丰满发电厂一期厂房排架加固

何长利，张殿双，张小涛，高亚茹

（1.丰满发电厂，吉林 吉林 132108；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 工程概况

丰满发电厂位于松花江上游，工程以发电为主，兼顾防洪、城市供水、养殖及旅游等综合利用效益。水库为不完全年调节水库。

丰满发电厂是我国第一座大型水电站，一期厂房位于右岸，为坝后式厂房，始建于1937年，上世纪80年代后，工程经多次改造和扩建，发电厂房进行了二、三期的扩建。其中，二期系利用原预留的9号、10号压力钢管于一期厂房左端续建而成。三期厂房为利用左岸泄洪洞改造扩建而成。目前，电站总装机容量已达1 002.5 MW。一、二期厂房场内共装10台水轮发电机组，装机容量722.5 MW；三期厂房位于左岸泄洪洞出口处，厂内共装2台水轮发电机组，装机容量280 MW。

一期厂房厂内装有8台水轮发电机组，装机容量552.5 MW，工程始建于1937年，1943年第一台机组发电，至今为止，一期厂房已经运行了64年。

丰满一期厂房主体工程为钢筋混凝土——型钢结构，其下部结构为钢筋混凝土大体积结构；上部结构为钢骨混凝土与钢桁架形成的框架结构，吊车柱为型钢骨架外包混凝土。据了解，电站一期工程所用压力钢管、钢筋、钢骨及屋架材料均系日本30年代轧制的同类型产品。此前，一期工程压力钢管因锈蚀严重且材质有问题，后经改造和更换得以延续运行。

2 现状调查及原因分析

2009年年初，一期厂房7号、8号机附近的2号、3号榀屋架下弦杆出现无预兆断裂破坏，断口处拉开达7～8 cm，无颈缩并呈明显的脆性破坏，且个别腹杆发生拉裂及压弯破坏。同时，1号～4号榀屋架之间的垂直支撑由于屋架下沉造成个别杆件弯曲，情况十分危急。由此，丰满发电厂召集多方专家组成专家组，对事故原因进行了认真分析。

首先，根据现场取样进行的材质分析，丰满一期厂房排架柱中钢骨架及屋架，为日本30年代沸腾钢产品，据检测结果对比分析，金相组织次于目前常用的普通钢材。由于产品年代久远，缺乏与之对应的材料参数与标准，且难以查到其相关的技术标准，其材质强度相当于现在Q275钢材，而其抗冲击功指标在20℃的情况下仅为9—18 J，远低于规范要求的27 J，无法达到Q235B的最低要求，钢材材质呈明显的脆性。冷弯试验亦不满足规范要求。

其次，屋面防水多次改造。自上世纪60年代年以来，一期主厂房屋面共经历了5次全面的防水大修和几次局部防水大修。其中，1985年以前的2次防水屋面大修施工，均是采取清除老防水再铺设新防水。1985年以后的3次防水屋面大修施工，施工方法是直接在原防水层上铺新防水层，然后在其上抹水泥砂浆保护层，但其厚度至少有50 cm。由此造成屋架外载加大。

其三，冬季检修及吊车运行。7号机转子吊装检修发生在气温最寒冷的1月份，据多年气象资料统计，其当月最低气温达到-40℃，厂房排架结构由此产生了较大的温度变形和较大应力，在此条件下进行转子吊运亦增大了屋架下弦杆的拉力。

综合上述情况，一期厂房屋架的断裂系由多方面因素造成，其主因还是材质的脆性老化。由于屋架与厂房排架结构为整体铆接型式。排架柱内亦使用了同材质钢材，不具备拆除更新的可能性。

3 加固方案的确定

因原钢屋架材质冷弯试验指标不合格，抗冲击功指标较低，材料呈脆性，在冲击荷载作用下容易脆断，及屋面荷载偏大等原因造成屋架不堪重负，必须对排架进行减载加固。由于一期厂房结构为钢骨混凝土（含屋面）与钢屋架形成整体铆接及整体浇注结构，并同时考虑运行和施工安全。排除了拆除更新方案，而采用了抱柱锚拉的预应力锚索方案。该方案特点是利用吊车柱小柱在屋架下弦杆附近的外侧设置抱柱钢梁，通过对穿锚索后张拉，以共同承担或取代屋架下弦杆的受力，以期达到加固的目的。

3.1 锚索吨位选择

锚索吨位的选择原则以屋架下弦最大受力情况作为依据，根据屋面改造及钢屋架复核结果，选择两束吨位为600 kN锚索，每榀屋架的锚索能承受超张拉力为1 380 kN。在屋面减载后，锚索超张拉后可达到屋架下弦杆最大拉力的同等水平。另外，为保证在锚索张拉时上、下游墙体与柱的稳定，同时避免锚索松弛后影响厂内吊车的运行，在锚索下设置支撑槽钢，支撑槽钢以撑住墙体并保持稳定为原则，还起到了托住锚索的作用。按照尽量减轻屋架荷载及完全抱住锚索，支撑采用了[16a的槽钢，每榀屋架下设置两根支撑槽钢，槽钢两头焊接厚10 mm的钢板，支撑于上、下游墙内侧。在钢板上对应于墙上锚索开孔位置处开孔，孔内设置钢管用于定位并锁定抱柱梁和支撑槽钢。以确保加固的效果及施工安全（见图1）。

图1 对穿锚索示意图

实施当中，锚索采用抱柱梁抱柱的型式进行张拉，抱柱梁尺寸为1.3×0.47×0.32 m，根据其低温运用条件，材质选择为Q235C，抱柱锚索间距1 m。施工时利用厂房窗跺搭设简易操作平台，解决锚索张拉施工问题。由于抱柱梁整体质量较轻，采取在屋面架设小吨位葫芦吊装到位，利用混凝土墙孔上设置的定位钢管将抱柱梁及支撑槽钢定位并锁定，以保证施工安全和锚索的张拉作业。

3.2 锚索初期加载吨位选择

根据选定支撑槽钢截面特性及受压时的压杆稳定，按吊车水平刹车力等不利荷载，确定每品排架锚索加载吨位为100 kN。

3.3 排架柱加固型式选择

根据排架柱承载力复核结果，一期厂房上、下游排架柱大柱根部控制截面的正截面强度均满足规范要求。但排架柱小柱根部控制截面的正截面强度不能满足规范要求，根据现场实际情况决定采取外包钢的方法对小柱进行加固设计和施工。

3.4 屋面减载措施

减载措施主要结合保温同时进行，由于一期厂房原有屋面为内保温措施，目前已基本失效，故减载结合保温可更好解决冬季运行时的室内温升。减载采取挖除屋面防水改造时的多层后铺设的防水层，替代以轻型保温及新的防水层。

3.5 实时监测

在排架结构加固的同时，针对屋架破坏程度及加固后的锚索、排架结构进行了必要的跟踪监测，检测手段主要以锚索测力、在屋架及排架柱埋设应力、应变等设施，以期监测整体加固的效果以便及时提出安全预警。通过7号机转子吊装就位观测及分析，加固措施达到了预期效果。实测结果如表1及图2。

表1 索力及排架变形监测数据

图2 实时监测数据曲线图

4 加固效果评价

加固后的一期厂房排架柱，经过转子吊装归位的运行实践，证明加固后的排架能够满足机组检修及运行要求。在完成7号机组转子归位安装工作期间，通过埋设的观测设备监测到7号机（11号榀）排架每束锚索受力最大值为360 kN，其初始值 168 kN；3号排架锚索受力最大值为 264 kN，初始值16.8 kN。由此可以看出，在吊车起吊转子等大件时对钢屋架产生了较大的影响。由于起吊时段处于春夏交接季节，气温回升到23℃左右，排架结构受力条件随汽温回升而得到改善，由此验证采用每束600 kN的锚索是合理和安全的。

由于一期厂房钢屋架构件的冷弯试验指标不合格，抗冲击功指标较低，在动力荷载的冲击作用下易发生脆性破坏，同时吊车小车运行速度对产生水平刹车力大小的影响至关重要，故在吊车起吊重物时，尤其在冬季最寒冷月份，遵循厂内桥机小车在低速档位下运行的原则，以降低水平刹车力对排架的不利影响是有实际意义的。

为了确保外包钢与原厂房排架柱结合面有效的传递剪力以提高整体承载力，排架柱加固后，对原厂房结构上的钻孔及外包钢与原结构混凝土间的缝隙实施了环氧砂浆进行封堵，从运行情况及监测成果分析可知，该项措施对保证加固构件与原有结构的整体性是非常重要的。