网架输料栈桥结构加固设计

Da CRUZ Nick Harel Olohounloniaye, 黄 亮

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

1 工程概况

目前，网架结构技术得到了广泛的应用。 网架结构具有重量轻，刚度大，抗震性能好的特点，使其在体育馆、加油站、展览馆、机场等大型建筑物的建设中占有很大的比例。 由于网架结构常采用较为理想的优化设计理论，在实际使用条件变动或受到偶然荷载的作用时，常常导致网架结构出现部分受压杆件屈曲，甚至导致承载能力不足而发生坍塌。但在结构个别或部分构件丧失承载能力、变形过大的情况下，对结构进行加固处理，仍然可以取得较好的经济效益[1]。

本工程为水泥厂物料运输路径中60 m长的网架栈桥结构，结构上部为拱架结构，下部为网架结构，如图1所示。原结构设计为综合利用上部拱架的结构刚度，使上部拱架和下部网架协同受力并作为整体进行联算。但在实际施工中，上下结构之间采用了较弱的单螺栓铰接连接，如图2所示。同时，施工过程中忽略了施工阶段的状态变化与实际的时变累计变形，如图3所示。完工后，结构上下部分的初始工作状态并不同步，因此，原结构设计高估了拱架的结构刚度贡献。加上结构设计时，缺乏对物料输送过程动力作用的科学评价，导致结构实际使用时同时出现挠度变形过大、振感明显两个问题，直接影响了结构的正常使用；经验算分析，甚至可能影响结构的安全性。未解决这一问题，文中将采用三种加固方法对结构加固，并分析比较得出最终的采用方案。

图1 结构示意

图2 上下部结构单螺栓铰接示意

(a)网架拼装

(b)网架起吊安装

(c)在网架上进行拱架安装图3 结构施工中的挠度变形累积

2 网架加固方案

网架结构加固的方法有很多，目前较常用的加固方法有：改变网架支承、替换局部构件、增加构件、增加压杆附加支撑、球节点外侧加焊加劲肋、引入体外预应力等。这些方法在工程当中都得到多次具体的应用，具有较好的应用效果。

通过对现场调查分析调研，发现该工程的网架结构存在的主要缺陷是：实际刚度与结构计算刚度之间的不一致导致实际结构的变形过大。

综合考虑施工场地、构件损伤情况、经济安全性等方面，本工程拟通过以下方法对结构进行加固：(1)改变网架支承：为增加结构整体的刚度，对上部拱架与下部网架之间的连接进行加固，改为刚性连接，如图4(a)所示；(2)增加构件：由于下部网架是结构的主承载结构，且网架周围施工难度大，因此不宜对下部网架进行焊接作业，而上部拱架由于施工便利，可通过增加上部拱架的斜支撑来加强结构刚度，如图4(b)所示；(3)引入体外预应力：预应力加固法能够有效增加结构刚度，改善了原结构的变形能力；通过对原结构施加预应力，可以直接调节原结构主要构件内里峰值，改善原结构的受力性能；同时，该法布置灵活，适应性强；施工简单快捷[2]，如图4(c)所示。

(a)改变支承

(b)增加支撑

(c)引入预应力图4 加固方案

3 加固方案计算

为评价加固效果，计算实际结构模型(独立承载模型)和三种加固方案。结构计算使用有限元分析程序MIDAS/GEN V835进行计算。

3.1 计算机模型和材料

根据所提出的加固方案，建立实际结构模型(网架结构单独承载与实际情况接近)和三种加固方案的计算模型。

模型1：原结构模型(网架结构单独承载)进行受力分析。计算模型如图5所示。

模型2：对上部拱架与下部网架之间的连接进行加固处理后的整体承载模型进行受力分析。计算模型如图6所示。

模型3：在整体承载模型的基础上，对采用上部拱架添加斜撑加固后的模型进行受力分析。计算模型如图7所示。

模型4：在整体承载模型的基础上，对采用添加预应力索及拉杆对网架进行加固后的模型进行受力分析。计算模型如图8所示。

图5 模型1-实际结构模型

图6 模型2-整体受力模型

图7 模型3-斜支撑加固模型

图8 模型4-预应力锚索加固模型

结构构件主要为Q235和Q345钢。材料性能以GB/T700 碳素结构钢标准为基础。

3.2 荷 载

计算中仅考虑了恒载及活载，不考虑风荷载、温度作用及地震作用等。

3.2.1 恒载

结构自重由程序自动计算，乘以1.1的放大系数来考虑螺栓球等的影响。传输带自重包括皮带自重、输送机托辊架自重、电缆盘自重等，根据提供数据为340 kg/m，传送带自重考虑其实际受力情况，采用集中力以及梁单元荷载两种方式进行添加。

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在独立承载承载模型中，拱架自重以集中力方式施加在模型上弦节点。

3.2.2 活载

根据甲方提供资料，活荷载值见表1。

表1 活荷载值 kg·m-1

将活荷载采用集中力的方式添加到模型上弦节点。

在模型4中预应力索添加30 t的初始预应力。

3.3 边界设置

在模型计算中有支座约束(网架支座、钢丝绳支座)、刚性连杆、释放梁端约束几种边界条件存在。

(1)支座约束。在结构两端的节点三个方向x、y和z施加平移约束。对钢丝绳两端共4个节点施加x、y、z三个方向的平动约束。

(2)刚性连杆。上部拱架结构与下部网架之间的连接采用刚性连杆。

(3)释放梁端约束。对上部拱架结构中的槽钢与H型钢之间的连接以及纵向系杆与弧形管之间的连接采用铰接形式。

4 计算结果分析

计算模型1～4，并收集关键数据并汇总如下表2所示。

为方便观察加固方案的实际效果，根据表格数据，对结构应力、挠度、最大应力比以及最大应力比超限根数等数据进行整理，得到最大拉压应力曲线(图9)、挠度值曲线(图10)、超限构件数量曲线(图11)以及最大应力比数值曲线(图12)。

表2 计算结果对比

注：ρmax为截面所在杆的最大应力比。

图9 最大拉力和压力曲线变化

图10 挠度变化

图11 超限构件数量曲线

图12 最大应力比曲线

从加固方案计算结果以及图9～图12可以看出：

(1)与原结构相比，在整体模型(模型2)的基础上加斜支撑，结构的挠度降低了约10 %，但与此同时，最大应力比和结构的应力比超过极限明显不改变。

(2)与原结构(模型1)相比，斜支撑加固模型(模型3)的刚度增加。挠度从132 mm减少到124 mm; 除了1#截面相关杆件的最大应力比由1.9降低1.1，降低幅度42 %，其余截面相关杆件的最大应力比几乎没有变化，结构应力超限严重的现状仍然存在，加固效果不甚明显，且此种加固方式现场焊接量大，施工较为困难。

(3)与原结构(模型1)相比，预应力锚索拉杆加固模型(模型4)的刚度显著增加。在恒载与活载的作用下结构挠度由132 mm减小到101 mm，下降幅度达到25 %，下降明显；杆件应力比及超限杆件数量均显著减小，其中，原结构超限截面中的1#截面相关杆件最大应力比由1.9减小到0.9，下降幅度为53 %；2#截面相关杆件最大应力比由1.6减小到1.3，下降幅度为19 %；3#截面相关杆件最大应力比由1.7减小到1.4，下降幅度为18 %；4#截面相关杆件最大应力比由1.7减小到0.9，下降幅度为47 %。原结构未超限的5#～8#截面的最大应力比也有降低。超限杆件数量由32根减少到10根，加固效果十分明显。

综上所述，预应力加固方法对本项目网架栈桥的加固具有较好的效果。

5 结论

通过对3种加固方案的计算分析可以发现，预应力加固方法较其它两种方法具有更好的加固效果。此法不仅能改善当前结构刚度较小的实际情况，对于挠度的控制也有明显贡献。同时，此方法现场焊接作业少，施工难度大大降低，且对当前结构的负面影响小。若通过与套管加固法等加强杆件的方法联用，将会取得更好的加固方法。因此是本项目首选的加固方法，也是类似项目的首选方法。