輸煤棧橋加固方案分析

程 志 鵬

(太原正越工程設計有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

輸煤棧橋是一種特殊的工業建筑，主要應用于煤礦運輸、電力生產等筒倉結構和廠房之間的連接，對于生產環節無可替代，20世紀70年代的高速發展，全國各地洗煤廠紛紛建立，同時建設了一批輸煤棧橋，大部分結構形式采用的是角鋼桁架，這種結構擁有施工方便、受力性能優良以及可重復利用性能好和可隨時拆除等優點，從而被廣泛應用于輸煤棧橋結構設計中。

輸煤棧橋在建設過程中，使用較多的為外圍護的鋼桁架架構，但是礦區的生產工藝和材料本身的特性，再加上降水作用，會對鋼結構產生較大的影響，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，而不關心設備的問題導致這種不安全隱患產生擴大化的趨勢，加快結構的消損。因此有必要對于這類建筑結構進行加固，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，連續皮帶傳送90 m，15°的傾角，支承結構采用鋼筋混凝土柱。棧橋采用鋼桁架結構，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構，走廊墻體內側采用的是鋼筋混凝土槽型掛板，外側采用彩鋼板，樓面板和屋面頂板內層鋪設的是鋼筋混凝土預制槽形板。該結構投入運行使用年限約為35年，礦區環境氣候惡劣，長期處于被腐蝕的環境中，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重，部分通過視覺觀察已經完全脫落，部分處于懸掛狀態，隨時有掉落的可能出現，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制板，該預制板目前狀態良好，沒有任何明顯的安全隱患，但是下部位長期在空氣中，腐蝕情況較為嚴重，部分有碳化脫落的情況出現。

3)棧橋支座處和牛腿連接處，碳化現象嚴重，部分內部鋼筋已經外露，支座有傾斜的趨勢，受力發生改變，該處應盡快加固，否則會發生整體坍塌的危險。

4)上弦桿處于基本狀態良好，保存較為完整，但是下弦桿由于直接受到水等介質，存在嚴重被腐蝕的情況，部分片狀結構已經剝落。

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

6)鋼筋混凝土支架同樣受到了嚴重的腐蝕，碳化現象嚴重，內部鋼筋外露，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、加大原構件截面、增加構件以及增加支撐或加勁肋、加強連接，根據現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工藝，盡可能減少對原結構的損傷。

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構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)該工程的下弦結構、斜腹桿和豎向腹桿是銹蝕最嚴重的部位，此類部位通過采用新的鋼桁架結構進行加固，新下弦結構采用HW300×300×10×15型鋼，并通過焊接工藝將新下弦構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點板進行新舊連接，同時增加腹桿的數量。

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構。

4)在原有牛腿部位設置新的牛腿，同時增設支點，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對該結構進行分析，將桁架的上下弦桿和兩段的門鋼結構定義為梁結構單元，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。

具體荷載設計見表1。

表1 模型荷載設計

每根桿件的內力均按照最不利荷載組合中最大值作為構件內力校核和加固設計的依據。根據有限元軟件中得出應力值的數據如表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，迎風面豎向腹桿的應力值最大為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，應打毛原混凝土，然后新舊混凝土之間涂刷結構界面膠，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為構件加固后的軸向壓力設計值，kN；φ為結構的穩定系數；fc0為舊混凝土的軸心抗壓強度設計值；Ac0為構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，取值為0.8；fc為新混凝土軸心抗壓強度設計值；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計值；As′為新增縱向受壓鋼筋的截面面積。

通過受壓構件正截面加固計算，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，計算結果表明鋼筋與混凝土之間的加固設計符合規范要求。

表2 軟件模擬數值

5 結論

對于某煤礦輸煤棧橋的加固方案，鋼材選用改變結構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構加固的要求，通過有限元軟件的計算，同樣符合規定，說明該加固方案合理可行。