粉煤灰環境下某皮帶通廊結構安全性調查研究★

王 瑞

(甘肅省建材科研設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730020)

1 概述

中華人民共和國建國以來，隨著國家四個現代化建設目標的實現，我國國民經濟取得了快速發展，工業在GDP中占的比重越來越大，膠帶機通廊是礦山、煤炭、焦化等企業中常用的一種特種構筑物，其自動化程度越高，冶金、能源、化工等領域內的生產效率越高。我國長沙礦山設計院土建科技術組率先研究了膠帶機通廊的鋼筋混凝土支架的兩種形式[1]，并于1967年開始，先后在國內12個工程設計中進行了實際應用并推廣。

山東大學曹瑋等通過對結構通廊鋼桁架結構的設計研究分析發現對于膠帶機支撐結構，采用鋼桁架通廊是比較合理的，鋼桁架通廊能滿足工藝的要求，受力模型也容易建立，絕大多數構件的主要受力特性均為軸向力[2]。歸衡石通過考慮由于膠帶機運行中提升材料時的運行阻力等造成的縱向拉力和由于地震產生的縱向地震力對膠帶機通廊支架的影響進行了研究[3]。牟洪、賈麗偉通過將土建結構作為設備運行基礎的傳統鋼結構通廊設計理念，以司家營膠帶運輸系統為背景采用復合式鋼結構通廊，實現了節約2/3投資的良好效果[4]。李欣、王燕通過唐山某鋼鐵有限公司120萬t鋼技改工程高爐項目礦石上料系統中膠帶機通廊的結構設計，對鋼結構通廊的受力特點及注意事項進行了研究[5]。張錫兵通過對某礦業公司選礦廠磨礦倉皮帶通廊膠帶機鋼桁架進行檢測鑒定，找出產生隱患的根源，并根據存在的安全隱患提出了加固處理方案并進行處理[6]。周維娟以某工程設計實例為背景，給出了采用空間整體概念進行地震作用下膠帶輸送機通廊支架的計算方法[7]。季海峰以山西省原平市某鋁廠地下皮帶廊為背景，對該皮帶廊結構的檢測鑒定進行了研究[8]，并根據檢測鑒定結果存在的問題提出了相應加固方法。孫健通過將空間管桁架作為架空皮帶的承重體系研究發現：受力合理、經濟安全，并給出合理優化桿件截面設計建議[9]。汪過兵等以祁連山水泥有限公司長期超高溫環境下的某既有超大坡度曹氏膠帶機通廊廊身鋼桁架結構為背景進行靜載試驗研究，通過研究發現該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構的撓度最大試驗值為3.064 mm，理論最大值為3.362 mm。張家康等通過考慮皮帶廊長期處于動力環境下結構持續的疲勞損傷影響，其皮帶通廊廊身結構的加固計算應取1.1的動力系數[10]。謝海艦、呂恒林等以1996年設計的徐州某煤礦地生產系統膠帶機通廊為背景研究了采用增大截面法和用碳纖維加強材料法對加固混凝土支承框架的受力機理，同時分析了增大截面和用碳纖維加強材料法即采用玻璃纖維加強材料、用碳纖維加強材料及增設鋼支撐法對鋼筋混凝土支承框架增強作用。

綜上所述，目前對于長期粉煤灰環境情況下的膠帶機通廊廊身安全性性能的研究目前還尚未見報道，因此本課題組以祁連山水泥有限公司長期粉煤灰環境下某既有跨越鐵路的大跨度皮帶通廊廊身鋼桁架結構為背景進行研究分析，研究成果為既有膠帶機通廊廊身結構的檢測鑒定加固和設計提供科學依據。

2 工程概況

祁連山水泥有限公司某既有工業膠帶機通廊廊身結構為7跨簡支結構，全部位于地上，其中1跨、2跨、3跨、4跨為型鋼梁結構，5跨、6跨為鋼桁架結構，7跨為鋼筋混凝土結構，該皮帶通廊廊身結構與水平地面夾角為7°13′。2003年建成投入使用，皮帶廊長期處于煤粉中，目前正常使用。本文以第5跨鐵路大跨度鋼桁架結構為背景進行研究，廊身結構由豎直鋼桁架(主梁)、橫梁、支撐、通道、梁支座、鋪板及圍護結構組成，皮帶廊廊身布置圖如圖1所示，該皮帶通廊廊身橫截面為上承式(全封閉)形式，皮帶廊膠帶機下部設置落料擋板，剖面圖如圖2所示，皮帶廊外觀如圖3所示，TD75B650×160.7 m皮帶輸送機如圖4所示。

3 歷史情況調查研究

該既有工業膠帶機通廊廊身結構自2003年建成后投入使用以來，作為礦料輸送設備，一直處于煤粉中，目前正常使用；使用期間未改變用途、未做過任何檢修和相關試驗等。該既有膠帶機通廊采用1臺TD75B650×160.7 m皮帶輸送機進行原料輸送；現場實地調查發現在廊道口位置為了給皮帶上降溫，經常噴淋，高溫霧化產生的水蒸氣在廊道內框架上固化，并對桁架造成腐蝕，目前該膠帶機通廊廊身鋼桁架結構的原設計圖紙已經丟失。

4 廊身結構使用現狀現場調查研究

經過前面該既有膠帶機通廊廊身結構的歷史情況調查研究結果發現該既有膠帶機通廊廊身結構的勘察、設計、施工等建設資料已經丟失，為了全面分析該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構的可靠性，針對工作現狀對該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構進行全面深入調查研究，即包括既有膠帶機通廊廊身結構的豎直鋼桁架(主梁)、橫梁、支撐、通道、梁支座、鋪板、圍護結構等結構構件的歷史情況、尺寸、銹蝕、強度、連接方式、支座情況、節點現狀及維護情況。

4.1 廊身結構構件尺寸現場調查研究

經現場調查，該既有工業膠帶機通廊鋼桁架廊身主體結構鋼桁架主要由等邊角鋼組成，現場根據既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構構件的實際組成和布置情況進行全面記錄并繪制成結構圖，如圖5所示；通過現場對該既有膠帶機通廊廊身結構構件的組成和布置形式調查統計，發現該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構共由163個構件組成，對其中8個下弦桿件、10個腹桿豎桿、11個上弦桿件構件的尺寸采用千分尺、鋼尺進行了詳細量測，調查研究結果如圖6所示。

4.2 廊身結構構件銹蝕程度現場調查研究

現場檢測發現皮帶廊廊身結構長期處于焦炭環境中，鋼構件全部銹蝕，防銹漆部分脫落，調查研究結果如表1所示，通過研究分析結果發現粉煤灰環境對結構承載力有影響。

表1 鋼構件檢測統計表

4.3 廊身結構構件強度現場調查研究

該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構構件強度采用里氏硬度計進行表面硬度調查試驗。表面硬度法是根據金屬材料的極限強度與其硬度存在一定相關性的原理建立起來的一種非破損試驗方法。在現場檢測中，常用里氏硬度計法，按標準GB/T 17394.1—2014金屬材料里氏硬度試驗第一部分：試驗方法進行。里氏硬度計是一種動態硬度試驗法，試驗時用一定直徑的碳化鎢球沖頭，在一定試驗力作用下沖擊試件表面，測量距試件表面1 mm處的沖擊速度與回跳速度，利用電磁原理，感應出與速度成正比的電壓，然后根據沖擊體回跳速度與沖擊速度通過公式計算里氏硬度值，再換算成鋼材極限抗拉強度。

應用里氏硬度計現場對該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構部分構件強度進行了現場試驗，如圖7所示，通過對試驗數據統計結果計算分析推定出該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構構件強度，如表2所示，根據表2統計結果發現該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構構件的代表值均為Q235B。

表2 皮帶廊廊身結構構件強度數據分析結果 MPa

4.4 廊身結構構件涂層厚度現場調查研究

采用涂層厚度儀對部分構件涂層厚度進行試驗。首先用標準測試卡對測厚儀進行調零校準；在被測試件表面選定測點的位置，一般鋼結構構件在內外表面各均勻選取9個點；用測厚儀探頭直接點擊各測點讀取厚度值并記錄。取測試面9個點的平均值作為該油漆漆膜厚度值，現場試驗如圖8所示，膠帶機通廊廊身結構構件涂層厚度分析結果詳見表3，根據表3統計結果發現膠帶機通廊廊身結構構件涂層厚度不滿足規范要求。一般設計要求涂兩遍防銹漆、兩遍面漆，每一遍油漆的漆膜厚度是25 μm～30 μm，成品漆膜總厚度為100 μm～120 μm。

表3 皮帶廊廊身結構構件涂層厚度數據分析結果 μm

5 既有膠帶機通廊支座現狀調查研究

既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構(跨鐵路)通過支座將荷載傳給豎向構件，支座工作狀況是否安全對結構的運行安全至關重要。因此對該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構的支座工作狀態逐一進行了調查和分析，其結果發現全部支座無防落梁裝置，支座對梁沒有足夠的保護措施，同時由于長期處于粉煤灰中，鏈接處鋼構件防銹漆脫落，鏈接鋼構件出現不同程度的腐蝕，因此在地震作用下，該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構存在變形過大而掉落的安全隱患，實際情況如圖9所示。

6 廊身構件連接節點現狀調查研究

根據一些工程事故的統計分析發現，因既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構構件連接節點引發的事故占主要百分比，高達90%以上。根據調查研究結果分析該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構構件節點連接形式是否合理，其結果同時為既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構的有限模型的建立提供實際資料，該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構節點實際狀況如圖10所示。同時由于該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構長期處于焦炭環境中，節點鏈接處鋼構件防銹漆脫落，節點鏈接鋼構件腐蝕，因此在地震作用下，該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構節點連接處首先可能由于承載能力不夠而屈服、破壞，使結構存在較大安全隱患。

7 結論

本文以祁連山水泥有限公司長期粉煤灰環境下某既有跨越鐵路的大跨度皮帶通廊廊身鋼桁架結構為背景對長期粉煤灰環境下既有膠帶機廊身鋼桁架結構的安全性進行研究分析，得出以下主要結論：

1)通過針對該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構以及其組成構件的使用現狀現場試驗調查研究分析發現：粉煤灰環境對該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構構件的損傷和銹蝕情況有一定影響，研究結果發現該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構構件材料屈服強度為235 MPa。

2)粉煤灰環境加速了該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構構件的連接節點防銹漆脫落，使鏈接鋼構件出現不同程度的腐蝕，這是結 構的一大安全隱患。

3)支座廊無防落梁裝置，地震時，該既有膠帶機通廊廊身鋼桁架結構節點連接處首先可能由于承載能力不夠而屈服、破壞，使結構存在較大安全隱患。