Напряженно-деформированное состояние стального башенного копра при монтаже методом надвижки

Введение

Укосные шахтные копры являются одним из наиболее ответственных видов горнотехнических сооружений шахтной поверхности [1]. От качества проводимых строительно-монтажных работ и сроков введения данных объектов в эксплуатацию напрямую зависит работа всего предприятия. Одним из вариантов сокращения cроков строительства данного объекта является способ надвижки возведенного башенного копра с установленным оборудованием, готовым к подключению.

В настоящее время метод надвижки в значительной степени распространен в мостостроении при монтаже пролетных строений. Метод монтажа «надвижка» применяется для особо тяжелых конструкций или больших по площади конструктивных блоков зданий или сооружений. В строительстве промышленных предприятий данный метод применяется исходя из экономических показателей. При строительстве копров предшествующим этапом идет проходка ствола шахты и устройство крепи, которые занимают значительное время, как и строительство самого ствола шахты (надземное сооружение). Для уменьшения сроков строительства применяется метод «надвижки», который позволяет параллельно производить проходку подземной части ствола и строительство копра. Параллельность строительства обеспечивается за счет того, что ствол башенного копра строится рядом с местом, где проходит проходка, на специально разработанном стенде. По окончании проходки и строительства копра надземная часть перемещается по специально разработанному пути в проектное положение и в последующем соединяется со стволом проходки.

Метод «надвижки» (передвижения зданий и сооружений) не является новым. Первые упоминания о передвижении сооружений датируются тысячей лет до нашей эры. Ученые предполагают, что таким образом был передвинут фундамент Сфинкса в Египте. Впервые в России в 1770 г. таким образом был передвинут памятник Петру I в Санкт-Петербурге [2]. Применению данного метода способствовала индустриализация городов и сохранение памятников архитектуры. Данный метод был применен в СССР, Европе, США. Особое внимание данному методу было уделено в горнодобывающей промышленности Донбасса.

Анализ исследования

Значительный вклад в развитие проектирования копров внесли такие ученые, как В.Е. Андреев [1], Я.В. Бровман [3], В.М. Левин [4], S. Lagomarsino, L.C. Pagnini [5].

Исследованиями высотных сооружений, в том числе и исследованиями башенных металлических копров, занимались такие ученые, как Е.В. Горохов [6–9], В.Н. Кущенко [10][11], А.С. Кострицкий [12], B.K. Kejriwal [13], V.V. Kulyabko [14], D.G. Elms [15], J. Murgewski [16].

Целью исследования является анализ влияния монтажных нагрузок на напряженно-деформированное состояние башенного металлического копра методом «надвижки».

Объект исследования – укосный шахтный копр со скипо-клетьевым подъемом.

Предмет исследования – напряженно-деформированное состояние несущих стальных элементов шахтного копра.

Основной материал

В данной статье рассматривается надвижка башенного металлического копра высотой 85 м со скипо-клетьевым подъемом полезных ископаемых (рис. 1).

Копер имеет две укосины, расположенные вдоль цифровых и буквенных осей сооружения. На отметке +22,000 м расположен бункер приема сырья объемом 600 м³. Эвакуационные выходы выполнены из монолитного железобетона. В осях Ж–Л располагаются тяжелые конвейеры для отгрузки добытого сырья.

На первом этапе проводится анализ конструктивной схемы сооружения с устанавливаемым оборудованием. Это требуется для оценки массы сооружения и нахождения центра тяжести. Для точной оценки массы сооружения была создана BIM-модель в программном комплексе Tekla Structures (рис. 2).

Данная модель позволяет более точно определить вес сооружения. Она создается по данным проектной организации, которая проводит проектирование копра в стадии эксплуатации.

При разработке проектов организации строительства (ПОС) и производства работ (ППР) для проведения надвижки перед инженером стоят задачи: оценка несущей способности сооружения в процессе надвижки; разработка специального стенда сборки копра с учетом геологических изысканий объекта; разработка накаточного пути для перемещения сооружения в проектное положение; подбор материалов скольжения:

– металл по металлу, смазанный графитовой смазкой;

– металл по металлическим кругам, смазанный графитовой смазкой;

– применение специального волокна для надвижки пролетных строений мостов.

А также стоят задачи принятия решения по применению домкратов либо применению блоков и полиспастов тяговых механизмов; разработки узлов крепления монтажных приспособлений и узлов крепления сооружения в проектное положение.

Для решения вышеперечисленных задач разработана расчетная схема в программном комплексе ЛИРА-САПР 2024 (рис. 3, 4). Расчетная схема определена как система с признаком 5 (пространственная система). Это значит, что рассматривается система общего вида, ее деформации и главные неизвестные представлены линейными перемещениями узловых точек вдоль осей X, Y, Z и поворотами вокруг этих осей.

В расчетном комплексе к сооружению прикладывались нагрузки от веса копра с учетом установки ограждающих конструкций от отметки +6,000 м и расположения оборудования копра. Снеговая нагрузка рассчитывалась с учетом разновысотности блоков сооружения. Ветровое воздействие рассчитывалось с учетом пульсационной составляющей по направлению оси X и Y.

Проанализировав BIM-модель, можно сделать вывод, что суммарная масса копра составляет 8028 тонн, предварительно с учетом коэффициента трения скольжения 0,4 (металл по металлу) принимаем 5 домкратов по 1000 тонн и устанавливаем их на самые нагруженные оси накаточного пути. На рис. 5–7 представлены мозаики проверки принятых сечений по первому предельному состоянию (прочность), по второму предельному состоянию (прогибы и перемещения), по местной устойчивости.

Полученные результаты позволяют корректно провести усиление дополнительной развязкой связей первого этажа. При приложении нагрузки от домкратов по наиболее нагруженным осям накаточного пути происходит поворот (рис. 8) копра с последующим изломом одной из укосин. При проведении надвижки данного сооружения необходимо отказаться от укосины, расположенной поперек движения копра. Это позволит уменьшить количество осей накаточного пути.

Выводы

1. Коэффициент удерживания превышает 1 и составляет 13,06 вдоль проведения надвижки, что в свою очередь соответствует требованиям расчета на опрокидывание.
2. Суммарная масса копра составляет в летний период 8028 тонн, а в зимний период – 8028 + 506 = 8534 тонны.
3. Расчет подтвердил, что требуется выполнить усиление элементов, не прошедших по первому предельному состоянию (колонны первого этажа, первая секция ноги, связи первого этажа), также требуется провести дополнительную развязку колонн первого этажа.
4. Проанализировав результаты расчета, рекомендуется проводить надвиг копра с одной укосиной, расположенной вдоль буквенных осей.
5. Рекомендуется применение пяти гидравлических домкратов по 1000 т – один с последующей корректировкой давления домкратов на каждую из осей во избежание поворота копра (последующего заклинивания стенда надвига).