CC BY
8
© A.A. Богомазов, 2012
УДК 622.25 (06) A.A. Богомазов
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ АРМИРОВКИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАГРУЗОК
Произведён анализ вариантов работы армировки под воздействием температурных нагрузок и выявлены основные группы. Выполнено моделирование возможных ситуаций при различных схемах армировки. Определенны допустимые амплитуды колебаний температуры для безаварийной эксплуатации. Даны рекомендации для предотвращения разрушения узлов анкерного крепления армировки.
Ключевые слова: нагревание, охлаждение, консоли, расстрелы, температура, деформация.
Строительство вертикальных стволов осуществляется при различных погодных условиях и в различное время года. При этом не учитывается температура окружающей среды, что может существенно сказаться на изменении размеров армировки вертикального ствола при последующем вводе его в эксплуатацию.
В зависимости от календарного времени монтажа армировки и соответствующей температуры монтируемых конструкций, которая может быть принята как начальная, возможны 2 критических случая работы ар-мировки под воздействием температурных нагрузок:
1-й случай — монтаж армировки производится в наиболее холодный период года (январь), при этом все элементы армировки, в силу закона линейного расширения тел, имеют минимальную длину. При креплении всех концов расстрелов (консолей) анкерами к бетонной крепи возникает жесткое защемление концов при отсутствии податливости по всем 6 возможным степеням свободы (3 поступательным и 3 вращательным). При повышении температуры воздуха в стволе происходит
постепенное нагревание конструкций, что приводит к возникновению температурной нагрузки со знаком «+» во всех элементах армировки.
2-й случай — монтаж армировки производится в наиболее жаркий период года (июль), при этом все элементы армировки имеют максимальную длину. При понижении температуры воздуха в стволе происходит постепенное охлаждение конструкций, что приводит к возникновению температурной нагрузки со знаком «-» во всех элементах армировки.
При приложении к моделям только температурных (положительных или отрицательных) нагрузок, можно получить качественную картину изменения напряженно-деформированного состояния и определить основные тенденции смещения конструкций от проектного положения.
В результате обработки результатов моделирования 12 типовых схем армировки были выявлены 3 характерные группы конструкций армиров-ки, напряженно-деформированное состояние которых при нагревании (охлаждении) существенным образом отличается друг от друга.
Исследование НДС рамной армнровкн при температурных воздействиях: а — схема армировки; б — схема конечно-элементной модели с приложением температурных нагрузок; в — схема деформаций армировки при нагревании конструкции; г — то же при охлаждении конструкции
1 группа — одинарные расстрелы (центральные или хордальные), закрепленные обоими концами к крепи анкерами и не связанные с другими расстрелами.
При нагревании из-за жесткой фиксации узлов крепления расстрелов анкерами, при расширении конструкций в результате возникновения в стержнях продольных сил возникают дополнительные напряжения. Особенно значительными эти напряжения будут в центральных или длинных хордальных расстрелах. Если возникающие в стержнях эквивалентные растягивающие напряжения превысят предел прочности стали на растяжение, произойдет разрушение балки и возникнет аварийная ситуация.
При охлаждении в одинарных расстрелах также возникают продольные стержням силы, но направленные в противоположную сторо-
ну, т.е. от концов стержня к его центру. Вследствие неподвижности концов расстрела, закрепленного анкерами, в стержнях также возникают дополнительные напряжения. В случае, если продольная сила превысит суммарное усилие вырывания, на которое рассчитаны анкеры, закрепляющие расстрел, то произойдет разрушение одной из заделок, тем самым нарушится несущая способность балки.
2-я группа — расстрелы, образующие рамную конструкцию яруса и состоящие как из центральных (хордальных) расстрелов, так и вспомогательных (пальцевых) расстрелов, служащих для повышения жесткости яруса или крепления проводников для противовесов.
Если к центральному или хордаль-ным расстрелам по нормали примыкают жестко присоединенные вспомогательные расстрелы, то, кроме
дополнительных напряжений, характерных для расстрелов 1-й группы, из-за действия перерезывающих сил от нагревания (охлаждения) примыкающих расстрелов, будут возникать дополнительные прогибы основных стержней, ориентированные вдоль продольных осей примыкающих расстрелов.
Демонстрация изменения НДС этой группы армировок выполнена на примере типовой схемы клетевого ствола (рис. 1).
Как следует из рис. 1 в, г, а также результатов расчета возникающих усилий и перемещений, анкерные заделки хордальных расстрелов также будут испытывать существенные нагрузки, направленные на вырывание анкеров (разрушение заделки) как при нагревании, так и при охлаждении конструкции.
3-я группа — консоли, П-образ-ные расстрелы, т.е. элементы, имеющие жесткое защемление лишь с одной стороны. Такие элементы армировки не имеют жестких ограничений для теплового расширения или сжатия конструкций. Поэтому в консольных расстрелах приложение положительной (отрицательной) температурной нагрузки практически не вызывает дополнительных напряжений, однако приводит к удлинению (укорочению) консолей. Такое изменение может повлиять на величину зазора между проводником и подъемным сосудом. Уменьшение данного зазора сверх допустимых значений может привести к увеличению сил трения или при двустороннем расположении проводников даже к заклиниванию подъемного сосуда, а увеличение зазора — к ухудшению условий работы направляющих устройств или даже к потере кинематической связи между проводником и подъемным сосудом.
После проведения моделирования напряженно-деформированного состояния жестких армировок при воздействии температурных и эксплуатационных нагрузок, при анкерном крепление расстрелов и консолей и обработке результатов видно, что напряжения, возникающие в штангах, прямопропорцио-нальны действующим температурным нагрузкам и для большинства типовых схем армировки не превышают допустимых значений. Расчет штанг на предельные температурные нагрузки, при которых произойдет разрушение анкеров, показал, что максимально допустимые температурные нагрузки зависят от схемы яруса, профилей армировки и для стандартных диаметров анкеров колеблются в пределах от 21 до 41°С для треханкерных узлов крепления и от 28 до 55°С — для четыреханкер-ных узлов.
Таким образом, при соблюдении температурного режима стволов, регламентируемого ПБ, анкеры для закрепления расстрелов во всех исследуемых схемах обеспечивают требуемую прочность. При амплитуде температурных нагрузках более 21 °C для треханкерного узла или более 28 °C для четыреханкерного узла, а также при возникновении аварийных температурных режимов, возможны нарушение прочности анкеров и потеря их работоспособности.
Следовательно, проектирование жесткой армировки с креплением расстрелов анкерами необходимо осуществлять с учетом календарного времени года армирования и сезонных температурных колебаний. В зависимости от времени года армирования конструкции армировки в последствии будут испытывать положительные или отрицательные температурные воздействия. Для
предотвращения нарушение узлов анкерного крепления следует применять анкера большего диаметра или материала заделки с лучшими прочностными характеристиками. Однако, наиболее надежным способом защиты армировки от наруше-
ний в результате температурных воздействий, является включение в конструкцию узлов податливости или использование других (неанкерных) способов крепления одного из концов наиболее нагруженного расстрела.
1. Ягодкин Ф.И., Прокопов А.Ю., Богомазов A.A. Исследование взаимодействия крепи стволов с анкерными конструкциями крепления расстрелов// Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 2006. — Тематическое прил. «Физика горных пород» — С. 335 — 340.
2. Прокопов А.Ю., Саакян P.O., Богомазов A.A. Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния жестких и податливых узлов крепления арми-ровки вертикальных стволов// Материалы второй международной конференции по
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
проблемам горной промышленности, строительству и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности строительства и энергетики». — Тула: ТулГУ, 2005. — С. 124 -128.
3. Ягодкин Ф.И., Прокопов А.Ю., Богомазов A.A. Исследование взаимодействия крепи стволов с анкерными конструкциями крепления расстрелов// Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 2006.- С. 335 — 340. ТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Богомазов Александр Александрович — кандидат технических наук, доцент, е-шаП: sbog@rambler.ru, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
А
- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
КЛАСТЕРЫ ИЛИ ТПК: СХОДСТВА И РАЗЛИЧИЯ
(№918/09-12 от 23.05.12, 09 с.)
Дондоков Б.С. — аспирант, e-mail: dondokovbs@mail.ru Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова.
TIC AND CLUSTERS: SIMILARITIES AND DIFFERENCES
Dondokov B.S.
