網架輸料棧橋結構加固設計

Da CRUZ Nick Harel Olohounloniaye, 黃 亮

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

1 工程概況

目前，網架結構技術得到了廣泛的應用。 網架結構具有重量輕，剛度大，抗震性能好的特點，使其在體育館、加油站、展覽館、機場等大型建筑物的建設中占有很大的比例。 由于網架結構常采用較為理想的優化設計理論，在實際使用條件變動或受到偶然荷載的作用時，常常導致網架結構出現部分受壓桿件屈曲，甚至導致承載能力不足而發生坍塌。但在結構個別或部分構件喪失承載能力、變形過大的情況下，對結構進行加固處理，仍然可以取得較好的經濟效益[1]。

本工程為水泥廠物料運輸路徑中60 m長的網架棧橋結構，結構上部為拱架結構，下部為網架結構，如圖1所示。原結構設計為綜合利用上部拱架的結構剛度，使上部拱架和下部網架協同受力并作為整體進行聯算。但在實際施工中，上下結構之間采用了較弱的單螺栓鉸接連接，如圖2所示。同時，施工過程中忽略了施工階段的狀態變化與實際的時變累計變形，如圖3所示。完工后，結構上下部分的初始工作狀態并不同步，因此，原結構設計高估了拱架的結構剛度貢獻。加上結構設計時，缺乏對物料輸送過程動力作用的科學評價，導致結構實際使用時同時出現撓度變形過大、振感明顯兩個問題，直接影響了結構的正常使用；經驗算分析，甚至可能影響結構的安全性。未解決這一問題，文中將采用三種加固方法對結構加固，并分析比較得出最終的采用方案。

圖1 結構示意

圖2 上下部結構單螺栓鉸接示意

(a)網架拼裝

(b)網架起吊安裝

(c)在網架上進行拱架安裝圖3 結構施工中的撓度變形累積

2 網架加固方案

網架結構加固的方法有很多，目前較常用的加固方法有：改變網架支承、替換局部構件、增加構件、增加壓桿附加支撐、球節點外側加焊加勁肋、引入體外預應力等。這些方法在工程當中都得到多次具體的應用，具有較好的應用效果。

通過對現場調查分析調研，發現該工程的網架結構存在的主要缺陷是：實際剛度與結構計算剛度之間的不一致導致實際結構的變形過大。

綜合考慮施工場地、構件損傷情況、經濟安全性等方面，本工程擬通過以下方法對結構進行加固：(1)改變網架支承：為增加結構整體的剛度，對上部拱架與下部網架之間的連接進行加固，改為剛性連接，如圖4(a)所示；(2)增加構件：由于下部網架是結構的主承載結構，且網架周圍施工難度大，因此不宜對下部網架進行焊接作業，而上部拱架由于施工便利，可通過增加上部拱架的斜支撐來加強結構剛度，如圖4(b)所示；(3)引入體外預應力：預應力加固法能夠有效增加結構剛度，改善了原結構的變形能力；通過對原結構施加預應力，可以直接調節原結構主要構件內里峰值，改善原結構的受力性能；同時，該法布置靈活，適應性強；施工簡單快捷[2]，如圖4(c)所示。

(a)改變支承

(b)增加支撐

(c)引入預應力圖4 加固方案

3 加固方案計算

為評價加固效果，計算實際結構模型(獨立承載模型)和三種加固方案。結構計算使用有限元分析程序MIDAS/GEN V835進行計算。

3.1 計算機模型和材料

根據所提出的加固方案，建立實際結構模型(網架結構單獨承載與實際情況接近)和三種加固方案的計算模型。

模型1：原結構模型(網架結構單獨承載)進行受力分析。計算模型如圖5所示。

模型2：對上部拱架與下部網架之間的連接進行加固處理后的整體承載模型進行受力分析。計算模型如圖6所示。

模型3：在整體承載模型的基礎上，對采用上部拱架添加斜撐加固后的模型進行受力分析。計算模型如圖7所示。

模型4：在整體承載模型的基礎上，對采用添加預應力索及拉桿對網架進行加固后的模型進行受力分析。計算模型如圖8所示。

圖5 模型1-實際結構模型

圖6 模型2-整體受力模型

圖7 模型3-斜支撐加固模型

圖8 模型4-預應力錨索加固模型

結構構件主要為Q235和Q345鋼。材料性能以GB/T700 碳素結構鋼標準為基礎。

3.2 荷 載

計算中僅考慮了恒載及活載，不考慮風荷載、溫度作用及地震作用等。

3.2.1 恒載

結構自重由程序自動計算，乘以1.1的放大系數來考慮螺栓球等的影響。傳輸帶自重包括皮帶自重、輸送機托輥架自重、電纜盤自重等，根據提供數據為340 kg/m，傳送帶自重考慮其實際受力情況，采用集中力以及梁單元荷載兩種方式進行添加。

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在獨立承載承載模型中，拱架自重以集中力方式施加在模型上弦節點。

3.2.2 活載

根據甲方提供資料，活荷載值見表1。

表1 活荷載值 kg·m-1

將活荷載采用集中力的方式添加到模型上弦節點。

在模型4中預應力索添加30 t的初始預應力。

3.3 邊界設置

在模型計算中有支座約束(網架支座、鋼絲繩支座)、剛性連桿、釋放梁端約束幾種邊界條件存在。

(1)支座約束。在結構兩端的節點三個方向x、y和z施加平移約束。對鋼絲繩兩端共4個節點施加x、y、z三個方向的平動約束。

(2)剛性連桿。上部拱架結構與下部網架之間的連接采用剛性連桿。

(3)釋放梁端約束。對上部拱架結構中的槽鋼與H型鋼之間的連接以及縱向系桿與弧形管之間的連接采用鉸接形式。

4 計算結果分析

計算模型1～4，并收集關鍵數據并匯總如下表2所示。

為方便觀察加固方案的實際效果，根據表格數據，對結構應力、撓度、最大應力比以及最大應力比超限根數等數據進行整理，得到最大拉壓應力曲線(圖9)、撓度值曲線(圖10)、超限構件數量曲線(圖11)以及最大應力比數值曲線(圖12)。

表2 計算結果對比

注：ρmax為截面所在桿的最大應力比。

圖9 最大拉力和壓力曲線變化

圖10 撓度變化

圖11 超限構件數量曲線

圖12 最大應力比曲線

從加固方案計算結果以及圖9～圖12可以看出：

(1)與原結構相比，在整體模型(模型2)的基礎上加斜支撐，結構的撓度降低了約10 %，但與此同時，最大應力比和結構的應力比超過極限明顯不改變。

(2)與原結構(模型1)相比，斜支撐加固模型(模型3)的剛度增加。撓度從132 mm減少到124 mm; 除了1#截面相關桿件的最大應力比由1.9降低1.1，降低幅度42 %，其余截面相關桿件的最大應力比幾乎沒有變化，結構應力超限嚴重的現狀仍然存在，加固效果不甚明顯，且此種加固方式現場焊接量大，施工較為困難。

(3)與原結構(模型1)相比，預應力錨索拉桿加固模型(模型4)的剛度顯著增加。在恒載與活載的作用下結構撓度由132 mm減小到101 mm，下降幅度達到25 %，下降明顯；桿件應力比及超限桿件數量均顯著減小，其中，原結構超限截面中的1#截面相關桿件最大應力比由1.9減小到0.9，下降幅度為53 %；2#截面相關桿件最大應力比由1.6減小到1.3，下降幅度為19 %；3#截面相關桿件最大應力比由1.7減小到1.4，下降幅度為18 %；4#截面相關桿件最大應力比由1.7減小到0.9，下降幅度為47 %。原結構未超限的5#～8#截面的最大應力比也有降低。超限桿件數量由32根減少到10根，加固效果十分明顯。

綜上所述，預應力加固方法對本項目網架棧橋的加固具有較好的效果。

5 結論

通過對3種加固方案的計算分析可以發現，預應力加固方法較其它兩種方法具有更好的加固效果。此法不僅能改善當前結構剛度較小的實際情況，對于撓度的控制也有明顯貢獻。同時，此方法現場焊接作業少，施工難度大大降低，且對當前結構的負面影響小。若通過與套管加固法等加強桿件的方法聯用，將會取得更好的加固方法。因此是本項目首選的加固方法，也是類似項目的首選方法。