皮帶機繞度超限鋼桁架加固研究與實例

陶 平 易 煜

（中國港灣工程有限責任公司，北京 100027）

1 概況和現狀分析

摩洛哥萊斯菲爾港熱電廠中的C’2皮帶機棧橋在2013年年底安裝完成并投產運營，此皮帶機帶寬1400mm，帶速4m/s，設計額定輸送量為2400T/H。安裝時候測量P’20～P’21的34m跨路段鋼桁架最大繞度值為40mm，運行一年后，其最大繞度值達到了135mm，已嚴重超出設計規范要求。該鋼桁架高度為1.6m，寬度2m，結構如圖1所示。

2 結構檢查和分析

第一，對該桁架結構整體形變進行觀察和測量，上下弦桿和斜撐等桿件均未發現明顯彎曲變形，桁架整體下撓呈圓曲線分布。

第二，對該桁架的基礎承載力，柱腳錨栓和支座現狀進行檢查，未發現基礎有沉降，柱腳錨栓，鉸支座均無異樣，并對基礎沉載進行重新驗算，滿足設計要求。

第三，對該桁架上的各節點上的連接焊縫進行檢查，僅發現輕微油漆脫落，焊點完好，焊縫無裂紋。

第四，結構載荷驗算。對載荷和桁架進行重新驗算，通過計算結果和現場的實際情況可以判斷，此桁架的強度和剛度均存在不足，原設計存在重大安全隱患，須立即進行加固處理。結構分析計算時采用美國CsI公司的sAP2000 V15.2.1通用結構分析與設計軟件，適用規范AIsC。計算考慮以下幾方面，一是恒荷載：包括結構自重，桁架托輥、膠帶、防雨罩、管線等；二是活荷載：走道活荷載，物料荷載，積料荷載；三是風載荷和地震作用。

3 加固方案研究

此桁架加固需要解決的關鍵問題是提高桁架的承載能力，使其滿足皮帶機設計恒載荷和活載荷的要求。此皮帶機為電廠從碼頭輸送煤料的主要路線，方案實施時，作業時間不能過久，不能影響電廠運營；同時，桁架上的皮帶機膠帶和各種電纜管線均是易燃物品，焊接存在安全風險，設計方案時需要考慮在內。

關于方案的研究，首先此皮帶機桁架已經運行一年多，皮帶機沿線的電纜和消防管線均已連接完成，無法采用新桁架對原桁架進行替換的方案；其次該段桁架下方為電廠內主要的交通道路，也無法采用在跨中增加立柱而縮短跨距的方式；同時考慮到由于通行道路限高，以及桁架底部有電纜和消防管線，無法采用在桁架底部新增桁架而加大桁架截面積的方式進行加固，經過研究得出，如下三種可實施的方案。

第一，在該桁架內部的各弦桿和桿件上焊接型材，增加受力不足桿件的截面積。但是，針對本工程存在以下問題：一是該桁架跨度較大，且已下撓嚴重超標，不滿足應力要求的桿件較多，且新增部分如何參與結構受力難以解決，也無法保證安裝完成后能有效控制下撓；二是原桿件在承受荷載情況下進行焊接，而受壓桿件在受熱情況下更易失穩，同時焊縫長，焊接工作量巨大，安全風險大；三是全焊接的桁架，節點板無法更換，加固后會存在桿件強、節點弱的問題；四是需要的施工作業時間較長，無法滿足業主不停運的要求。

圖1 鋼桁架結構

第二，在原桁架上部增加一片新桁架，新桁架桿件均采用與原桁架橋同等規格鋼材，桿件分布，間距，長度，寬度均一致，以使新桁架桿件可以和舊桁架對接，如圖2所示，新舊桁架利用節點板焊接連接。

圖2 新舊桁架利用節點板焊接連接

本方案的高空焊接作業相對較小，對原結構損傷少，施工風險??；新舊桁架材料和桿件規律一致，形成一個完整的桁架截面，完全參與原結構受力；新桁架可以在車間進行預制，節省加固作業時間。采用Midas/gen做結構分析，正常使用極限狀態下，各桿件計算均能通過，最大應力比為0.81，方案安全合理，最大撓度37mm，小于規范1/400（85mm）要求。但此設計方案同時也存在以下問題：一是加固實施后，將影響防雨罩上部活動板的拆卸，同時立柱與原檢修門和屋面板干涉，因此，需考慮對該部分檢修門和屋面板進行改造，保證其防水和可拆卸能力；二是加高后的桁架為2.8m，由于皮帶機廊道形成密閉擋風面，其擋風效果和普通的房子類似，加大了風載荷；三是新桁架高1.2m，寬2m，長34m無法進行整體一次吊裝，需車間進行分段加工，然后現場焊接，需要的施工作業時間較長，高空焊接工作量較大。

第三，對以上加固設計進行進一步優化，設計出在原桁架上部增加一個拱形鋼桁架的加固方案，如圖3所示。

圖3 拱形鋼桁架的加固方案

新增拱形鋼桁架采用HEA180為主弦桿,立桿與原桁架橋桿件分布規律一致，使新桁架具有剛度大承載能力強的特點，通過新增的拱形鋼桁架的拉桿與原桁架焊接連接。采用Midas/gen做結構分析，正常使用極限狀態下，最大撓度值為30.03mm＜1/400，桁架桿件最大應力比0.83，上弦桿最大應力比0.83，下弦桿最大應力比0.64，均滿足設計要求。

該方案有以下特點：一是車間整體預制和噴漆，現場整體吊裝，24小時內可以安裝完成，不影響電廠運營；二是不影響防雨罩和檢修門的拆卸更換；三是幾乎無額外增加的風載；四是在原結構上的焊接作業較少，對原結構損傷少，施工風險小；五是新增拱形桁架的支反力通過原桁架頭部傳至立柱和基礎，減少了原桁架的負擔。

4 結語

該皮帶機桁架按此設計方案加固完成卸載后，最大下撓值僅為12mm，其效果優于設計預期。目前，該桁架已運行近2年，狀況良好，無進一步的下撓增加，證明了此加固設計有效，結構安全得到了保障，同時加固工程未影響電廠運營，其間接經濟效益顯著。