網架開洞增設支撐改造加固設計典型案例分析

劉良斌

(太原正越工程設計有限公司,山西 太原 030021)

0 引言

隨著經濟的發展,環保的要求,煤棚大部分采用網架結構形式,形成大跨度、大空間以利于生產使用。但隨著生產工藝更新,生產能力擴大,常常需要在現有煤棚網架上重新開洞,增加旁路。受網架受力特性影響,如何在滿足結構安全的條件下,對既有網架結構進行改造[1-4],達到滿足工藝所需之重點。結合實際工程項目,通過計算分析和工程實施,總結出一些經驗,以供參考。

1 工程概況

某選煤廠既有煤棚為正方四角錐網架結構,平面軸線尺寸46.0 m×107 m,厚度2.65 m,節點形式為螺栓球節點,周邊多點支承,下部結構為鋼筋混凝土獨立柱。既有網架平面圖如圖1所示。

抗震設防烈度為7度,基本地震加速度為0.15g,設計地震分組為第二組,場地類別為Ⅱ類。上弦恒載標準值0.3 kN/m2,活載標準值0.5 kN/m2,下弦恒載標準值0.1 kN/m2,基本風壓0.5 kN/m2,基本雪壓0.3 kN/m2。桿件、套筒、錐頭、封板材質為Q235B;螺栓球為45號鋼;高強度螺栓為20MnTiB。

根據工藝布置,新建帶式輸送機棧橋斜向穿過現有煤棚網架,新建棧橋與網架平面、剖面圖相對關系如圖2,圖3所示。

2 工程方案選擇

根據現場實際條件,本工程可以采取以下三種方案:

方案一:全部拆除原有網架,重新設計一個新網架結構。此方案優點是舊網架拆除可以減少不少安全性隱患,棧橋支架及桁架結構施工簡單,周期大大縮短;缺點是拆除后的舊網架桿件和球體無法得到利用,造成很大浪費。

方案二:利用現有網架,直接開洞,通過計算對網架桿件進行加固或更換。通過對網架結構進行模型還原[5-6],對桿件、螺栓球進行計算后,發現開洞周圍大量桿件、螺栓球及網架撓度均不能滿足規范要求,有部分桿件應力比甚至達到了承載力的數倍之多。通過單純桿件加固遠不能滿足安全要求,故而此方案不采用。

方案三:由圖3可知,網架與棧橋中鋼支架1、鋼支架2相碰。支架1與網架大面積相碰,此處洞口開洞面積會很大;支架2只有鋼柱同網架相碰,局部開洞即可。網架長106 m,寬46 m。長與寬之比約為2.25,傳力體系主要沿短邊,網架寬度方向傳力。從圖2可看出,網架開洞位置橫向在6軸—9軸之間,縱向在G軸—H軸之間,洞口位于網架跨中,為網架主要受力部位,對網架非常不利。開洞后網架洞口周圍桿件被打斷,桿件發生應力重分布,原先單向傳力桿件無法再傳遞內力,必然需要周圍桿件承擔一部分內力。而原周圍縱向構造桿件為φ89 mm×4.0 mm,與主方向受力桿件φ159 mm×10 mm相差很大。此時若在洞口周圍利用棧橋支架設置支座,相當于在網架跨中設置了支撐,既減小了網架跨度,又避免洞口處應力集中,同時還可以很大程度地減小加固桿件的數量。此種利用既有網架和新建棧橋鋼支架同時進行支撐,對不滿足的網架桿件、球體再進行加固的處理方法較為合理。

通過方案比選,征求業主意見,最終確定采用方案三對網架進行改造加固。

3 計算分析

對方案3采用浙江大學空間結構分析設計軟件MST2020進行計算,同濟大學空間鋼結構設計分析軟件3D3S 2020進行復核。本工程屬于既有網架結構,對網架進行加固時,荷載與材料強度均應采用原有圖紙和原有規范進行取值[7-8]。

由于鋼支架2只有鋼柱同網架相碰,只需局部開洞,開洞面積較小。通過計算,對原有網架結構并無影響,此處不再多做分析。主要針對支架1處網架大面積開洞進行計算分析,主要分三步進行計算:

第一步,網架開洞,增加支座條件,還原既有網架模型,進行整體分析,從而判斷出哪些桿件、螺栓球不能滿足要求。

通過計算,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,超應力比桿件共18根,螺栓球共14個。桿件分布比較散亂,無規律可循;球體比較規律,全部集中在洞口附近。2)圖5下弦模型中,超應力比桿件共18根,螺栓球共15個。桿件、球體分布均比較規律,幾乎全部集中在洞口附近。3)圖6腹桿模型中,超應力比桿件共計35根,分布也比較規律,幾乎全部集中在洞口附近。

從計算結果可看出,不滿足的桿件及球體大都出現在洞口的四周,網架跨中,受力最大處,與之前分析的大致相同。

第二步,在第一步模型基礎上,鎖定沒問題的桿件、球體。對不滿足的桿件、球體進行滿應力計算,程序通過截面自動調整,重新生成滿足要求的桿件、球體截面。對兩次計算截面進行比較,判斷出哪些截面進行加固、哪些截面進行更換。

第三步,對不滿足的桿件、螺栓、螺栓球進行加固和替換。

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為焊接球共29個。

2)螺栓更換:主要針對受壓桿件的螺栓。原受壓桿件采用的螺栓為構造螺栓,并不受力。現受壓桿件轉換為受拉桿件,螺栓受到拉力,承載力不滿足要求,進行更換。本次工程更換的螺栓數量為42根。

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

通過上述計算分析,加固處理后的網架桿件最大應力比為0.853,最大豎向位移為100 mm,網架跨度的1/460,可以滿足設計要求。

4 網架加固施工

網架加固施工分為三個階段進行:

1)第一階段。a.施工前,對網架設置8個位移觀測點,主要測量Z向變形位移。觀測點貫穿網架整個施工過程,需有專人記錄,若記錄過程中發現變形過大,應立即停止施工,以確保施工時人員安全。b.拆除圖8中的洞-1、洞-2開洞部分,同時進行棧橋鋼支架2的施工。由于此兩處洞口較小,拆除時只需要觀測之前設置好的8處位移觀測點,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)原先拆除桿件恢復原狀后,才可以進行第二階段施工。b.第二階段拆除圖9中的洞-3開洞部分。此處洞口較大,拆除時洞口四周桿件需采用臨時措施進行拉接或支撐處理。通過計算,在網架上弦設定7個吊點,每點設向上拉力約30 kN,用于平衡網架向下的變形位移。施工時,需根據觀測點的位移變化,對拉力值及時做出調整,使拉力能抵消網架向下的變形位移,待棧橋穿越網架部分施工完成后,再進行下一階段的施工。

3)第三階段。利用鋼支架1作為爬桿與洞口周圍桿球拉結。施工時,盡量使洞口周圍原先下撓位移恢復到鋼支架1支座高度附近。此時對洞-3周圍不滿足設計要求的桿件和螺栓球進行更換,進而利用從棧橋鋼支架1伸出的牛腿作為網架洞-3處支座,以滿足網架受力要求。共計增加3個支座,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,接觸面必須壓緊,角鋼對稱布置,焊縫采用間隔焊,焊縫高4 mm,每段長100 mm,間隔300 mm,成對焊縫平行施焊。加大焊縫厚度時,從原焊縫受力較小的部位開始施焊,每次熔數的焊縫厚度不大于2 mm。

3)網架位移測量:施工時在網架下面設置幾個測量參考點,參考點位置要求視野開闊、網點穩定、上下通行方便。控制點應建造觀測墩,同時要考慮到長期保護、便于觀測和施工作業,防止人為破壞與松動。

在測量點搭設一臺全站儀,每安裝完一個工作環節應及時測量其標高和精度,同時與設計標高對比,確保網架節點下撓位移控制在允許范圍內。

6 結語

本次網架開洞增設支撐改造加固工程,通過分析該結構的計算過程、施工方法和措施,得出了以下經驗:

1)網架受力體系為平板結構,如若開洞,宜盡量避開跨中。因為跨中受力最大,通過計算,也驗證了這一點,大多數超應力桿件、球體均出現在洞口四周。該工程由于工藝原因,無法避開。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,若原網架為螺栓球,建議支座處替換為焊接球。因為焊接球可以在常溫下同支座節點板焊接,且質量容易保證,而螺栓球需要在高溫下同節點板焊接才能保證質量可靠。

3)網架結構對位移變形較敏感,尤其是大面積開洞工程。加固改造過程中位移必須由專人觀測,且從始至終,中間不能間斷。

4)在方案確定上應考慮現場施工的可操作性,建立的計算模型和荷載條件必須能準確地反映使用情況。比如本工程為既有結構,加固時的荷載取值需要同原圖紙一致。