某廠原料跨廠房結構可靠性鑒定與加固

虞 強

0 引言

煉鋼廠廠房結構由于設計或施工錯誤，材料不符合要求，使用功能改變、溫差過大，遭受災害損害以及耐久性等原因，會出現超出設計規范允許的結構裂縫，造成承載能力不足，不能滿足安全性、適用性、耐久性的要求，所以廠房結構在使用過程中應實施定期嚴格的檢測監護，并針對使用過程中出現的原有隱患明顯惡化或缺陷顯著發展等危及廠房安全正常使用問題，及時制定相應的應急處理方案(或局部臨時加固方案)，以確保廠房、設備和工作人員的安全。

1 工程概況

某廠煉鋼主廠房原料跨于1970年由原冶金工業部重慶鋼鐵設計研究院設計，中國第十九冶金建設集團公司施工，并分別為1979年、1990年和2005年三次擴建，均由原冶金工業部重慶鋼鐵設計研究院設計。原料跨跨度為27.0 m，基本柱距為12.0 m，總長340 m，建筑面積為9622.0 m2。廠房原料跨戊己列①軸～⑥軸線范圍為單層單跨鋼筋混凝土排架結構，其中戊列部分上柱為鋼結構，⑦軸～⑧軸線范圍為單層三跨鋼筋混凝土排架結構;內部平臺標高在9.000 m以上為鋼框架結構，標高在9.000 m以下為鋼筋混凝土框架結構;設有5臺A7級工作制橋式軟鉤吊車，額定起重量均為200 t。目前，廠房結構按7度進行抗震設防，場地土按Ⅱ類考慮。

2 廠房結構目前存在的主要問題

部分排架柱上、下柱平面內靜態變形量已超過國家現行規范[1，2]所規定的允許值，平面內傾斜處于不穩定狀態，排架柱基礎的沉降處于不穩定狀態;軌道平行度不滿足現行規范要求;吊車梁上翼緣與腹板連接焊縫出現裂縫，吊車梁腹板上部加勁肋切角處出現縱向裂紋，吊車梁上翼緣與橫向加勁肋連接焊縫出現裂縫，制動板板間連接焊縫發生開裂，排架柱肩梁蓋板與下柱連接焊縫出現開裂;吊車梁下翼緣與柱肩梁之間的連接螺栓出現松動、缺失現象;吊車梁端橫肋之間的防松螺栓出現銹蝕、松動及缺失現象;個別固定吊車軌道的壓板設置不合理(寬度偏小、開槽)，加之部分固定吊車軌道的螺栓存在松動、缺失現象;吊車軌道連接處出現“啃軌”現象;吊車梁下翼緣與輔助桁架下弦之間所設置的水平支撐部分斷裂或人為損壞。各處裂縫圖如圖1～圖4所示。

圖1 吊車梁上翼緣與腹板連接焊縫出現裂縫圖

圖2 排架柱肩梁蓋板與下柱連接焊縫出現開裂圖

圖3 螺栓松動缺陷圖

圖4 吊車軌道的壓板設置缺陷圖

細觀裂縫一旦擴展至表面成為宏觀裂縫，焊縫中的殘余應力將失去作用，此時裂縫尖端的應力集中更加嚴重，吊車的循環作用將導致裂縫繼續發展。為消除裂縫尖端的應力集中效應，應采用鉆止裂孔方案對其進行加固處理。現場檢測發現，非鉆孔施工致使止裂孔內壁不夠光滑，難以達到預期加固效果，同時進一步對吊車梁腹板進行了削弱。

3 原因分析

排架柱平面內傾斜處于不穩定狀態很大程度上是由于測試時吊車是否滿載以及所處的工作位置，加之人為測試誤差所致。至于是否存在排架柱及其地基基礎自身缺陷原因而導致的平面內傾斜不穩定發展，待后續的測試分析進行確認。至于出現“啃軌”現象，很大程度上是由于軌道軌距偏差較大及其連接處自身缺陷所致，建議根據現場實際情況調整軌距并改善連接。

吊車梁的實際工作狀況與計算假定往往不一致。吊車梁并非是一單獨構件，它與制動結構、輔助桁架、水平和垂直支撐共同構成一個空間結構，吊車梁雖然是按簡支梁設計的，但是相鄰吊車梁之間往往在支座處通過螺栓相連，使吊車梁端部承受一定的負彎矩，同時連續的軌道也會承受一定的負彎矩，這些彎矩往往會造成吊車梁端部的連接螺栓、軌道以及軌道的固定螺栓破損。同時，吊車的實際荷載常超過計算取值。由于軌道不平或吊車橋架偏差等原因，吊車輪壓往往不等，個別輪壓有時可達計算取值的1.3倍以上，輪壓的動力系數也常超過設計取用的動力系數。另外，由于吊車輪水平偏斜、軌距變化和地基沉降、柱傾斜等原因，吊車的橫向水平荷載也大于設計取值[3]。

在連續反復荷載的多次或長期作用下，鋼材在其應力還低于抗拉強度甚至屈服點時會出現斷裂現象，這種鋼材裂紋在循環應力的反復作用下不斷擴展，直至截面達到臨界尺寸而突然斷裂的破壞形式，稱為疲勞破壞，其主要影響因素包括:鋼材的內部缺陷，循環應力的特征。內部缺陷來源于鋼材的生產和構件的制作過程，一般難以避免。循環應力來源于吊車、車輛等荷載的反復作用，一般以應力比、應力幅、應力循環次數等描述，往往與應力集中產生的高峰應力、熱作業產生的殘余應力等有關。至于吊車梁及柱肩梁相關部位出現的疲勞裂縫(裂紋)，主要是以下3個方面因素的綜合作用:

1)由于軌道和吊車梁的制造誤差、安裝偏差及吊車的運行偏差等因素，造成了吊車的垂直輪壓對腹板中心的偏心，偏心輪壓將產生較大的附加彎曲應力;

2)吊車小車啟動與剎車及大車車輪卡軌均會產生橫向水平力，在吊車梁腹板上部及其他相關鋼結構構件形成水平向剪應力;

3)初始缺陷的存在，導致材料在使用前焊縫中已經形成極小的微裂縫，加之在焊接過程中，焊縫中存在垂直于焊縫的殘余拉應力(這種殘余應力往往很大，甚至會超過母材的屈服強度)。裂縫一旦擴展至表面成為宏觀裂縫，焊縫中的殘余應力將失去作用，此時裂縫尖端的應力集中更加嚴重，吊車的循環作用將導致裂縫繼續發展。

4 加固處理方案與建議

雖然部分排架柱上柱、下柱的平面內靜態變形(傾斜)超出國家規范要求，被評為C級，但考慮到其很大程度上屬于廠房建設時的施工誤差較大所致，故暫可不進行糾偏處理，建議繼續進行定期監護措施觀察其變形(傾斜)發展情況。若變形(傾斜)不再發展，則可不予處理即可保證結構安全正常使用;若變形(傾斜)顯著發展，則應進行糾偏處理。

依據檢測結果并結合現場實際情況，調整原料跨軸線處兩列軌道之間的軌距超出國家規范的部分，并改善吊車軌道的連接，以避免或緩解吊車大車的啃軌(甚至卡軌)現象，確保吊車安全正常運行。

采用鉆止裂孔、(剔出后)重焊開裂的焊縫并增設小肋板方案，對廠房原料跨吊車梁上翼緣與腹板連接焊縫的裂縫進行局部補強補缺加固處理。

采用鉆止裂孔、貼焊鋼板并增設小肋板方案，對廠房原料跨吊車梁腹板上部(加勁肋切角處)的縱向裂紋進行局部補強補缺加固處理。

采用對稱貼焊等肢角鋼方案，對廠房原料跨吊車梁上翼緣與橫向加勁肋連接焊縫的裂縫進行局部補強補缺加固處理。

雖然制動板板間連接焊縫發生開裂，但考慮到其主要用來承受橫向水平荷載，可不予處理即可保證結構安全正常使用。

采用鉆止裂孔、(剔出后)重焊開裂的焊縫并增設斜板方案，對廠房原料跨排架柱肩梁的焊接裂縫進行局部補強補缺加固處理。

修復吊車梁下翼緣與柱肩梁之間松動、缺失的連接螺栓;更換吊車梁端橫肋之間已銹蝕、松動及缺失的防松螺栓;檢查修復松動、損壞的固定吊車軌道的螺栓和壓板，以消除吊車軌道的滑動現象。

更換吊車梁下翼緣與輔助桁架下弦之間斷裂或人為損壞的水平支撐。

另外，積極關注本地區的地震信息，若有震情尤其是破壞性地震預報，應采取停產、及時疏散工作人員等應急措施。

5 結語

由于煉鋼廠房結構需常年承受較大的使用吊車荷載，且受到各種內外在因素的影響，必然容易出現各種質量問題，如吊車梁承載力不足、排架柱傾斜等，導致其無法滿足安全使用的要求。因此，對該結構應加強平日的維護和檢測，一旦發現問題及時進行加固處理，以免超負荷使用而造成安全事故。

[1]JGJ 8-2007，建筑變形測量規范[S].

[2]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[3]姚繼濤，馬永欣.建筑物可靠性鑒定和加固[M].北京:科學出版社，2006.