豎井排水管路溫度應力對支承結構的受力分析

莊永曉，劉榮樂，張春虎

(中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031)

豎井排水管路溫度應力對支承結構的受力分析

莊永曉，劉榮樂，張春虎

(中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031)

結合工程設計實例及《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規(guī)范》（GB50451-2008），并借助SAP2000軟件模擬，探討溫度應力在豎井管路支承中的荷載取值。

溫度應力；直管支承梁；彎管支承梁；SAP2000

豎井井筒中排水管路的敷設,一般是在排水管的上部和中間設置直管支座，在排水管的下部設帶座彎頭，然后將直管支座和帶座彎頭固定到支承梁上[1]。管路支承梁一般采用槽鋼、工字鋼或矩形方管鋼梁，其截面的大小需按所承受的不同載荷經計算選取。一般直管支承梁在井筒中每隔100～150 m考慮[2]，彎管支承梁設置在豎井井筒中由豎向轉為水平的轉彎處。管路支承梁一般需要承擔管路重量、水柱重、“水錘”沖擊力、溫度應力等，本文主要就排水管溫度應力對支承梁的影響進行分析與計算探討。

1 豎井排水管路溫度應力

1.1 豎井排水管路溫度應力的產生

溫度應力亦稱“熱應力”，由于溫度變化，結構或構件產生伸或縮，而當伸縮變形受到限制時，結構或構件內部便產生應力，稱為溫度應力。礦山因不同季節(jié)、晝夜等時段與排水管路安裝時的溫差而產生管路伸縮變形，進而對管路支承梁產生影響。因此，豎井井筒排水管路無論用法蘭連接還是焊接連接，在下端與支承梁剛性連接的排水管路段，當上端設有支承梁且不能自由伸縮變形時，均宜考慮溫度應力的影響，以防止管路變形發(fā)生位移，從而影響礦山正常生產，在深井及溫度變化大的井筒中尤其應當注意。

1.2 豎井排水管路溫度應力的計算

關于溫度應力對排水管路支承梁設計選型的影響，《采礦設計手冊 井巷工程卷》(中國建筑工業(yè)出版社)及《有色金屬礦山井巷工程設計規(guī)范》(GB50915-2013)均未涉及，而煤炭系統(tǒng)國標《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規(guī)范》（GB50451-2008）附錄D排水管路支承梁的荷載中提到了溫度應力的計算；因此本文對溫度應力計算分析以《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規(guī)范》（GB50451-2008）的規(guī)定為依據。

溫度應力標準值計算[3]：

式中：A為管子橫斷面金屬面積，mm2；E為鋼材彈性模量，MPa；α為鋼材的線膨脹系數，以每℃計，12× 10-6；Tj為所論管段的環(huán)境極值溫度，℃；Ta為管路安裝時的環(huán)境溫度，℃。

從上述公式可以看出，溫度應力計算公式中影響溫度應力的參數為所選管路管子的橫斷面金屬面積A、鋼材彈性模量E、鋼材的線膨脹系數α和安裝管路環(huán)境的溫度變化值ΔT。其中鋼材彈性模量E和鋼材的線膨脹系數α與材料屬性有關，為常數?？勺儏禐楣茏訖M斷面金屬面積A和安裝管路環(huán)境的溫度變化值ΔT。

2 豎井排水管路溫度應力對管路支承梁影響的受力分析

溫度應力對管路支承梁的影響在直管支承梁和彎管支承梁處有所區(qū)別，下面以一個設置多層支承梁的管路為例作溫度變化受力分析。如圖1[4]所示，假設管路直管支承梁為雙槽鋼，彎管支承梁為雙工字鋼，ΔT為負時管路產生的收縮拉力為F1，ΔT為正時管路產生的熱脹壓力為F2。

圖1 溫度應力對管路支承梁的作用

由圖1可知，直管支承梁處無論管路環(huán)境溫度升高或降低，由于溫度變化產生的拉力或壓力對直管支承梁的作用均大小相等，方向相反，對直管支承梁的計算選型可不考慮溫度應力的影響；在彎管支承梁處，如果溫度降低，則需要考慮管路對其向上的收縮拉力 F1，其有利于支承結構；如果溫度升高，則需考慮管路對其向下的熱脹壓力F2，其增加支承結構向下的豎向力。在分析溫度應力對管路支承梁的影響時，安裝管路環(huán)境的溫度變化值ΔT的取值是一個敏感參數和難點，其取值大小在一定程度上影響管路支承梁的選型。也就是說，選擇管路及支承結構的安裝時間應考慮安裝時的環(huán)境溫度，盡可能使ΔT為負值。

3 有豎井排水管路溫度應力作用下支撐梁的模擬計算

通過上述分析，溫度應力主要對管支承梁的影響較大，現以實例計算說明。某金礦采用豎井開拓，主排水管路為兩趟Φ426×25 mm無縫鋼管，沿豎井井筒敷設，井口標高+30.00 m，井筒全深1 030 m，彎管支承梁設置在井筒-922 m管子道平臺。排水管及支承梁在井筒中的平面位置如圖2所示。

圖2 排水管及支承梁平面布置

此例中，根據分析僅計算彎管支承梁處溫度應力的影響。其中，作用于彎管支承梁節(jié)點上的荷載主要有管路自身重力及支承梁重SGk=250 kN，水柱重標準值SQ1k=1 196 kN，溫度應力標準值SQ2k（安裝管路環(huán)境的溫度變化值ΔT=10℃），水錘力SAk=2.856 MPa。按此條件采用SAP2000軟件進行模擬計算，模型的計算共包含以下3種不同的荷載組合。

組合1：恒荷載（水管重力、梁自重）+水柱重+溫度荷載（10℃）+偶然荷載（水錘力）；

組合2：恒荷載（水管重力、梁自重）+水柱重+溫度荷載（-10℃）+偶然荷載（水錘力）；

組合3：恒荷載（水管重力、梁自重）+水柱重+偶然荷載（水錘力）。

計算模型如圖3所示。

圖3 彎管支承梁計算模型

計算得到的各構件的最大彎矩見表1。

表1 彎管支承梁計算最大彎矩

由表1可看出，在彎管支承梁處，所論管段的環(huán)境溫度高于管路安裝時的環(huán)境溫度時，彎管支承梁的彎矩最大，溫度應力對其選型的影響較大。通過計算可知，對于彎管支承梁選擇較高的環(huán)境溫度即ΔT為負時進行安裝，溫度應力對其的影響具有正面作用。

4 結語

綜上所述，在溫度變化大的井筒，對管路及其支承梁的計算選型時要注意溫度應力的影響。井筒中設多層管路支承梁且均為剛性連接的情況，建議在管路間適當地設置管路伸縮裝置，以消除溫度應力的影響進而防止管路移位甚至失穩(wěn)。另外，排水管路及支承結構應選擇適宜的安裝季節(jié)，以使溫度應力對管路及支承結構產生正面影響，按本文分析，一般應選擇在溫度相對較高的季節(jié)進行安裝。

[1] 陳繼方．關于立井排水管托管梁計算的探討[J]．中州煤炭，1997（4）：15.

[2] 張榮立，何國緯，李鐸．采礦工程設計手冊[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2003．

[3] GB50451-2008，煤礦井下排水泵站及排水管路設計規(guī)范[S]．

[4] 張建軍．立井排水管路設置中間直管座后的托管梁受力分析[J]．煤炭工程，2006（11）：26．

Stress Analysis on Supporting Structure of Shaft Water Drainage Pipeline Temperature Stress

ZHUANG Yongxiao,LIU Rongle,ZHANG Chunhu
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Combining with the example of engineering design and Code for Design of Pumping Station and Pipeline of under Coal Mine(GB50451-2008).The paper discusses load value of temperature stress in shaft pipeline support by using SAP2000 software simulation.

temperature stress;straight beam;elbow beam;SAP2000

TD262.4

A

1004-4345(2015)05-0012-03

2015-06-12

江西省科技支撐計劃項目（20111BBE50031）

莊永曉（1982—），男，工程師，主要從事礦井建設工程設計與研究。