某洗煤廠棧橋支架加固對策研究

趙維英 吳劍平

(1.山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021;2.天地金草田(北京)科技有限公司，北京 100013)

1 工程概況

山西天地王坡煤業有限公司選煤廠705膠帶輸送機通廊支架建于2004年，為五層框架結構，支架高27.3 m，其中框架柱為變截面柱，一層柱截面為1 200 mm×1 200 mm，二、三、四、五層柱截面為600 mm×600 mm;一層框架梁截面為400 mm×1 000 mm，其余各層均為300 mm×750 mm。使用過程中，由于煤泥堆積過高，且冬季煤泥結冰凍脹，導致二層以上4根框架柱全部產生傾斜，二、三層梁端部混凝土脫落，鋼筋變形失效，其中二、三層框架梁產生較大的水平方向彎曲變形，見圖1。

圖1 支架破壞圖

2 破壞機理分析

從現場破壞情況看，支架柱在二層以上傾斜程度較為明顯，而支架梁的變形主要表現為水平方向的彎曲變形。結合煤泥堆積及凍脹的實際情況分析:

1)柱傾斜破壞機理。

煤泥堆積對柱身產生水平推力作用，同時煤泥在結冰的狀態下對柱身產生水平凍脹力，使框架柱產生較大的彎矩，而框架柱在二層以上截面由1 200 mm×1 200 mm減小為600 mm×600 mm，抵抗水平變形的剛度不足，導致柱產生傾斜;特別是柱變截面處應力產生突變，導致該處節點為弱節點區域，容易使框架柱產生傾斜破壞。

2)梁變形破壞機理。

一方面由于柱的傾斜變形，在梁端產生沿梁縱向的附加水平推力;另一方面，煤泥的大量堆積對梁產生橫向的水平推力，同時煤泥由于凍脹而對梁側面產生水平推力，再加上豎向煤壓及作用于梁底的法向凍脹力，使梁處于三向受力狀態，改變了梁原有的破壞方式，使梁由梁構件的破壞模式轉變為類似于柱構件的壓彎破壞模式，導致梁產生“失穩”破壞。

3 加固方案

3.1 加固原則

針對結構構件破壞情況，采用中國建筑科學研究院的PKPM軟件進行承載力復核驗算，采用支架的初始狀態進行建模。驗算所采用的參數分別為:

1)混凝土強度為C30。

2)抗震設防烈度6度，基本地震加速度為0.05g，基本風壓0.5 kN/m2。

3)支架支座反力恒載170 kN、活載150 kN以及一、二層梁上煤壓140 kN/m、三、四層梁上煤壓95 kN/m，同時需考慮皮帶運行對支架頂端產生的水平拉力225 kN。

復核驗算結果表明:在初始狀態下，結構基本能滿足規范及設計使用要求。該結果說明在皮帶運行以及煤泥堆積的情況下，支架結構能滿足使用要求而不至于出現破壞，而導致該支架破壞的主要原因則為附加的凍脹效應。

因此在設計加固方案時，主要應遵循以下幾方面的原則:

1)對于已經損壞的構件，特別是損壞的框架梁，需重新修復;

2)盡量提高原框架梁柱抵抗煤泥凍脹的作用，即主要提高構件抵抗水平凍脹力的作用;

3)由于柱產生的傾斜不能恢復，為了支架后續能正常使用，必須控制其水平方向繼續產生過大的位移。

3.2 梁加固

1)五層支架沒有受到煤泥堆積所產生的影響，該層框架梁沒有產生過大的變形及外觀損傷，因此對該層所有主次梁進行粘貼碳纖維布加固，碳纖維布規格為300 g/m2，梁底粘貼兩層與梁等寬碳纖維布，梁側粘貼兩層寬200 mm@200 mm的碳布U型箍，以提高梁抗拉及抗剪承載力，見圖2。

圖2 粘碳加固梁

2)對四層處所有框架梁及二、三層處未明顯損傷及變形的梁進行外包鋼加固，梁身四轉角處采用L100×14 mm角鋼加固，并以5 mm厚扁鋼作為綴板，待鋼材焊接完成后，二次灌注灌鋼膠，同時提高梁抵抗水平及豎向變形的剛度，見圖3。

3)拆除二、三層處嚴重損壞的梁并保留原鋼筋，然后采用高強灌漿料重新配筋澆筑。該方案重點是增加梁腰筋面積，將原3排φ12腰筋變為4排φ18腰筋，并將重新澆筑的梁截面由原300 mm×750 mm增加為400 mm×900 mm，既提高梁抵抗水平變形的剛度，同時又提高梁受煤壓時的抗拉及抗剪承載力，如圖4所示。

圖3 外包鋼加固梁

圖4 新做框架梁

3.3 柱加固

1)為了控制柱繼續產生過大的水平位移，對二層及以上框架柱采用全包鋼加固。包鋼法可以提高柱的剛度，抑制柱的水平位移，同時包鋼加固后使柱具有良好的延性和耗能性能［1］，再者由于新增鋼板箍的橫向約束作用，使混凝土柱處于良好的三向受力狀態，因此能大幅提高柱的承載力，而且柱的截面面積和重量增加很少，對基礎的影響不大。

選用的鋼板厚度為16 mm，鋼材與鋼材之間采用坡口焊，鋼板與混凝土表面采用M12化學錨栓固定，再采用灌鋼膠二次灌注，使鋼板與混凝土形成整體構件，共同受力、變形，利用鋼板強度與剛度彌補混凝土強度與剛度的不足，見圖5。

同時對梁柱節點區進行了加強處理，在變截面處加設加勁板，以大幅提高二層以及以上框架柱的抗壓強度及抵抗水平變形的剛度。

2)一層框架柱截面較大，能有效抵抗冬季煤泥產生的凍脹推力，但由于該區域為煤泥的存放點，且一般情況下煤泥在該區域堆積的時間較長，因此受到煤泥中有害物質腐蝕的概率較大，容易引起柱表面混凝土的腐蝕及鋼筋的銹蝕。針對混凝土易腐蝕的特點，采用粘貼碳纖維布加固。碳纖維布具有很強的抗腐蝕性，并且具有10倍于鋼筋的抗拉強度，選用的碳纖維布規格為200 g/m2，柱四周滿粘2層碳布環形箍，一方面提高一層框架柱的延性及抗剪承載力，另一方面能有效阻隔煤泥中有害物質對柱混凝土的侵蝕，見圖6。

圖5 全包鋼加固柱

圖6 粘碳加固柱

4 結語

加固方案中修復了損壞的結構構件，提高了框架結構抵抗煤泥凍脹作用的能力，并且能在自重增加很小的情況下有效地控制結構水平方向的位移。

王坡煤礦采用上述修復加固方案對支架進行加固，滿足了支架的受力和變形要求，使得支架結構受力得到較為明顯的改善，現在已進入穩定狀態并且投入使用，保證了煤炭裝載與運輸作業的安全。

［1］盧亦焱，陳少雄，趙國藩.外包鋼與碳纖維布復核加固鋼筋混凝土柱抗震性能研究［J］.土木工程學報，2005，38(8):10-17.

［2］陳樹銘，楊素春.季節性凍土影響下土釘墻支護體系作用機理探討［J］.建筑施工，2001，23(6):440-442.

［3］杜兆成，孫瑛琳，蔣大恩.季節性凍土區路基土的凍脹特性分析［J］.長春工程學院學報，2006，7(2):17-20.

［4］徐福泉.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁靜載性能研究［D］.北京:中國建筑科學研究院，2001.

［5］GB 50367-2006，混凝土結構加固設計規范［S］.

［6］崔政文.洗煤廠技改項目主廠房加固施工技術［J］.西北煤炭，2007，5(4):24-26.