Проектирование жестких армировок вертикальных стволов с учетом сезонных колебаний температуры конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.258.3 А.Ю. Прокопов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЖЕСТКИХ АРМИРОВОК ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ С УЧЕТОМ СЕЗОННЫХ КОЛЕБАНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНСТРУКЦИЙ

Предложена методика для проектирования жесткой армировки воздухоподаю-щих стволов Донбасса с учётом температурных нагрузок на конструкции.

Ключевые слова: армировка ствола, воздухоподающие стволы шахт, рудники.

Семинар № 4

A.J. Prokopov

DESIGNING RIGID REINFORCEMENTS VERTICAL STVO-LOV TAKING INTO ACCOUNT SEASONAL KOHL-BANY OF TEMPERATURE KONSTRUK-TSY

The technique for proektirova-nija rigid reinforcement vozduho-submitting trunks of Donbass with the account of temperature loadings on a design is offered.

Key words: reinforcement, a trunk, vozduho-submitting trunks of mines, mines

t ш роектирование, изготовление и

H монтаж металлоконструкций армировки ствола в настоящее время осуществляются в соответствии с требованиями следующих нормативных документов: Строительных норм и

правил [1] - [5], Правил безопасности [6], Инструкции по производству маркшейдерских работ [7].

Расчет основных параметров армировки по условиям устойчивости движения подъемного сосуда в зависимости от его конструктивных особенностей, скорости и грузоподъемности производится согласно действующей «Методики расчета жестких армиро-вок вертикальных стволов шахт» [8], разработанной во ВНИИГМ им. М.М.Федорова, а также «Пособия по проектированию и монтажу жесткой

армировки вертикальных стволов шахт и рудников» [9]. Данные нормативные документы включают в себя расчет основных характеристик и параметров элементов армировок, входящих в типовые схемы ярусов армиров-ки клетевых и скиповых стволов.

При проектировании отдельных узлов или конструкций армировки, а также элементов технологии армирования используют также ряд отраслевых и ведомственных нормативных документов [10-14]. Однако, ни в одном из вышеназванных документов при проектировании схем, конструкций армировки и технологии армирования не учитываются температурные нагрузки, возникающие вследствие сезонных колебаний температуры воздуха.

Предлагаемая методика предназначена для проектирования жесткой арми-ровки воздухоподающих стволов Донбасса с учетом температурных нагрузок на конструкции и включает:

1) Оценку прогнозируемых температурных нормальных и экстремальных нагрузок;

2) Определение жесткостных характеристик расстрельных балок;

3) Определение эксплуатационных нагрузок, действующих в системе «со-суд-армировка»;

Рис. 1. График среднемесячных температур для Шахтинского района Донбасса

4) Расчет усилий в элементах арми-ровки от действия температурных нагрузок;

5) Расчет усилий на анкеры, закрепляющие расстрелы, от совместного действия эксплуатационных и температурных нагрузок;

6) Расчет напряжений в опорных плитах и сварных швах;

7) Расчет напряжений среза в заделке анкеров от совестного действия эксплуатационных и температурных нагрузок.

Изложим основные положения предлагаемой методики.

Предварительно производится оценка прогнозируемых температурных нормальных и экстремальных нагрузок.

Под ожидаемой нормальной температурной нагрузкой АТ на армировку будем понимать значение максимального отклонения температуры конструкции относительно температуры ее монтажа при соблюдении теплового режима в стволе, т.е.

АТ = max \гы -Ттах|; |ТМ -Гтт|}, (1)

где Гм - температура воздуха (конструкции), при монтаже армировки, °С; Ттах, Ттт - соответственно максимальная и минимальная в течение года температура воздуха в месте монтажа армировки,

°С.

Температура воздуха при монтаже конструкции (на нулевой отметке) будет зависеть от календарного времени года и для Шахтинского района Донбасса может определяться по графику (рис. 1).

Для других районов Донбасса (или других бассейнов, где самым холодным месяцем является январь), температура воздуха при монтаже (на нуле-

Рис. 2. Номограмма для определения средне-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Номер месяца

вой отметке) может быть ориентировочно определена по формуле

К = с -Wcos2^-1), (2)

где ?ср - среднегодовая температура наружного воздуха, °С; W — максимальное отклонение температуры от ее среднего значения; n - номер месяца, в котором производится монтаж армировки.

Так как с увеличением глубины ствола температура воздуха изменяется, то значение температурной нагрузки на армировку рекомендуется рассчитывать на различных глубинах: 0; 20; 100 и далее через каждые 100 м до глубины 700 м.

В соответствии с проведенными исследованиями среднемесячная температура воздуха в воздухоподающих стволах Донбасса на различных глубинах может определяться по номограмме (рис. 2).

Температура воздуха на конкретной глубине ствола может определяться также по формуле (2), куда должны подставляться соответствующие среднегодовые температуры t ср и максимальные отклонение температуры от среднегодовой Wh, характерные для данной глубины ствола. Значения ?\р и W для воздухоподающих стволов Донбасса могут быть определены по графикам (рис. 3).

Номер месяца

Как показывают исследования, при нарушении нормального теплового режима стволов могут возникать аварийные режимы, характеризующиеся отрицательными температурами до глубины 400 м. В этом случае могут возникать экстремальные температурные нагрузки на армиров-ку АТ,, которые могут быть оценены по выражению

АТэ = АТ + 1э , (3)

где АТ - нормальная температурная нагрузка, определяемая по формуле (1); 1, - величина превышения нормальных максимумов (минимумов) температур при нарушении теплового режима,

= тах

і I :

Т э _ Тн

тах гпо

Т э _ Т н

тіп тіп

|}. (4)

Значения экстремальных температур Тт ах, Тт іп, зафиксированных в воздухоподающих стволах Донбасса, а также нормальных температур

Тт ах>Ттт, приведены на рис. 4.

Следующим этапом методики является определение жесткостных характеристик армировки. К жесткост-ным характеристикам армировки отно-

Рис. 3. Графики для определения среднегодо-

и

вых температуры t ср и максимальных отклонений температуры от среднегодовой на различных глубинах

сятся лобовая Су и боковая Сх жесткости в точках крепления проводников и безразмерные параметры лобовой ау1 и боковой жесткости ахі армировки по проводникам, которые определяются согласно известным нормативным документам [8, 9].

Затем по этим же методикам производится расчет эксплуатационных лобовой и боковой нагрузок на арми-ровку.

После чего выполняется расчет узлов анкерного крепления расстрелов с учетом температурных нагрузок.

Методику данного расчета рассмотрим на примере центрального расстрела, закрепленного с двух сторон анкерами, к которому крепятся 2 проводника. Расчет с другим количеством проводников выполняется аналогично, при этом нагрузки, передаваемые на расстрел каждым проводником, суммируются.

Рассмотрим основные этапы расчета.

1. Расчет опорных реакций от эксплуатационных нагрузок

В соответствии с расчетной схемой (рис. 5) определяем силовые факторы, возникающие в узлах крепления расстрелов к бетонной крепи.

Момент, возникающий при действии боковой нагрузки, кНм:

а

?

&

Глубина, м

(\ Qл Г Qб | Qл Qб / 1 тимвлераштр собственного веса ( армировки

//

А а Ь в / ' 43 кНм, , « м • ь / , \ м • ь, / МАх = 12 (2а Ь)+ 12 (2а1

аг Ьг

1 ^ , м'бх = -МАх.

М = <2бЛ,

где Qб - боковая нагрузка на проводник, кН; ё - плечо приложения боковой силы к расстрелу, м.

Опорные моменты от действия лобовой нагрузки, кН'м,

Ь)

боковой нагрузки, кН, ' 6М • а • Ь 6М • а • Ь

КАу =-1 ------ ----+------------

КБу = -КАу ■

Для симметричного расположения 3М • а • Ь

МА х =-

6Д • (аЬ2 + аЬ'

КАу =-

13

Мб х =

<2, •(а 2ь + а1Ь1)

где I - длина расстрела, м.

При симметричном расположении проводников на расстреле, т.е. при а = Ь\ и а =

Ь, опорные моменты равны:

Ол•а•Ь

Ма х =-Мб х = -

I

Опорные реакции от действия лобовой нагрузки

6л •(За + Ь)ЬЬ

КА у =

КБу =

13

6л •(а + 3Ь)а2 13

Результирующие реакции от нагрузок, передаваемых подъемным сосудом, при наиболее опасном сочетании:

МЛх=Ма х|+Ма х|;

Мбх = М'А + М'бх\ .

КАу = КАу + КАу .

КБу = КБу + КБу

Опорные реакции от собственного веса армировки.

Расчетная схема для определения опорных реакций от собственного веса армировки приведена на рис. 6.

Реакция в опорах А и В от собствен-

В случае симметричного расположения проводников:

Ка = Кб = О, ■

Опорные моменты от действия боковой нагрузки,

Рис. 5. Расчетная схема для определения опорных реакций расстрела от нагрузки со стороны подъемного сосуда 266

м п м "бл Г Qб | Qл Qб 4 ' (

А а Ь в 7 1 43

аг Ьг

1

ного веса расстрела, Н,

rax = RBx = qр ■1 ■ g + G ■ g, где G - масса проводников, кг,

G = 2qnp-H-K,

здесь qnp - масса одного погонного метра проводника, кг/м; Н - шаг армировки, м; К - коэффициент неравномерности распределения массы проводников по ярусам по условиям их закрепления на расстрелах, К = 1,5; qj, - масса одного погонного метра расстрела, кг/м; l -длина расстрела, м; g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного падения.

Опорные моменты от веса расстрела, кНм:

Mлy = MBy =

qP -l - g 12

Опорные моменты от веса проводников, кНм:

G - g - a - b

M^i y = MBy =

l

вании на 1°С, по данным моделирования значение ^ может быть ориентировочно принято:

- для расстрелов двутаврового профиля ^ = 2,47106 Па/°С;

- для расстрелов коробчатого профиля ^ = 2,41106 Па/°С.

При расчете консольных расстрелов продольная сила принимается

N = 0.

3. Оценка напряжений в анкерах от совместного действия эксплуатационных и температурных нагрузок

Нормальные напряжения в штангах, кПа, возникающие от совместного действия эксплуатационных и температурных нагрузок, определятся по формулам:

- для треханкерного узла крепления

AN

+

AM

3M

+

Опорные моменты от собственного веса армировки

^y = ву = MAy + M\y

2. Расчет усилий от действия температурных нагрузок

Из результатов исследований влияния температурных нагрузок на НДС армировки, следует, что в расстрелах при нагревании (охлаждении) возникает продольная сила Nt, которая может быть определена по формуле N, = k, F AT, (5)

где F - площадь поперечного сечения профиля расстрела, м2; ДТ - температурная нагрузка, °С, определяемая при расчете на нормальный тепловой режим по формуле (1), на экстремальный - по формуле (3); kt - коэффициент пропорциональности, Па/°С, определяющий какая продольная сила возникает на единице площади сечения расстрела при его нагре-

п -d2-ж d2-ж - a d2-ж - aт

o ш ш y ш x

для четыреханкерного узла крепле-

AN

2M„

2M„

а =' , , , , п ■ d ■п d ■п ■ a d ■п ■ aг

o ш ш У ш x

где dm - диаметр штанги, м; ax - расстояние между штангами по оси ОХ, м; ay

- расстояние между штангами по оси OY, м; N - суммарная продольная сила от эксплуатационных и температурных нагрузок, кН,

N = N + N,

здесь Nt - продольная сила, вызванная температурными нагрузками, кН, определяемая по формуле (5); N3 - продольная сила, вызванная эксплуатационными нагрузками, кН,

N = Q ■ cos а + R sina,

где а - угол между продольной осью расстрела и нормалью к крепи в точке крепления расстрела, град.

Касательные напряжения в теле анкера, кПа, от перерезывающей силы Q:

п • ё -ж

0 ш

Оценка прочности сложно-напряженного состояния штанги производится по условию Губера-Хенки-Ми-зеса

(6)

где [а] - допустимое эквивалентное напряжение в анкерах, МПа.

[ст] >^а2 + 3 • т2

Н = К = к

,1с.

Уш

К • Ка

где Яи - расчетное сопротивление на растяжение, сжатие и изгиб проката и труб по пределу текучести, МПа; Яип - временное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу, МПа; ус - коэффициент условий работы, ус = 0,7 - для работы анкеров в шахте; ут - коэффициент надежности по материалу.

4. Оценка напряжений среза плиты в местах ее соединения с расстрелом Напряжения среза плиты будут равны N Мх Му

Тшах = — + —-----+ ---,

Г ж ж

пс пс х пс у

где /пс - площадь действия напряжений среза в плите, м2; N - продольная сила от совместного действия эксплуатационных и температурных нагрузок, кН.

Допустимые напряжения среза, МПа, равны

где [с] - предел текучести материала стали, МПа; Кн - коэффициент неравномерности напряженного состояния; Ка -коэффициент, учитывающий концен-

трацию напряжений, зависящий от угла отклонения расстрела от перпендикуляра. Ка определяется по данным таблицы.

5. Оценка напряжений в сварных швах на опорной плите

Напряжения среза в сварных швах будут равны

N Мх Му

Тшах = ТТ- + —--+ —--- ,

Г ж ж

шв шв х шв у

где /шв - площадь действия напряжений в сварных швах, м2; !¥шв х, 1¥шв у - моменты сопротивления сварных швов относительно осей ОХ0 и ОУ0, м3; N - продольная сила от совместного действия эксплуатационных и температурных нагрузок, кН.

Допустимые напряжения среза [т] = Я,#/ (Кн-Ка),

где Я^ - расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу шва; для электродов Э42 А Я^ = 180 МПа.

6. Оценка напряжений среза в бетоне, окружающем анкер

Как показали результаты моделирования работы армировок под действием температурных нагрузок, по данному фактору узел анкерного крепления расстрела является наименее работоспособным, поэтому напряжения среза в бетоне в большинстве случаев будут определять оценку прочности узла в целом. Данный расчет также обязательно производить с учетом температурных нагрузок.

При стержне анкера из периодического профиля класса А11 диаметром от

0,02 до 0,07 м максимальные напряжения среза в бетоне, МПа, будут равны

Значения коэффициента Ка

а, град 0 5 10 15 20 25 30 35

Ка 1 1,05 1,11 1,16 1,21 1,26 1,31 1,37

Промежуточные значения Ка определяются методом линейной интерполяции

( 0,092 1,313 Л

+

в:

в„

Р-10 ■

где Бст - диаметр стержня, м; Р - осевое усилие на анкер, кН,

Р = N;

п

здесь N - продольная сила от совместного действия эксплуатационных и температурных нагрузок, кН; п - количество анкеров, закрепляющих расстрел.

Допустимое напряжение среза в бетоне, МПа,

Т]= 0,75- 4К -Яь, ,

где Яь - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию для предельных состояний первой группы, МПа; Яь - расчетное сопротивление бетона осевому растяжению для предельных состояний первой группы, МПа.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Температурная нагрузка на арми-ровку должна определяться с учетом календарного времени армирования и климатических условий сооружения ствола.

2. Следует различать нормальную и экстремальную температурные нагрузки. Нормальная температурная нагрузка определяется как разность между температурой во время армирования и

максимальной (минимальной) температурой в течение года при соблюдении теплового режима в стволе. Экстремальная температурная нагрузка должна учитывать возможность возникновения аварийного температурного режима (обмерзания воздухоподающих стволов до глубины 400 м).

3. При изменении температуры в расстрелах возникает продольная сила N, прямопропорциональная площади поперечного сечения профиля расстрела / и температурной нагрузке АТ. Все элементы армировки и узлы анкерного крепления должны рассчитываться с учетом данной продольной силы.

4. Расчет узлов анкерного крепления расстрелов должен включать расчет усилий от эксплуатационных и температурных нагрузок, оценку напряжений в анкерах от совместного действия этих нагрузок, оценку напряжений в опорной плите, местах ее соединения с расстрелом и в сварных швах, оценку напряжений среза в бетоне, окружающем анкер.

5. При суммарном воздействии температурных и эксплуатационных нагрузок наиболее вероятным является разрушение заделки из-за превышения допустимых напряжений среза в бетоне, окружающем анкер.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Строительные нормы и правила: Подземные горные выработки. Нормы проектирования. СНиП 11-94-80. - М.: Стройиздат, 1982.

2. Строительные нормы и правила: Подземные горные выработки и работы. Правила производства и приемки работ. СНиП 3.02.0384. - М.: Стройиздат, 1985.

3. Строительные нормы и правила: Стальные конструкции. Нормы проектирования. СНиП 11-23.81*. - М.: Стройиздат, 1988.

4. Строительные нормы и правила: Металлические конструкции. Правила изготовления, монтажа и приемки. СНиП Ш-18-75. - М.: Стройиздат, 1976.

5. Строительные нормы и правила: Бетонные и железобетонные конструкции. СНиП 2.03.01 - 83. - М.: Госстрой СССР, 1980. - 15 с.

6. Правила безопасности в угольных шахтах. - Самара: Самарск. дом печати, 1995. - 242

с.

3

Т___=

7. Инструкция по производству маркшейдерских работ. Утв. Госгортехнадзором России 6.06.03. - М., 2003.

8. Методика расчета жестких армировок вертикальных стволов шахт.- ВНИИГМ им. М.М. Федорова.- Донецк, 1985.- 170 с.

9. Пособие по проектированию и монтажу жесткой армировки вертикальных стволов шахт и рудников (к СНиП 11-94-80). Гос. ком. СССР по народн. образ., Моск. горн. ин-т / Под ред. И.В. Баклашова. - М.: Недра, 1989. - 160 с.

10. Типовые материалы для проектирования 401-011-87-89. Сечения и армировка вертикальных стволов с жесткими проводниками.

- Харьков: Южгипрошахт, 1989.

11. Инструкция по проектированию и монтажу армировки вертикальных стволов шахт с

креплением элементов армировки на анкерах РД.12.18.089 - 90 - Харьков: ВНИИОМШС, 1990. - 83 с.

12. Технологические схемы армирования вертикальных стволов. - Харьков, ВНИИОМШС, 1981. -187 с.

13. Единые унифицированные технологические схемы и конструктивные решения центральных и фланговых стволов с жесткой ар-мировкой. - Харьков, Южгипрошахт, 1985.

14. Руководство по проектированию вертикальных стволов шахт с коробчатыми проводниками. Часть 1. Методические указания. -Кривой Рог, Криворожский горнорудный институт, 1989. - 116 с.

г Коротко об авторе

Прокопов А.Ю. - кандидат технических наук, доцент, заместитель директора Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета по образовательной и научной деятельности, доцент кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», г. Шахты, Россия, [email protected]