竖井排水管路温度应力对支承结构的受力分析

庄永晓，刘荣乐，张春虎

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031)

竖井排水管路温度应力对支承结构的受力分析

庄永晓，刘荣乐，张春虎

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031)

结合工程设计实例及《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》（GB50451-2008），并借助SAP2000软件模拟，探讨温度应力在竖井管路支承中的荷载取值。

温度应力；直管支承梁；弯管支承梁；SAP2000

竖井井筒中排水管路的敷设,一般是在排水管的上部和中间设置直管支座，在排水管的下部设带座弯头，然后将直管支座和带座弯头固定到支承梁上[1]。管路支承梁一般采用槽钢、工字钢或矩形方管钢梁，其截面的大小需按所承受的不同载荷经计算选取。一般直管支承梁在井筒中每隔100～150 m考虑[2]，弯管支承梁设置在竖井井筒中由竖向转为水平的转弯处。管路支承梁一般需要承担管路重量、水柱重、“水锤”冲击力、温度应力等，本文主要就排水管温度应力对支承梁的影响进行分析与计算探讨。

1 竖井排水管路温度应力

1.1 竖井排水管路温度应力的产生

温度应力亦称“热应力”，由于温度变化，结构或构件产生伸或缩，而当伸缩变形受到限制时，结构或构件内部便产生应力，称为温度应力。矿山因不同季节、昼夜等时段与排水管路安装时的温差而产生管路伸缩变形，进而对管路支承梁产生影响。因此，竖井井筒排水管路无论用法兰连接还是焊接连接，在下端与支承梁刚性连接的排水管路段，当上端设有支承梁且不能自由伸缩变形时，均宜考虑温度应力的影响，以防止管路变形发生位移，从而影响矿山正常生产，在深井及温度变化大的井筒中尤其应当注意。

1.2 竖井排水管路温度应力的计算

关于温度应力对排水管路支承梁设计选型的影响，《采矿设计手册 井巷工程卷》(中国建筑工业出版社)及《有色金属矿山井巷工程设计规范》(GB50915-2013)均未涉及，而煤炭系统国标《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》（GB50451-2008）附录D排水管路支承梁的荷载中提到了温度应力的计算；因此本文对温度应力计算分析以《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》（GB50451-2008）的规定为依据。

温度应力标准值计算[3]：

式中：A为管子横断面金属面积，mm2；E为钢材弹性模量，MPa；α为钢材的线膨胀系数，以每℃计，12× 10-6；Tj为所论管段的环境极值温度，℃；Ta为管路安装时的环境温度，℃。

从上述公式可以看出，温度应力计算公式中影响温度应力的参数为所选管路管子的横断面金属面积A、钢材弹性模量E、钢材的线膨胀系数α和安装管路环境的温度变化值ΔT。其中钢材弹性模量E和钢材的线膨胀系数α与材料属性有关，为常数。可变参数为管子横断面金属面积A和安装管路环境的温度变化值ΔT。

2 竖井排水管路温度应力对管路支承梁影响的受力分析

温度应力对管路支承梁的影响在直管支承梁和弯管支承梁处有所区别，下面以一个设置多层支承梁的管路为例作温度变化受力分析。如图1[4]所示，假设管路直管支承梁为双槽钢，弯管支承梁为双工字钢，ΔT为负时管路产生的收缩拉力为F1，ΔT为正时管路产生的热胀压力为F2。

图1 温度应力对管路支承梁的作用

由图1可知，直管支承梁处无论管路环境温度升高或降低，由于温度变化产生的拉力或压力对直管支承梁的作用均大小相等，方向相反，对直管支承梁的计算选型可不考虑温度应力的影响；在弯管支承梁处，如果温度降低，则需要考虑管路对其向上的收缩拉力 F1，其有利于支承结构；如果温度升高，则需考虑管路对其向下的热胀压力F2，其增加支承结构向下的竖向力。在分析温度应力对管路支承梁的影响时，安装管路环境的温度变化值ΔT的取值是一个敏感参数和难点，其取值大小在一定程度上影响管路支承梁的选型。也就是说，选择管路及支承结构的安装时间应考虑安装时的环境温度，尽可能使ΔT为负值。

3 有竖井排水管路温度应力作用下支撑梁的模拟计算

通过上述分析，温度应力主要对管支承梁的影响较大，现以实例计算说明。某金矿采用竖井开拓，主排水管路为两趟Φ426×25 mm无缝钢管，沿竖井井筒敷设，井口标高+30.00 m，井筒全深1 030 m，弯管支承梁设置在井筒-922 m管子道平台。排水管及支承梁在井筒中的平面位置如图2所示。

图2 排水管及支承梁平面布置

此例中，根据分析仅计算弯管支承梁处温度应力的影响。其中，作用于弯管支承梁节点上的荷载主要有管路自身重力及支承梁重SGk=250 kN，水柱重标准值SQ1k=1 196 kN，温度应力标准值SQ2k（安装管路环境的温度变化值ΔT=10℃），水锤力SAk=2.856 MPa。按此条件采用SAP2000软件进行模拟计算，模型的计算共包含以下3种不同的荷载组合。

组合1：恒荷载（水管重力、梁自重）+水柱重+温度荷载（10℃）+偶然荷载（水锤力）；

组合2：恒荷载（水管重力、梁自重）+水柱重+温度荷载（-10℃）+偶然荷载（水锤力）；

组合3：恒荷载（水管重力、梁自重）+水柱重+偶然荷载（水锤力）。

计算模型如图3所示。

图3 弯管支承梁计算模型

计算得到的各构件的最大弯矩见表1。

表1 弯管支承梁计算最大弯矩

由表1可看出，在弯管支承梁处，所论管段的环境温度高于管路安装时的环境温度时，弯管支承梁的弯矩最大，温度应力对其选型的影响较大。通过计算可知，对于弯管支承梁选择较高的环境温度即ΔT为负时进行安装，温度应力对其的影响具有正面作用。

4 结语

综上所述，在温度变化大的井筒，对管路及其支承梁的计算选型时要注意温度应力的影响。井筒中设多层管路支承梁且均为刚性连接的情况，建议在管路间适当地设置管路伸缩装置，以消除温度应力的影响进而防止管路移位甚至失稳。另外，排水管路及支承结构应选择适宜的安装季节，以使温度应力对管路及支承结构产生正面影响，按本文分析，一般应选择在温度相对较高的季节进行安装。

[1] 陈继方．关于立井排水管托管梁计算的探讨[J]．中州煤炭，1997（4）：15.

[2] 张荣立，何国纬，李铎．采矿工程设计手册[M]．北京：煤炭工业出版社，2003．

[3] GB50451-2008，煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范[S]．

[4] 张建军．立井排水管路设置中间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

江西省科技支撑计划项目（20111BBE50031）

庄永晓（1982—），男，工程师，主要从事矿井建设工程设计与研究。