某廠原料跨廠房結(jié)構(gòu)可靠性鑒定與加固

虞 強(qiáng)

0 引言

煉鋼廠廠房結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)或施工錯誤，材料不符合要求，使用功能改變、溫差過大，遭受災(zāi)害損害以及耐久性等原因，會出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)規(guī)范允許的結(jié)構(gòu)裂縫，造成承載能力不足，不能滿足安全性、適用性、耐久性的要求，所以廠房結(jié)構(gòu)在使用過程中應(yīng)實(shí)施定期嚴(yán)格的檢測監(jiān)護(hù)，并針對使用過程中出現(xiàn)的原有隱患明顯惡化或缺陷顯著發(fā)展等危及廠房安全正常使用問題，及時制定相應(yīng)的應(yīng)急處理方案(或局部臨時加固方案)，以確保廠房、設(shè)備和工作人員的安全。

1 工程概況

某廠煉鋼主廠房原料跨于1970年由原冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，中國第十九冶金建設(shè)集團(tuán)公司施工，并分別為1979年、1990年和2005年三次擴(kuò)建，均由原冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)。原料跨跨度為27.0 m，基本柱距為12.0 m，總長340 m，建筑面積為9622.0 m2。廠房原料跨戊己列①軸～⑥軸線范圍為單層單跨鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，其中戊列部分上柱為鋼結(jié)構(gòu)，⑦軸～⑧軸線范圍為單層三跨鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu);內(nèi)部平臺標(biāo)高在9.000 m以上為鋼框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)高在9.000 m以下為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu);設(shè)有5臺A7級工作制橋式軟鉤吊車，額定起重量均為200 t。目前，廠房結(jié)構(gòu)按7度進(jìn)行抗震設(shè)防，場地土按Ⅱ類考慮。

2 廠房結(jié)構(gòu)目前存在的主要問題

部分排架柱上、下柱平面內(nèi)靜態(tài)變形量已超過國家現(xiàn)行規(guī)范[1，2]所規(guī)定的允許值，平面內(nèi)傾斜處于不穩(wěn)定狀態(tài)，排架柱基礎(chǔ)的沉降處于不穩(wěn)定狀態(tài);軌道平行度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求;吊車梁上翼緣與腹板連接焊縫出現(xiàn)裂縫，吊車梁腹板上部加勁肋切角處出現(xiàn)縱向裂紋，吊車梁上翼緣與橫向加勁肋連接焊縫出現(xiàn)裂縫，制動板板間連接焊縫發(fā)生開裂，排架柱肩梁蓋板與下柱連接焊縫出現(xiàn)開裂;吊車梁下翼緣與柱肩梁之間的連接螺栓出現(xiàn)松動、缺失現(xiàn)象;吊車梁端橫肋之間的防松螺栓出現(xiàn)銹蝕、松動及缺失現(xiàn)象;個別固定吊車軌道的壓板設(shè)置不合理(寬度偏小、開槽)，加之部分固定吊車軌道的螺栓存在松動、缺失現(xiàn)象;吊車軌道連接處出現(xiàn)“啃軌”現(xiàn)象;吊車梁下翼緣與輔助桁架下弦之間所設(shè)置的水平支撐部分?jǐn)嗔鸦蛉藶閾p壞。各處裂縫圖如圖1～圖4所示。

圖1 吊車梁上翼緣與腹板連接焊縫出現(xiàn)裂縫圖

圖2 排架柱肩梁蓋板與下柱連接焊縫出現(xiàn)開裂圖

圖3 螺栓松動缺陷圖

圖4 吊車軌道的壓板設(shè)置缺陷圖

細(xì)觀裂縫一旦擴(kuò)展至表面成為宏觀裂縫，焊縫中的殘余應(yīng)力將失去作用，此時裂縫尖端的應(yīng)力集中更加嚴(yán)重，吊車的循環(huán)作用將導(dǎo)致裂縫繼續(xù)發(fā)展。為消除裂縫尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)，應(yīng)采用鉆止裂孔方案對其進(jìn)行加固處理?，F(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，非鉆孔施工致使止裂孔內(nèi)壁不夠光滑，難以達(dá)到預(yù)期加固效果，同時進(jìn)一步對吊車梁腹板進(jìn)行了削弱。

3 原因分析

排架柱平面內(nèi)傾斜處于不穩(wěn)定狀態(tài)很大程度上是由于測試時吊車是否滿載以及所處的工作位置，加之人為測試誤差所致。至于是否存在排架柱及其地基基礎(chǔ)自身缺陷原因而導(dǎo)致的平面內(nèi)傾斜不穩(wěn)定發(fā)展，待后續(xù)的測試分析進(jìn)行確認(rèn)。至于出現(xiàn)“啃軌”現(xiàn)象，很大程度上是由于軌道軌距偏差較大及其連接處自身缺陷所致，建議根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整軌距并改善連接。

吊車梁的實(shí)際工作狀況與計(jì)算假定往往不一致。吊車梁并非是一單獨(dú)構(gòu)件，它與制動結(jié)構(gòu)、輔助桁架、水平和垂直支撐共同構(gòu)成一個空間結(jié)構(gòu)，吊車梁雖然是按簡支梁設(shè)計(jì)的，但是相鄰吊車梁之間往往在支座處通過螺栓相連，使吊車梁端部承受一定的負(fù)彎矩，同時連續(xù)的軌道也會承受一定的負(fù)彎矩，這些彎矩往往會造成吊車梁端部的連接螺栓、軌道以及軌道的固定螺栓破損。同時，吊車的實(shí)際荷載常超過計(jì)算取值。由于軌道不平或吊車橋架偏差等原因，吊車輪壓往往不等，個別輪壓有時可達(dá)計(jì)算取值的1.3倍以上，輪壓的動力系數(shù)也常超過設(shè)計(jì)取用的動力系數(shù)。另外，由于吊車輪水平偏斜、軌距變化和地基沉降、柱傾斜等原因，吊車的橫向水平荷載也大于設(shè)計(jì)取值[3]。

在連續(xù)反復(fù)荷載的多次或長期作用下，鋼材在其應(yīng)力還低于抗拉強(qiáng)度甚至屈服點(diǎn)時會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，這種鋼材裂紋在循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用下不斷擴(kuò)展，直至截面達(dá)到臨界尺寸而突然斷裂的破壞形式，稱為疲勞破壞，其主要影響因素包括:鋼材的內(nèi)部缺陷，循環(huán)應(yīng)力的特征。內(nèi)部缺陷來源于鋼材的生產(chǎn)和構(gòu)件的制作過程，一般難以避免。循環(huán)應(yīng)力來源于吊車、車輛等荷載的反復(fù)作用，一般以應(yīng)力比、應(yīng)力幅、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)等描述，往往與應(yīng)力集中產(chǎn)生的高峰應(yīng)力、熱作業(yè)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力等有關(guān)。至于吊車梁及柱肩梁相關(guān)部位出現(xiàn)的疲勞裂縫(裂紋)，主要是以下3個方面因素的綜合作用:

1)由于軌道和吊車梁的制造誤差、安裝偏差及吊車的運(yùn)行偏差等因素，造成了吊車的垂直輪壓對腹板中心的偏心，偏心輪壓將產(chǎn)生較大的附加彎曲應(yīng)力;

2)吊車小車啟動與剎車及大車車輪卡軌均會產(chǎn)生橫向水平力，在吊車梁腹板上部及其他相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件形成水平向剪應(yīng)力;

3)初始缺陷的存在，導(dǎo)致材料在使用前焊縫中已經(jīng)形成極小的微裂縫，加之在焊接過程中，焊縫中存在垂直于焊縫的殘余拉應(yīng)力(這種殘余應(yīng)力往往很大，甚至?xí)^母材的屈服強(qiáng)度)。裂縫一旦擴(kuò)展至表面成為宏觀裂縫，焊縫中的殘余應(yīng)力將失去作用，此時裂縫尖端的應(yīng)力集中更加嚴(yán)重，吊車的循環(huán)作用將導(dǎo)致裂縫繼續(xù)發(fā)展。

4 加固處理方案與建議

雖然部分排架柱上柱、下柱的平面內(nèi)靜態(tài)變形(傾斜)超出國家規(guī)范要求，被評為C級，但考慮到其很大程度上屬于廠房建設(shè)時的施工誤差較大所致，故暫可不進(jìn)行糾偏處理，建議繼續(xù)進(jìn)行定期監(jiān)護(hù)措施觀察其變形(傾斜)發(fā)展情況。若變形(傾斜)不再發(fā)展，則可不予處理即可保證結(jié)構(gòu)安全正常使用;若變形(傾斜)顯著發(fā)展，則應(yīng)進(jìn)行糾偏處理。

依據(jù)檢測結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，調(diào)整原料跨軸線處兩列軌道之間的軌距超出國家規(guī)范的部分，并改善吊車軌道的連接，以避免或緩解吊車大車的啃軌(甚至卡軌)現(xiàn)象，確保吊車安全正常運(yùn)行。

采用鉆止裂孔、(剔出后)重焊開裂的焊縫并增設(shè)小肋板方案，對廠房原料跨吊車梁上翼緣與腹板連接焊縫的裂縫進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)缺加固處理。

采用鉆止裂孔、貼焊鋼板并增設(shè)小肋板方案，對廠房原料跨吊車梁腹板上部(加勁肋切角處)的縱向裂紋進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)缺加固處理。

采用對稱貼焊等肢角鋼方案，對廠房原料跨吊車梁上翼緣與橫向加勁肋連接焊縫的裂縫進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)缺加固處理。

雖然制動板板間連接焊縫發(fā)生開裂，但考慮到其主要用來承受橫向水平荷載，可不予處理即可保證結(jié)構(gòu)安全正常使用。

采用鉆止裂孔、(剔出后)重焊開裂的焊縫并增設(shè)斜板方案，對廠房原料跨排架柱肩梁的焊接裂縫進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)缺加固處理。

修復(fù)吊車梁下翼緣與柱肩梁之間松動、缺失的連接螺栓;更換吊車梁端橫肋之間已銹蝕、松動及缺失的防松螺栓;檢查修復(fù)松動、損壞的固定吊車軌道的螺栓和壓板，以消除吊車軌道的滑動現(xiàn)象。

更換吊車梁下翼緣與輔助桁架下弦之間斷裂或人為損壞的水平支撐。

另外，積極關(guān)注本地區(qū)的地震信息，若有震情尤其是破壞性地震預(yù)報(bào)，應(yīng)采取停產(chǎn)、及時疏散工作人員等應(yīng)急措施。

5 結(jié)語

由于煉鋼廠房結(jié)構(gòu)需常年承受較大的使用吊車荷載，且受到各種內(nèi)外在因素的影響，必然容易出現(xiàn)各種質(zhì)量問題，如吊車梁承載力不足、排架柱傾斜等，導(dǎo)致其無法滿足安全使用的要求。因此，對該結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)平日的維護(hù)和檢測，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時進(jìn)行加固處理，以免超負(fù)荷使用而造成安全事故。

[1]JGJ 8-2007，建筑變形測量規(guī)范[S].

[2]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]姚繼濤，馬永欣.建筑物可靠性鑒定和加固[M].北京:科學(xué)出版社，2006.