网架开洞增设支撑改造加固设计典型案例分析

刘良斌

(太原正越工程设计有限公司,山西 太原 030021)

0 引言

随着经济的发展,环保的要求,煤棚大部分采用网架结构形式,形成大跨度、大空间以利于生产使用。但随着生产工艺更新,生产能力扩大,常常需要在现有煤棚网架上重新开洞,增加旁路。受网架受力特性影响,如何在满足结构安全的条件下,对既有网架结构进行改造[1-4],达到满足工艺所需之重点。结合实际工程项目,通过计算分析和工程实施,总结出一些经验,以供参考。

1 工程概况

某选煤厂既有煤棚为正方四角锥网架结构,平面轴线尺寸46.0 m×107 m,厚度2.65 m,节点形式为螺栓球节点,周边多点支承,下部结构为钢筋混凝土独立柱。既有网架平面图如图1所示。

抗震设防烈度为7度,基本地震加速度为0.15g,设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类。上弦恒载标准值0.3 kN/m2,活载标准值0.5 kN/m2,下弦恒载标准值0.1 kN/m2,基本风压0.5 kN/m2,基本雪压0.3 kN/m2。杆件、套筒、锥头、封板材质为Q235B;螺栓球为45号钢;高强度螺栓为20MnTiB。

根据工艺布置,新建带式输送机栈桥斜向穿过现有煤棚网架,新建栈桥与网架平面、剖面图相对关系如图2,图3所示。

2 工程方案选择

根据现场实际条件,本工程可以采取以下三种方案:

方案一:全部拆除原有网架,重新设计一个新网架结构。此方案优点是旧网架拆除可以减少不少安全性隐患,栈桥支架及桁架结构施工简单,周期大大缩短;缺点是拆除后的旧网架杆件和球体无法得到利用,造成很大浪费。

方案二:利用现有网架,直接开洞,通过计算对网架杆件进行加固或更换。通过对网架结构进行模型还原[5-6],对杆件、螺栓球进行计算后,发现开洞周围大量杆件、螺栓球及网架挠度均不能满足规范要求,有部分杆件应力比甚至达到了承载力的数倍之多。通过单纯杆件加固远不能满足安全要求,故而此方案不采用。

方案三:由图3可知,网架与栈桥中钢支架1、钢支架2相碰。支架1与网架大面积相碰,此处洞口开洞面积会很大;支架2只有钢柱同网架相碰,局部开洞即可。网架长106 m,宽46 m。长与宽之比约为2.25,传力体系主要沿短边,网架宽度方向传力。从图2可看出,网架开洞位置横向在6轴—9轴之间,纵向在G轴—H轴之间,洞口位于网架跨中,为网架主要受力部位,对网架非常不利。开洞后网架洞口周围杆件被打断,杆件发生应力重分布,原先单向传力杆件无法再传递内力,必然需要周围杆件承担一部分内力。而原周围纵向构造杆件为φ89 mm×4.0 mm,与主方向受力杆件φ159 mm×10 mm相差很大。此时若在洞口周围利用栈桥支架设置支座,相当于在网架跨中设置了支撑,既减小了网架跨度,又避免洞口处应力集中,同时还可以很大程度地减小加固杆件的数量。此种利用既有网架和新建栈桥钢支架同时进行支撑,对不满足的网架杆件、球体再进行加固的处理方法较为合理。

通过方案比选,征求业主意见,最终确定采用方案三对网架进行改造加固。

3 计算分析

对方案3采用浙江大学空间结构分析设计软件MST2020进行计算,同济大学空间钢结构设计分析软件3D3S 2020进行复核。本工程属于既有网架结构,对网架进行加固时,荷载与材料强度均应采用原有图纸和原有规范进行取值[7-8]。

由于钢支架2只有钢柱同网架相碰,只需局部开洞,开洞面积较小。通过计算,对原有网架结构并无影响,此处不再多做分析。主要针对支架1处网架大面积开洞进行计算分析,主要分三步进行计算:

第一步,网架开洞,增加支座条件,还原既有网架模型,进行整体分析,从而判断出哪些杆件、螺栓球不能满足要求。

通过计算,得出上弦、下弦及腹杆杆件、球体模型图,如图4—图6所示,图纸中仅罗列出不满足的杆件和螺栓球。1)图4上弦模型中,超应力比杆件共18根,螺栓球共14个。杆件分布比较散乱,无规律可循;球体比较规律,全部集中在洞口附近。2)图5下弦模型中,超应力比杆件共18根,螺栓球共15个。杆件、球体分布均比较规律,几乎全部集中在洞口附近。3)图6腹杆模型中,超应力比杆件共计35根,分布也比较规律,几乎全部集中在洞口附近。

从计算结果可看出,不满足的杆件及球体大都出现在洞口的四周,网架跨中,受力最大处,与之前分析的大致相同。

第二步,在第一步模型基础上,锁定没问题的杆件、球体。对不满足的杆件、球体进行满应力计算,程序通过截面自动调整,重新生成满足要求的杆件、球体截面。对两次计算截面进行比较,判断出哪些截面进行加固、哪些截面进行更换。

第三步,对不满足的杆件、螺栓、螺栓球进行加固和替换。

1)螺栓球更换:杆件截面变大,原螺栓球截面太小,造成杆件之前相互碰撞不能满足要求,处理方法为把螺栓球更换为焊接球。本次工程加固更换螺栓球为焊接球共29个。

2)螺栓更换:主要针对受压杆件的螺栓。原受压杆件采用的螺栓为构造螺栓,并不受力。现受压杆件转换为受拉杆件,螺栓受到拉力,承载力不满足要求,进行更换。本次工程更换的螺栓数量为42根。

3)杆件加固:采用增加截面法,对杆件外侧焊接对扣角钢,与加固杆件相连的球体外侧焊接环形板,如图7所示。本工程加固杆件51根,更换杆件20根。

通过上述计算分析,加固处理后的网架杆件最大应力比为0.853,最大竖向位移为100 mm,网架跨度的1/460,可以满足设计要求。

4 网架加固施工

网架加固施工分为三个阶段进行:

1)第一阶段。a.施工前,对网架设置8个位移观测点,主要测量Z向变形位移。观测点贯穿网架整个施工过程,需有专人记录,若记录过程中发现变形过大,应立即停止施工,以确保施工时人员安全。b.拆除图8中的洞-1、洞-2开洞部分,同时进行栈桥钢支架2的施工。由于此两处洞口较小,拆除时只需要观测之前设置好的8处位移观测点,是否有明显变化即可。

2)第二阶段。a.待栈桥钢支架2施工完成,将第一阶段(洞-1、洞-2)原先拆除杆件恢复原状后,才可以进行第二阶段施工。b.第二阶段拆除图9中的洞-3开洞部分。此处洞口较大,拆除时洞口四周杆件需采用临时措施进行拉接或支撑处理。通过计算,在网架上弦设定7个吊点,每点设向上拉力约30 kN,用于平衡网架向下的变形位移。施工时,需根据观测点的位移变化,对拉力值及时做出调整,使拉力能抵消网架向下的变形位移,待栈桥穿越网架部分施工完成后,再进行下一阶段的施工。

3)第三阶段。利用钢支架1作为爬杆与洞口周围杆球拉结。施工时,尽量使洞口周围原先下挠位移恢复到钢支架1支座高度附近。此时对洞-3周围不满足设计要求的杆件和螺栓球进行更换,进而利用从栈桥钢支架1伸出的牛腿作为网架洞-3处支座,以满足网架受力要求。共计增加3个支座,如图10所示。

5 具体措施和方法

1)杆件基层处理:采用电动钢丝刷将杆件上原有油漆层和防火涂料清理掉,直至露出金属光泽为止。

2)杆件截面加固:先将角钢用电焊固定在需要加固的杆件上。固定角钢时,接触面必须压紧,角钢对称布置,焊缝采用间隔焊,焊缝高4 mm,每段长100 mm,间隔300 mm,成对焊缝平行施焊。加大焊缝厚度时,从原焊缝受力较小的部位开始施焊,每次熔数的焊缝厚度不大于2 mm。

3)网架位移测量:施工时在网架下面设置几个测量参考点,参考点位置要求视野开阔、网点稳定、上下通行方便。控制点应建造观测墩,同时要考虑到长期保护、便于观测和施工作业,防止人为破坏与松动。

在测量点搭设一台全站仪,每安装完一个工作环节应及时测量其标高和精度,同时与设计标高对比,确保网架节点下挠位移控制在允许范围内。

6 结语

本次网架开洞增设支撑改造加固工程,通过分析该结构的计算过程、施工方法和措施,得出了以下经验:

1)网架受力体系为平板结构,如若开洞,宜尽量避开跨中。因为跨中受力最大,通过计算,也验证了这一点,大多数超应力杆件、球体均出现在洞口四周。该工程由于工艺原因,无法避开。造成最终加固杆件、球体工程量均比较偏大。

2)需要新增加支座时,若原网架为螺栓球,建议支座处替换为焊接球。因为焊接球可以在常温下同支座节点板焊接,且质量容易保证,而螺栓球需要在高温下同节点板焊接才能保证质量可靠。

3)网架结构对位移变形较敏感,尤其是大面积开洞工程。加固改造过程中位移必须由专人观测,且从始至终,中间不能间断。

4)在方案确定上应考虑现场施工的可操作性,建立的计算模型和荷载条件必须能准确地反映使用情况。比如本工程为既有结构,加固时的荷载取值需要同原图纸一致。