浮式煤碼頭桁架式鋼引橋加固補強方案

姚太均 王俊杰 張 煜

1 宜昌港務集團有限責任公司 2 武漢理工大學交通與物流工程學院

1 引言

某浮式專用煤炭進口碼頭，船岸間通過42 m鋼引橋連接，皮帶機架設在鋼引橋上。碼頭前沿原設計為一艘5 t浮式起重機(以下簡稱浮吊)，利用抓斗抓取貨物，回轉180°后將貨物卸至鋼引橋皮帶機受料斗，通過鋼引橋皮帶機將貨物輸送至岸上貨場，皮帶寬1 m，帶速為2 m/s，碼頭綜合臺時效率約為200 t。隨著貨物進口量的增長，原碼頭設計能力已不能滿足生產作業需要，需對碼頭進行擴能改造。擬將碼頭卸船浮吊由5 t浮吊更換為10 t浮吊，浮吊回轉幅度由180°減為90°，提高效率。在浮吊船上增設皮帶機，將貨物輸送給鋼引橋上皮帶機后，再經過貨場皮帶機至堆場。同時將原碼頭皮帶機帶寬由1 m增加到1.2 m，帶速提升為2.5 m/s，使碼頭綜合臺時效率達到400 t以上。碼頭作業工藝為：貨船→10 t浮吊船→浮吊船受料斗→浮吊船皮帶機→鋼引橋皮帶機→貨場皮帶機→貨場上高機→堆場。

該浮式碼頭船岸間的鋼引橋已使用了近15年，擴能改造時需對剛引橋進行預應力卸載及其維修加固[1-2]。由于該碼頭位于某化工廠排污口，鋼引橋腐蝕十分嚴重，部分桿件厚度只有原來的60%左右，已達到中級危舊橋梁的標準，鋼引橋的承載能力、安全性下降。如果在運行荷載不中斷的情況下，再疊加施工荷載、切割打磨受損構件、焊接熱處理等影響，橋體的安全風險較高。此次改造皮帶機加寬后，鋼引橋的荷載增加，強度需要重新驗算，若強度不足，需提出加固補強方案，確保鋼引橋的結構安全。

2 鋼引橋強度校核計算

2.1 原鋼引橋參數

該鋼引橋為桁架式結構，主梁型式采用平行弦桁架式雙主梁，跨度為42 m，材料為Q235A型鋼，鋼引橋兩端采用弧形滑動鉸支座，基本尺寸見圖1。

圖1 原鋼引橋基本尺寸

設計載荷：皮帶機載荷為3 kPa；人群載荷2 kPa；風雪載荷 0.5 kPa。橋面系采用板式格梁構造，布置有縱梁和橫梁，采用上平面等高連接。橫梁為主承重梁，跨度4.0 m，縱向間距3.5 m，布設并支承于兩片主桁架內側。縱梁為副承重梁，跨度3.5 m，水平間距0.7 m，等距布置。為增強鋼引橋的橫向抗扭強度，在兩片主桁架下弦桿之間，布設下弦縱向聯結系，成X型交叉腹桿，簡稱下平縱聯；為保證鋼引橋上弦桿橫向穩定性，在兩主桁架上弦桿之間布設上弦縱向聯結系，成X型交叉腹桿，簡稱上平縱聯。

主要部件用材如下：橋面面板為5 mm鋼板；縱梁、橫梁為I20工字鋼；主桁架的上弦桿為2L160×100×10不等邊角鐵，下弦桿為2L125×125×10等邊角鐵，斜腹桿為2L140×140×10等邊角鐵，豎腹桿為2L80×80×6等邊角鐵；縱向聯結系的下平縱聯為L90×90×6等邊角鐵，上平縱聯為L100×100×8等邊角鐵。

2.2 橋面系設計強度驗算

為滿足碼頭改造后的作業工藝要求，對原鋼引橋橋面系設計的橋面板、縱梁、橫梁、端橫梁強度進行了驗算，具體驗算數據見表1。通過驗算，原鋼引橋橋面系設計的橋面板、縱梁、端橫梁強度均符合碼頭改造后的作業工藝要求。

表1 橋面設計強度驗算表

2.3 主桁架設計強度驗算

計算跨度42 m，節點長度3.5 m，桁架高度3.5 m，橋面寬度4.0 m，計算簡圖見圖2。表2為桿件內力計算表，表中受拉力為正，受壓力為負；表3為桿件截面驗算表。通過以上驗算，原鋼引橋主桁架設計的下弦桿、斜腹桿、豎腹桿強度均符合碼頭改造后的作業工藝要求；原鋼引橋上弦桿件選用2根不等邊角鐵160×100×10的總截面積為50.6 cm2，不能滿足皮帶機加寬后的強度要求，需要進行加強處理。

圖2 桿件內力計算簡圖

表2 桿件內力計算表

表3 桿件截面驗算表

2.4 縱向聯結系強度驗算

對原鋼引橋縱向聯結系的上、下平縱聯強度進行驗算，因上平縱聯強度驗算計算與下平縱聯相同，故此取下平縱聯進行強度驗算。

經計算下弦桿產生的最大應力為237.83 MPa，不滿足強度要求。因此，下弦桿肯定會失穩，危及整個結構安全。為此，原鋼引橋在兩桁架下弦設立交叉腹桿抵抗橫向風荷載，計算斜腹桿最大拉力為174.33 kN，所需角鐵總截面積為10.25 cm2，原等邊角鐵90×90×6可滿足1.2 m皮帶作業要求。上平縱聯強度驗算計算與下平縱聯相同，原鋼引橋設計采用等邊角鐵100×100×8的總截面積為15.6 cm2，滿足1.2 m皮帶作業要求。

通過以上驗算，原鋼引橋縱向聯結系的上、下平縱聯強度驗算均符合碼頭改造后的作業工藝要求，不需要進行加強處理。

2.5 其他驗算

該鋼引橋僅將皮帶加寬，對其他構件無任何影響，故鋼引橋的整體撓度、節點焊縫強度、支座強度等方面不需要重新進行驗算，均滿足現在生產作業工藝要求。

通過以上的驗算，將該鋼引橋皮帶由1 m改為1.2 m后，由于荷載發生變化，且鋼引橋部分桿件銹蝕嚴重，造成鋼引橋主桁架部分的上弦桿強度不能滿足規范要求，需要進行補強，其余均滿足規范要求。

3 鋼引橋補強加固設計與施工

經驗算，原鋼引橋主桁架上弦桿FG桿不能滿足規范要求，需進行補強處理。考慮到上弦桿腐蝕極其嚴重，此次加強計算截面積只能按50%考慮，同時需對上弦桿其他桿件進行強度驗算，計算結果見表4。

表4 桿件補強計算表

根據以上計算，為了減輕鋼引橋的重量，節約鋼材用量，鋼引橋D、E、F、G節點處采用鋼板焊接成箱體，直接焊在節點處連接鋼板上(見圖3)。箱體垂直弦桿方向板高160 mm，寬190 mm，鋼板厚10 mm；平行弦桿方向板高130 mm，寬200 mm，鋼板厚14 mm；箱體頂面封板長200 mm，寬150 mm，鋼板厚10 mm。

圖3 鋼引橋加固處理施工圖

BC、CD桿選用1根14槽鋼進行補強，為了便于施工，將槽鋼開口向下，扣在原角鐵面上，采用滿焊方式與原角鐵焊牢固，與原角鐵共同受力(見圖3b)。DE、EF、FG桿選用2根14槽鋼，提前將2根槽鋼開口方向進行對焊，焊成箱型梁，再將箱型梁與鋼引橋角鐵面焊接，達到補強目的(見圖3c)。

由于該鋼引橋皮帶機已安裝到位，并受到周邊環境和場地限制，已不可能將鋼引橋將其拆除，只能在現場進行加固。鋼引橋除原兩端支撐點外，其他部位無法進行臨時支撐。鋼引橋在受力情況下進行焊接加固，存在很大的施工風險，如果不嚴格按要求進行施工焊接，極有可能發生鋼引橋整體跨塌的重大事故。

施工時，采用對稱施焊方式對鋼引橋兩主桁架進行加固，先只焊節點，加固橫梁采用兩主橋架左右對稱、江側和岸側對稱的加固方式。待全部節點焊接完成，將鋼引橋上弦全部加固完成后，將各桿件均分為4等份，每個等份點處施焊，焊腳10 mm，焊縫長120 mm。焊接加固完成后，進行除銹，做好防腐工作，最后在加固桿件與上弦桿處采用結構膠密封。

4 結語

該浮式煤碼頭42 m桁架式鋼引橋皮帶由1 m寬增加至1.2 m，帶速由2 m/s提高到2.5 m/s，生產效率提高近1倍，鋼引橋的荷載發生相應變化。通過計算分析，提出了鋼引橋加固補強方案。改造后，該碼頭已運行半年，鋼引橋沒有發生任何變形，皮帶機運行平穩，表明該方案切實可行，可為類似碼頭鋼引橋加固提供參考。