網(wǎng)架開(kāi)洞增設(shè)支撐改造加固設(shè)計(jì)典型案例分析

劉良斌

(太原正越工程設(shè)計(jì)有限公司,山西 太原 030021)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)保的要求,煤棚大部分采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式,形成大跨度、大空間以利于生產(chǎn)使用。但隨著生產(chǎn)工藝更新,生產(chǎn)能力擴(kuò)大,常常需要在現(xiàn)有煤棚網(wǎng)架上重新開(kāi)洞,增加旁路。受網(wǎng)架受力特性影響,如何在滿足結(jié)構(gòu)安全的條件下,對(duì)既有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造[1-4],達(dá)到滿足工藝所需之重點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,通過(guò)計(jì)算分析和工程實(shí)施,總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn),以供參考。

1 工程概況

某選煤廠既有煤棚為正方四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu),平面軸線尺寸46.0 m×107 m,厚度2.65 m,節(jié)點(diǎn)形式為螺栓球節(jié)點(diǎn),周邊多點(diǎn)支承,下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土獨(dú)立柱。既有網(wǎng)架平面圖如圖1所示。

抗震設(shè)防烈度為7度,基本地震加速度為0.15g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場(chǎng)地類別為Ⅱ類。上弦恒載標(biāo)準(zhǔn)值0.3 kN/m2,活載標(biāo)準(zhǔn)值0.5 kN/m2,下弦恒載標(biāo)準(zhǔn)值0.1 kN/m2,基本風(fēng)壓0.5 kN/m2,基本雪壓0.3 kN/m2。桿件、套筒、錐頭、封板材質(zhì)為Q235B;螺栓球?yàn)?5號(hào)鋼;高強(qiáng)度螺栓為20MnTiB。

根據(jù)工藝布置,新建帶式輸送機(jī)棧橋斜向穿過(guò)現(xiàn)有煤棚網(wǎng)架,新建棧橋與網(wǎng)架平面、剖面圖相對(duì)關(guān)系如圖2,圖3所示。

2 工程方案選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,本工程可以采取以下三種方案:

方案一:全部拆除原有網(wǎng)架,重新設(shè)計(jì)一個(gè)新網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。此方案優(yōu)點(diǎn)是舊網(wǎng)架拆除可以減少不少安全性隱患,棧橋支架及桁架結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)單,周期大大縮短;缺點(diǎn)是拆除后的舊網(wǎng)架桿件和球體無(wú)法得到利用,造成很大浪費(fèi)。

方案二:利用現(xiàn)有網(wǎng)架,直接開(kāi)洞,通過(guò)計(jì)算對(duì)網(wǎng)架桿件進(jìn)行加固或更換。通過(guò)對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型還原[5-6],對(duì)桿件、螺栓球進(jìn)行計(jì)算后,發(fā)現(xiàn)開(kāi)洞周圍大量桿件、螺栓球及網(wǎng)架撓度均不能滿足規(guī)范要求,有部分桿件應(yīng)力比甚至達(dá)到了承載力的數(shù)倍之多。通過(guò)單純桿件加固遠(yuǎn)不能滿足安全要求,故而此方案不采用。

方案三:由圖3可知,網(wǎng)架與棧橋中鋼支架1、鋼支架2相碰。支架1與網(wǎng)架大面積相碰,此處洞口開(kāi)洞面積會(huì)很大;支架2只有鋼柱同網(wǎng)架相碰,局部開(kāi)洞即可。網(wǎng)架長(zhǎng)106 m,寬46 m。長(zhǎng)與寬之比約為2.25,傳力體系主要沿短邊,網(wǎng)架寬度方向傳力。從圖2可看出,網(wǎng)架開(kāi)洞位置橫向在6軸—9軸之間,縱向在G軸—H軸之間,洞口位于網(wǎng)架跨中,為網(wǎng)架主要受力部位,對(duì)網(wǎng)架非常不利。開(kāi)洞后網(wǎng)架洞口周圍桿件被打斷,桿件發(fā)生應(yīng)力重分布,原先單向傳力桿件無(wú)法再傳遞內(nèi)力,必然需要周圍桿件承擔(dān)一部分內(nèi)力。而原周圍縱向構(gòu)造桿件為φ89 mm×4.0 mm,與主方向受力桿件φ159 mm×10 mm相差很大。此時(shí)若在洞口周圍利用棧橋支架設(shè)置支座,相當(dāng)于在網(wǎng)架跨中設(shè)置了支撐,既減小了網(wǎng)架跨度,又避免洞口處應(yīng)力集中,同時(shí)還可以很大程度地減小加固桿件的數(shù)量。此種利用既有網(wǎng)架和新建棧橋鋼支架同時(shí)進(jìn)行支撐,對(duì)不滿足的網(wǎng)架桿件、球體再進(jìn)行加固的處理方法較為合理。

通過(guò)方案比選,征求業(yè)主意見(jiàn),最終確定采用方案三對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行改造加固。

3 計(jì)算分析

對(duì)方案3采用浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件MST2020進(jìn)行計(jì)算,同濟(jì)大學(xué)空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件3D3S 2020進(jìn)行復(fù)核。本工程屬于既有網(wǎng)架結(jié)構(gòu),對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行加固時(shí),荷載與材料強(qiáng)度均應(yīng)采用原有圖紙和原有規(guī)范進(jìn)行取值[7-8]。

由于鋼支架2只有鋼柱同網(wǎng)架相碰,只需局部開(kāi)洞,開(kāi)洞面積較小。通過(guò)計(jì)算,對(duì)原有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)并無(wú)影響,此處不再多做分析。主要針對(duì)支架1處網(wǎng)架大面積開(kāi)洞進(jìn)行計(jì)算分析,主要分三步進(jìn)行計(jì)算:

第一步,網(wǎng)架開(kāi)洞,增加支座條件,還原既有網(wǎng)架模型,進(jìn)行整體分析,從而判斷出哪些桿件、螺栓球不能滿足要求。

通過(guò)計(jì)算,得出上弦、下弦及腹桿桿件、球體模型圖,如圖4—圖6所示,圖紙中僅羅列出不滿足的桿件和螺栓球。1)圖4上弦模型中,超應(yīng)力比桿件共18根,螺栓球共14個(gè)。桿件分布比較散亂,無(wú)規(guī)律可循;球體比較規(guī)律,全部集中在洞口附近。2)圖5下弦模型中,超應(yīng)力比桿件共18根,螺栓球共15個(gè)。桿件、球體分布均比較規(guī)律,幾乎全部集中在洞口附近。3)圖6腹桿模型中,超應(yīng)力比桿件共計(jì)35根,分布也比較規(guī)律,幾乎全部集中在洞口附近。

從計(jì)算結(jié)果可看出,不滿足的桿件及球體大都出現(xiàn)在洞口的四周,網(wǎng)架跨中,受力最大處,與之前分析的大致相同。

第二步,在第一步模型基礎(chǔ)上,鎖定沒(méi)問(wèn)題的桿件、球體。對(duì)不滿足的桿件、球體進(jìn)行滿應(yīng)力計(jì)算,程序通過(guò)截面自動(dòng)調(diào)整,重新生成滿足要求的桿件、球體截面。對(duì)兩次計(jì)算截面進(jìn)行比較,判斷出哪些截面進(jìn)行加固、哪些截面進(jìn)行更換。

第三步,對(duì)不滿足的桿件、螺栓、螺栓球進(jìn)行加固和替換。

1)螺栓球更換:桿件截面變大,原螺栓球截面太小,造成桿件之前相互碰撞不能滿足要求,處理方法為把螺栓球更換為焊接球。本次工程加固更換螺栓球?yàn)楹附忧蚬?9個(gè)。

2)螺栓更換:主要針對(duì)受壓桿件的螺栓。原受壓桿件采用的螺栓為構(gòu)造螺栓,并不受力。現(xiàn)受壓桿件轉(zhuǎn)換為受拉桿件,螺栓受到拉力,承載力不滿足要求,進(jìn)行更換。本次工程更換的螺栓數(shù)量為42根。

3)桿件加固:采用增加截面法,對(duì)桿件外側(cè)焊接對(duì)扣角鋼,與加固桿件相連的球體外側(cè)焊接環(huán)形板,如圖7所示。本工程加固桿件51根,更換桿件20根。

通過(guò)上述計(jì)算分析,加固處理后的網(wǎng)架桿件最大應(yīng)力比為0.853,最大豎向位移為100 mm,網(wǎng)架跨度的1/460,可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 網(wǎng)架加固施工

網(wǎng)架加固施工分為三個(gè)階段進(jìn)行:

1)第一階段。a.施工前,對(duì)網(wǎng)架設(shè)置8個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn),主要測(cè)量Z向變形位移。觀測(cè)點(diǎn)貫穿網(wǎng)架整個(gè)施工過(guò)程,需有專人記錄,若記錄過(guò)程中發(fā)現(xiàn)變形過(guò)大,應(yīng)立即停止施工,以確保施工時(shí)人員安全。b.拆除圖8中的洞-1、洞-2開(kāi)洞部分,同時(shí)進(jìn)行棧橋鋼支架2的施工。由于此兩處洞口較小,拆除時(shí)只需要觀測(cè)之前設(shè)置好的8處位移觀測(cè)點(diǎn),是否有明顯變化即可。

2)第二階段。a.待棧橋鋼支架2施工完成,將第一階段(洞-1、洞-2)原先拆除桿件恢復(fù)原狀后,才可以進(jìn)行第二階段施工。b.第二階段拆除圖9中的洞-3開(kāi)洞部分。此處洞口較大,拆除時(shí)洞口四周桿件需采用臨時(shí)措施進(jìn)行拉接或支撐處理。通過(guò)計(jì)算,在網(wǎng)架上弦設(shè)定7個(gè)吊點(diǎn),每點(diǎn)設(shè)向上拉力約30 kN,用于平衡網(wǎng)架向下的變形位移。施工時(shí),需根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)的位移變化,對(duì)拉力值及時(shí)做出調(diào)整,使拉力能抵消網(wǎng)架向下的變形位移,待棧橋穿越網(wǎng)架部分施工完成后,再進(jìn)行下一階段的施工。

3)第三階段。利用鋼支架1作為爬桿與洞口周圍桿球拉結(jié)。施工時(shí),盡量使洞口周圍原先下?lián)衔灰苹謴?fù)到鋼支架1支座高度附近。此時(shí)對(duì)洞-3周圍不滿足設(shè)計(jì)要求的桿件和螺栓球進(jìn)行更換,進(jìn)而利用從棧橋鋼支架1伸出的牛腿作為網(wǎng)架洞-3處支座,以滿足網(wǎng)架受力要求。共計(jì)增加3個(gè)支座,如圖10所示。

5 具體措施和方法

1)桿件基層處理:采用電動(dòng)鋼絲刷將桿件上原有油漆層和防火涂料清理掉,直至露出金屬光澤為止。

2)桿件截面加固:先將角鋼用電焊固定在需要加固的桿件上。固定角鋼時(shí),接觸面必須壓緊,角鋼對(duì)稱布置,焊縫采用間隔焊,焊縫高4 mm,每段長(zhǎng)100 mm,間隔300 mm,成對(duì)焊縫平行施焊。加大焊縫厚度時(shí),從原焊縫受力較小的部位開(kāi)始施焊,每次熔數(shù)的焊縫厚度不大于2 mm。

3)網(wǎng)架位移測(cè)量:施工時(shí)在網(wǎng)架下面設(shè)置幾個(gè)測(cè)量參考點(diǎn),參考點(diǎn)位置要求視野開(kāi)闊、網(wǎng)點(diǎn)穩(wěn)定、上下通行方便。控制點(diǎn)應(yīng)建造觀測(cè)墩,同時(shí)要考慮到長(zhǎng)期保護(hù)、便于觀測(cè)和施工作業(yè),防止人為破壞與松動(dòng)。

在測(cè)量點(diǎn)搭設(shè)一臺(tái)全站儀,每安裝完一個(gè)工作環(huán)節(jié)應(yīng)及時(shí)測(cè)量其標(biāo)高和精度,同時(shí)與設(shè)計(jì)標(biāo)高對(duì)比,確保網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)下?lián)衔灰瓶刂圃谠试S范圍內(nèi)。

6 結(jié)語(yǔ)

本次網(wǎng)架開(kāi)洞增設(shè)支撐改造加固工程,通過(guò)分析該結(jié)構(gòu)的計(jì)算過(guò)程、施工方法和措施,得出了以下經(jīng)驗(yàn):

1)網(wǎng)架受力體系為平板結(jié)構(gòu),如若開(kāi)洞,宜盡量避開(kāi)跨中。因?yàn)榭缰惺芰ψ畲?通過(guò)計(jì)算,也驗(yàn)證了這一點(diǎn),大多數(shù)超應(yīng)力桿件、球體均出現(xiàn)在洞口四周。該工程由于工藝原因,無(wú)法避開(kāi)。造成最終加固桿件、球體工程量均比較偏大。

2)需要新增加支座時(shí),若原網(wǎng)架為螺栓球,建議支座處替換為焊接球。因?yàn)楹附忧蚩梢栽诔叵峦ё?jié)點(diǎn)板焊接,且質(zhì)量容易保證,而螺栓球需要在高溫下同節(jié)點(diǎn)板焊接才能保證質(zhì)量可靠。

3)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)位移變形較敏感,尤其是大面積開(kāi)洞工程。加固改造過(guò)程中位移必須由專人觀測(cè),且從始至終,中間不能間斷。

4)在方案確定上應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的可操作性,建立的計(jì)算模型和荷載條件必須能準(zhǔn)確地反映使用情況。比如本工程為既有結(jié)構(gòu),加固時(shí)的荷載取值需要同原圖紙一致。