关键词：矿井；钢结构；钢井架中图分类号：ＴＤ５４＋１；ＴＵ３９１

文献标识码：Ｂ

文章编号：１６７１—０９５９（２００７）０４旬０２２旬３

钢井架是矿井地面主要的构筑物，对整个矿井的生产起着重要作用。钢井架的结构设计首先要满足提升工艺的使用要求，然后要做到安全可靠、经济合理、技术先进。要达到上述目标，设计中有很多技术问题需要不断探索、不断改进、不断创新。有些问题在设计中已作改进，有些问题仅仅是一种见解，尚未在设计中实施，现在就几个主要技术问题论述如下。

合工艺要求，能否使整个结构受力合理及安全生产。现以单斜撑钢井架为例，说明钢井架整体布局要注意的问题。

１）单斜撑钢井架的斜撑平面中心线应在提升钢丝绳合力作用线的上面，两线宜接近，以便充分发挥斜撑柱材料受压作用及减少井架水平位移。

２）提升容器之间或容器与平衡锤之间，要留有布置构件的空间。这不仅是新工艺的要求，也是结构受力的需要。

３）井架斜撑的基础与提升机房的基础要有足够距离，以免基础相碰。

４）立架平面布置除了满足工艺和使用要求外，还要满足整体稳定要求，两方向边长大于立架高度的１／１０。四柱

１钢井架的整体布局

钢井架的整体布局包括竖向布置和平面布置，这是钢井架设计的第一步，也是关键的一步。它关系到钢井架能否符

荷载列向量计算、地震荷载列向量计算、风荷载列向量计算）；⑤计算各构件内力；⑥构件配筋和验算。

对于ＴＡＴ或ｓＡＴｗＥ的输出结果，可用以下指标进行合理性判断。轴压比：可控制结构的延性；剪重比：可控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性；刚度比：可控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层；周期比：可控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响；刚重比：可用来减小重力二阶效应，保证结构的整体稳定性；自振周期：若输出的自振周期处在正常值范围内，表明短肢剪力墙结构具有适宜的刚度。

２．５

各增加节点按普通梁输入。

３结语

在异形柱和短肢剪力墙结构体系的设计中，以人为本的精神得到了较好体现，结构设计最大化地满足了建筑设计的功能性要求，建筑专业和结构专业做到了和谐统一。但由于这两种体系的使用时间相对较短，尚未积累足够丰富的工程实践经验，广大建筑科技工作者仍需继续努力，推动这两种体系的理论研究和工程应用向更高水平发展。参考文献：

［１］

柳炳康，等．建筑结构抗震设计［Ｍ］．北京：中国科学技术出版社，１９９６．

［２］

短肢剪力墙结构设计时应注意的问题

１）由于短肢墙仍属剪力墙的范畴，进行短肢墙的设计

时可采用一般剪力墙的设计方法。

２）对于短肢墙平面内梁，当跨高比小于５时，应按连梁设计，在ＰＭｃＡＤ中可按剪力墙开洞方式输入，此时内力主要由水平力产生，电算时常常出现超筋现象，在不影响其承受竖向荷载的前提下，可对连梁的刚度进行折减（７。为０．７）；当跨高比大于５时，竖向荷载作用下产生的内力所占比例较大，应按框架梁设计，在ＰＭｃＡＤ中可在洞口两端

收稿日期：２００７—０１—０４

李明顺．小康住宅建筑结构体系成套技术指南［Ｍ］．北京：

中国建筑工业出版社，２００１．

［３］程绍革，陈善阳，等．高层建筑短肢剪力墙结构振动台实验研究［Ｊ］．建筑科学，２０００，１６（１）：１２～１６．

［４］黄东升．混凝土短肢剪力墙的理论分析与实验研究［Ｄ］．东南大学博士学位论文，２００４．

（责任编辑马光辉）

作者简介：林儆（１９４２一），广西北海人，教授级高级工程师，１９６５年毕业于北京建筑工业学院，从事建筑结构设计

工作４２年。

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万方数据　

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煤炭工程

尽可能落在井颈上，避免落在井口支承框架上。立架水平构件尽可能兼作罐道梁或托罐梁，且尽量减少两方向边长。

５）为了控制井架的初位移，斜撑牛腿联系铰由立架中间向斜撑方向移动０．５—１．０ｍ，并使井架斜撑与立架顶或井口房保持一定距离，以免相碰。

６）地震７烈度及其以下地震区的钢井架可不进行抗震验算，但要提高一度采取构造措施。除了钢井架本身符合抗震构造要求外，钢井架与井口房之间要留有防震缝，井口房的设备不能与钢井架直接连接。

立井提升系统如图１，图中尺寸ｘ、ｄ。、ｄ：、ｅ、＾，由工艺先决定，戈、ｙ也由工艺先提出。结构设计先核实戈是否满足上述第２条要求，然后校核戈、ｙ是否满足上述第１、３条要求，若不满足要求，则需要调整。

ａ．斜撑平面中心线一般为上下天轮轴心连线，若满足上述第１条要求，则曰ｌ＝４５。＋０．５ｃｌ＞Ａ，Ｃ，＞２Ａ一９０。，ｔｇＡ＝ｙ以。当ｄｌ＝ｄ２，贝０ｔｇｃｌ＝（日一＾１）／（ｅ—Ｏ．５ｄ，）。若Ａ＝７０。，贝０ｙ＝２．７４７ｚ，ｃ，＞５０。；若Ａ＝印ｏ，贝０ｙ＝１．７３２戈，ｃ．＞３００。一般Ａ设计为７００左右。

ｂ．图中ｏ＝０．５ｄ．＋菇妇ｒ／ｙ，６＝Ｐ—ｏ。６要满足上述第３条要求。

图１立井提升系统图

２立架构件的布置

立架是由四片桁架或框架组成的空间结构，它除了承受斜撑传来的力、风荷载及地震作用外，还承受提升容器或平衡锤传来的各种力，因此立架还要设置很多辅助构件来承担这些力。例如罐道梁（含四角罐道及楔形罐道梁）、防撞梁、托罐梁等。这些构件有些在立架周边，有些在立架内部。以往井架整体计算中不考虑立架内部构件的作用，其实这些构件也是立架的一部分，共同承担立架内外所有的力。只要布置得当，就能充分发挥这些构件的作用，充分发挥结构材料的受力性能。

１）随着科技的高速发展，井架的提升工艺也在不断发展。以往单靠楔形罐道来缓冲过卷力，现在出现了新的过

万　

方数据卷制动力缓冲装置。此装置布置在提升容器或平衡锤的两侧，并且承受很大的向上拉力。以往罐道只布置在提升容器的两端，现在新工艺要求提升容器两侧也要布置罐道。为满足新工艺的要求，提升容器之间或容器与平衡锤之间，必须布置受力相当大的构件。

在提升过程中，罐道梁除了承受垂直力外，还要承受双向水平力。这些力传到立架水平构件上，要求杆件具有足够的强度和刚度。截面设计水平强度容易满足，而水平刚度却难以满足。在立架中问增加受力构件后，其对应的水平构件中间就增加了一个支点，从而解决杆件的水平方向刚度不足的问题。搭在中间构件上的罐道梁跨度减小了，罐道梁截面也可相应减小。立架内部增加纵横水平构件，形成刚度比较大的平面，对整个立架的受力及稳定起到良好的作用。

２）当提升发生事故时，防撞梁承受向上撞击力，而断绳后容器或平衡锤落下，托罐梁又承受向下冲击力。这两种力都非常大，但不同时发生。如果在防撞梁与托罐梁之间增加垂直构件，把两者连起来，那么它们可以共同工作，一起抵抗向上或向下的冲击力。这种立体联防，避免逐个击破的思路，也可用在罐道梁上。例如楔形罐道梁承受的过卷制动力，越往上力越大。如果在罐道位置处设计垂直构件，把楔形罐道梁连起来，并且顶部与防撞梁相连，使每根罐道梁承受的力很小，大部分过卷制动力可直接传给防撞梁。

防撞梁截面比较大，布置在立架内部，与截面相当大的立架顶梁组成刚度很大的平面，对整个井架的稳定起重要作用，使得防撞梁不仅事故时才起作用，平时也能充分发挥其作用。另外，防撞梁最好设在立架顶梁的下方，这样可以避免连接螺栓剪切破坏，但整个立架要加高。若要减少立架高度，可把防撞梁设计成鱼腹形反梁，梁支座依然在立架顶梁底，跨中截面高出立架顶梁底。

３）立架更换容器框口内布置可拆构件，更换容器时拆除这些构件。以往井架整体计算中不考虑这些构件的作用，

而把整个框口当作铰接框架计算。更换容器十年八年才有一次，更换容器时井架暂时停止工作。井架工作时只要用

双螺帽Ａ级普通螺栓把可拆构件与框口构件连接，构件就会传力受力，与框口共同工作。只要对这些螺栓采取防锈维护措施，到时便可拆除。这些构件既可临时拆卸，又可长期受力，解决了框口过大的问题。

另外，框口中间立柱是不用拆除的，此立柱是安全门的门柱，只要立柱两方向都有水平构件支撑，框口平面内长细比小于１５０，该立柱同样是受力构件。采取上述措施

后，井架工作时框口内所有的构件都是受力构件，提高了

井架的安全性能。

３井架变形值的控制

《煤矿提升井架设计规范》ＭＴ／Ｔ５０３１—２００３（以下简

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称井架规范）的实施，结束了井架设计不规范的状况，对提高井架设计质量起重要作用。在学习贯彻规范的过程中，笔者对某些条文有不同的看法。

１）井架规范第５．３．２条规定：工作荷载组合的水平变

形值应控制在∥１０００以内。笔者认为此规定过严，会增加

钢井架的耗钢量。《高层民用建筑钢结构技术规程》ＪＧＪ

９９

—９８第５．５．１条规定：结构在风荷载作用下，顶点侧移不宜超过建筑高度的１／５００，层间侧移不宜超过楼层高度的１／４００。钢结构房屋与钢井架相比，前者是建筑物，后者构筑物。两者结构型式不同，受力不同，但控制变形值的原则应该是一样的：在平常的荷载组合作用下能正常使用、正常工作；在特殊的荷载组合作用下不致于失稳倒塌。房屋平常荷载最不利的是风荷载组合，特殊荷载是地震作用组合。钢井架平常荷载是工作荷载组合，特殊荷载是断绳荷载组合或地震作用组合，两者不会同时发生。

上述两规范控制的变形值都是在平常的荷载组合作用下的变形值。钢井架的日是井架上天轮高度，单斜撑牛腿

端部与立架顶铰接，此处高度一般大于或等于２肜３。按

２月ｒ／３折算立架顶点侧移不能超过立架高度的ｌ／６６７，比房屋顶点侧移１／５００还要严格。与房屋相比，正常工作时钢井架上一般没有人、没有精装修、没有精密仪器，如果两者在同样的高度上，发生同样的水平位移，房屋里的人能正常生活，为什么井架不能正常工作？笔者认为钢井架水平变形值可比房屋放宽。

２）井架规范第５．４．１条之２规定：在工作荷载组合作用下，斜撑柱基础与立架柱基础之间沉降差容许值宜控制在∥１０００以内。笔者认为此规定太严格，难以达到。立架柱一般落在井颈上，而井颈往往与井筒连成一体，因此立架柱基础沉降量非常非常小。而斜撑柱基础一般落在土层上，并且距离提升机房不远，基础面积受限，沉降量大，很难满足上述沉降差要求。

《建筑地基基础设计规范》ＧＢ５０００７—２００２第５．３．４条：建筑物的地基变形允许值，多层和高层建筑的整体倾斜：２４ｍ＜日。≤６０ｍ为０．００３（１／３３３）；高耸结构基础的倾斜：２０ｍ＜昱。≤５０ｍ为０．００６（１／１６７）；５０ｍ＜嚣，≤ｌ∞ｍ为０．００５（１／２００）。规范还强调：地基变形允许值应根据上部结构对地基变形的适应能力和使用上的要求确定。钢井架属于高耸结构，并且立架与斜架为铰接，对地基变形的适应能力较强，基础沉降差引起的倾斜应比其它高耸结构更宽松。对钢井架基础沉降差控制过严，一方面一般地基达不到，另一方面也没有必要。

钢井架属于特种结构，斜撑柱与基础铰接，斜撑柱对基础产生很大的水平推力，抗滑移便成为基础设计的难题。单靠基础自重和上覆土重来抗滑移，势必使基础做得又大又深，容易与提升机房基础相碰或基底高差过大。解决斜撑柱基础滑移问题另有两种方法：①把基础底面做成斜面，与挡土墙抗滑移原理相同；②斜撑柱基础与提升机基础用

２４

万　

方数据抗压地梁相连，使水平推力互相抵消，联合抗滑移。

４钢材的选用

钢井架与钢结构房屋不同，钢井架是承受动力荷载的纯钢钢结构。钢材用量直接影响井架的经济指标，减少钢材用量、好钢用在刀刃上，是钢井架实现安全可靠经济合理的关键问题。要做到既节省钢材，又确保安全，一方面设计要精打细算，反复计算，反复调整构件截面和布置；另一方面要在钢材的选用上另找出路。

以往设计的钢井架，除了牛腿联系铰采用４５号高强钢外，其它构件一律采用Ｑ２３５碳素结构钢。笔者认为将钢井架中钢板焊接的构件改用Ｑ３４５低合金高强度结构钢，既省钢又安全。

钢井架中型钢或型钢组合的构件，一般只用在立架桁架的腹杆及平台梁等次要构件上。其它受力构件都采用钢板焊接，这些构件的用钢量占整个钢井架的用钢量８０％以上。Ｑ３４５与Ｑ２３５相比，屈服强度提高４５％左右，故采用Ｑ３４５比Ｑ２３５可节约钢材３０％左右。若钢井架８０％的钢材采用Ｑ３４５，整个钢井架可节约钢材约２４％左右。但钢井架各构件不完全由强度控制，有些构件受刚度控制，有些构件要满足构造要求，构件截面尺寸板厚等不能按强度比例缩小。估计钢井架钢板焊接的构件采用Ｑ３４５，可节约钢材１５％～２０％。型钢依然采用Ｑ２３５碳素结构钢，是因为这些构件受力不大，用量不多，定型产品供应充足。

钢井架的天轮支承梁、防撞梁、托罐梁等构件直接承受冲击力，其钢材不仅需要强度高，并且需要冲击韧性好，而不至于脆性破坏。Ｑ３４５与Ｑ２３５相比，不仅强度高，而且冲击韧性好。Ｑ３４５的综合性能比Ｑ２３５好，在我国已有几十年的工程实践经验，所以钢板焊接的构件采用Ｑ３４５更安全。

钢井架还有一个特点，大部分处于外露环境中，因此钢材等级要根据结构工作温度来选择。钢井架的斜架、立架柱、防撞梁、托罐梁、安装梁等主要构件，都需要在工作温度下保证一定的冲击韧性。所以选用Ｑ３４５等级Ｂ、ｃ、Ｄ、Ｅ的低合金高强度结构钢是合适的。

５建议

钢井架是矿井地面主要的构筑物，对整个矿井的生产起着重要作用。钢井架属特种结构，与一般民用建筑有所不同。设计中有很多技术问题需要不断探索、不断改进、不断创新。论文对《煤矿提升井架设计规范》ＭＴ／Ｔ

５０３１

—２００３中某些条文发表了不同看法，仅仅是个人见解，供读者讨论。参考文献：

［１］

钢结构设计手册上册（第三版）［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００４．

（责任编辑马光辉１

矿山井架设计

钢井架设计技术探讨

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

林儆， 张伯林， LIN Jin， ZHANG Bo-lin

中煤国际工程集团,北京华宇工程有限公司,北京,100011煤炭工程

COAL ENGINEERING2007，""(4)1次

参考文献(1条)

1.钢结构设计手册上册 2004

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引证文献(1条)

1.杨军.林儆.周维娟.贺德昭 对井架设计规范某些条文的商榷[期刊论文]-特种结构 2008(5)

本文链接：/Periodical_mtgc200704008.aspx

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