輸煤棧橋加固方案分析

程 志 鵬

(太原正越工程設(shè)計有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

輸煤棧橋是一種特殊的工業(yè)建筑，主要應(yīng)用于煤礦運輸、電力生產(chǎn)等筒倉結(jié)構(gòu)和廠房之間的連接，對于生產(chǎn)環(huán)節(jié)無可替代，20世紀(jì)70年代的高速發(fā)展，全國各地洗煤廠紛紛建立，同時建設(shè)了一批輸煤棧橋，大部分結(jié)構(gòu)形式采用的是角鋼桁架，這種結(jié)構(gòu)擁有施工方便、受力性能優(yōu)良以及可重復(fù)利用性能好和可隨時拆除等優(yōu)點，從而被廣泛應(yīng)用于輸煤棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

輸煤棧橋在建設(shè)過程中，使用較多的為外圍護的鋼桁架架構(gòu)，但是礦區(qū)的生產(chǎn)工藝和材料本身的特性，再加上降水作用，會對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響，而且每天定期的灑水除塵工作更是加快了鋼材的腐蝕工作，煤礦只注重生產(chǎn)，而不關(guān)心設(shè)備的問題導(dǎo)致這種不安全隱患產(chǎn)生擴大化的趨勢，加快結(jié)構(gòu)的消損。因此有必要對于這類建筑結(jié)構(gòu)進行加固，同時對于加固的合理性通過有限元軟件進行分析，以便驗證方案的合理性。

2 工程概況以及存在問題

2.1 工程概況

該工程建于1980年，位于礦區(qū)中心地帶，皮帶走廊連接的是集中煤儲煤倉和主廠房，采用的是兩跨簡支鋼桁架棧橋，連續(xù)皮帶傳送90 m，15°的傾角，支承結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土柱。棧橋采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，跨度為30 m，截面尺寸為4.5 m×2.8 m，上弦桿為雙角鋼(L160×12)，使用雙槽鋼(25#)作為兩段豎向腹桿，雙角鋼(L63×6)為中間豎向腹桿，雙角鋼為斜腹桿，有L90×8，L110×10，L80×8，L140×14，L100×8五種型號。輸煤棧橋由集中煤儲煤倉和鋼筋混凝土框架柱作為主要支承結(jié)構(gòu)，走廊墻體內(nèi)側(cè)采用的是鋼筋混凝土槽型掛板，外側(cè)采用彩鋼板，樓面板和屋面頂板內(nèi)層鋪設(shè)的是鋼筋混凝土預(yù)制槽形板。該結(jié)構(gòu)投入運行使用年限約為35年，礦區(qū)環(huán)境氣候惡劣，長期處于被腐蝕的環(huán)境中，安全性逐漸下降，在交流中獲得該廠房投入使用后一直未進行過修葺，加固。

2.2 目前存在的問題

1)輸煤棧橋外圍護的彩鋼板腐蝕情況嚴(yán)重，部分通過視覺觀察已經(jīng)完全脫落，部分處于懸掛狀態(tài)，隨時有掉落的可能出現(xiàn)，有極大的人身安全隱患。

2)棧橋和樓面板接觸的部位，主要是鋼筋混凝土槽型預(yù)制板，該預(yù)制板目前狀態(tài)良好，沒有任何明顯的安全隱患，但是下部位長期在空氣中，腐蝕情況較為嚴(yán)重，部分有碳化脫落的情況出現(xiàn)。

3)棧橋支座處和牛腿連接處，碳化現(xiàn)象嚴(yán)重，部分內(nèi)部鋼筋已經(jīng)外露，支座有傾斜的趨勢，受力發(fā)生改變，該處應(yīng)盡快加固，否則會發(fā)生整體坍塌的危險。

4)上弦桿處于基本狀態(tài)良好，保存較為完整，但是下弦桿由于直接受到水等介質(zhì)，存在嚴(yán)重被腐蝕的情況，部分片狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)剝落。

5)棧橋跨中部位的豎向腹桿與斜腹桿的節(jié)點板處，防銹漆已經(jīng)完全脫落，有些較嚴(yán)重的節(jié)點通過實際觀察，認(rèn)為該節(jié)點處已經(jīng)喪失其承載的功能。

6)鋼筋混凝土支架同樣受到了嚴(yán)重的腐蝕，碳化現(xiàn)象嚴(yán)重，內(nèi)部鋼筋外露，加快了鋼筋的銹蝕，急需進行加固處理。

3 加固方案分析與驗證

3.1 加固方案

加固主要是針對兩方面：一方面是鋼材的加固；一方面是混凝土的加固。

鋼材的加固主要是采用改變計算圖形，減輕荷載、加大原構(gòu)件截面、增加構(gòu)件以及增加支撐或加勁肋、加強連接，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用不同的加固方法，選用的原則是不改變生產(chǎn)工藝，盡可能減少對原結(jié)構(gòu)的損傷。

混凝土加固方案主要是兩種直接加固和間接加固，主要是通過腐蝕的實際情況和加固后的使用要求進行確定。

3.2 該工程加固方案

該工程的加固采用綜合加固法進行加固，鋼桁架的加固通過改變結(jié)構(gòu)計算圖形和增加桿件的方法進行加固，混凝土主要是增大截面法對其進行加固，具體加固方案如下：

1)該工程的下弦結(jié)構(gòu)、斜腹桿和豎向腹桿是銹蝕最嚴(yán)重的部位，此類部位通過采用新的鋼桁架結(jié)構(gòu)進行加固，新下弦結(jié)構(gòu)采用HW300×300×10×15型鋼，并通過焊接工藝將新下弦構(gòu)件與樓面主梁底部進行加固處理。

2)斜腹桿保留上半部分，從中間截斷，將新增的腹桿通過節(jié)點板進行新舊連接，同時增加腹桿的數(shù)量。

3)支撐下弦桿的水平支撐進行重新固定，將舊的完全替換，重新增加樓面水平支撐結(jié)構(gòu)。

4)在原有牛腿部位設(shè)置新的牛腿，同時增設(shè)支點，加固牛腿。

5)對于混凝土剝落露出鋼筋的部位進行加固，采用增大截面法。

4 有限元分析

使用SAP2000對該結(jié)構(gòu)進行分析，將桁架的上下弦桿和兩段的門鋼結(jié)構(gòu)定義為梁結(jié)構(gòu)單元，其他為桿單元，支座為一端鉸接一端滑動，具體三維模型如圖1所示。

具體荷載設(shè)計見表1。

表1 模型荷載設(shè)計

每根桿件的內(nèi)力均按照最不利荷載組合中最大值作為構(gòu)件內(nèi)力校核和加固設(shè)計的依據(jù)。根據(jù)有限元軟件中得出應(yīng)力值的數(shù)據(jù)如表2所示。

通過分析計算得出，上弦桿的受力為受壓，下弦桿桿受力為受拉，由于采用的是Q235鋼，由結(jié)果可以得知，弦桿的最大受力為143.93 MPa，遠低于Q235鋼材的屈服強度，迎風(fēng)面豎向腹桿的應(yīng)力值最大為193.12 MPa，同樣低于Q235鋼材的屈服強度，上下弦水平支撐的最大應(yīng)力為122.72 MPa，同樣滿足受力要求。

混凝土加固采用增大截面法，新增截面需要現(xiàn)澆澆筑成型，為保持原混凝土表面和新混凝土表面的完整性，應(yīng)打毛原混凝土，然后新舊混凝土之間涂刷結(jié)構(gòu)界面膠，新增混凝土最小厚度為60 mm，使用熱軋鋼筋，鋼筋和箍筋的直徑應(yīng)該滿足受力要求，其大小為受力鋼筋的直徑不得小于14 mm，箍筋直徑不小于8 mm，通過以下公式進行計算受力是否滿足要求：

其中，N為構(gòu)件加固后的軸向壓力設(shè)計值，kN；φ為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)；fc0為舊混凝土的軸心抗壓強度設(shè)計值；Ac0為構(gòu)件加固前混凝土的截面面積；fv0′為原縱向鋼筋的抗壓強度設(shè)計值；As0′為原縱向鋼筋的截面面積；αs為新增混凝土和鋼筋強度利用程度的降低系數(shù)，取值為0.8；fc為新混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；Ac為加固后新增部分混凝土的截面面積；fv′為新增縱向鋼筋的抗壓強度設(shè)計值；As′為新增縱向受壓鋼筋的截面面積。

通過受壓構(gòu)件正截面加固計算，柱高17.85 m，截面面積由1 200 mm×500 mm更改為1 400 mm×700 mm,加上有限元軟件的理論分析結(jié)果計算出最大受力為521 kN，遠低于通過理論計算得出的可承受荷載受力739 kN，計算結(jié)果表明鋼筋與混凝土之間的加固設(shè)計符合規(guī)范要求。

表2 軟件模擬數(shù)值

5 結(jié)論

對于某煤礦輸煤棧橋的加固方案，鋼材選用改變結(jié)構(gòu)計算圖形和增加桿件的方法，混凝土采用增大截面法可以滿足結(jié)構(gòu)加固的要求，通過有限元軟件的計算，同樣符合規(guī)定，說明該加固方案合理可行。