網(wǎng)架輸料棧橋結(jié)構(gòu)加固設計

Da CRUZ Nick Harel Olohounloniaye, 黃 亮

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

1 工程概況

目前，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)技術得到了廣泛的應用。 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有重量輕，剛度大，抗震性能好的特點，使其在體育館、加油站、展覽館、機場等大型建筑物的建設中占有很大的比例。 由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)常采用較為理想的優(yōu)化設計理論，在實際使用條件變動或受到偶然荷載的作用時，常常導致網(wǎng)架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分受壓桿件屈曲，甚至導致承載能力不足而發(fā)生坍塌。但在結(jié)構(gòu)個別或部分構(gòu)件喪失承載能力、變形過大的情況下，對結(jié)構(gòu)進行加固處理，仍然可以取得較好的經(jīng)濟效益[1]。

本工程為水泥廠物料運輸路徑中60 m長的網(wǎng)架棧橋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上部為拱架結(jié)構(gòu)，下部為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。原結(jié)構(gòu)設計為綜合利用上部拱架的結(jié)構(gòu)剛度，使上部拱架和下部網(wǎng)架協(xié)同受力并作為整體進行聯(lián)算。但在實際施工中，上下結(jié)構(gòu)之間采用了較弱的單螺栓鉸接連接，如圖2所示。同時，施工過程中忽略了施工階段的狀態(tài)變化與實際的時變累計變形，如圖3所示。完工后，結(jié)構(gòu)上下部分的初始工作狀態(tài)并不同步，因此，原結(jié)構(gòu)設計高估了拱架的結(jié)構(gòu)剛度貢獻。加上結(jié)構(gòu)設計時，缺乏對物料輸送過程動力作用的科學評價，導致結(jié)構(gòu)實際使用時同時出現(xiàn)撓度變形過大、振感明顯兩個問題，直接影響了結(jié)構(gòu)的正常使用；經(jīng)驗算分析，甚至可能影響結(jié)構(gòu)的安全性。未解決這一問題，文中將采用三種加固方法對結(jié)構(gòu)加固，并分析比較得出最終的采用方案。

圖1 結(jié)構(gòu)示意

圖2 上下部結(jié)構(gòu)單螺栓鉸接示意

(a)網(wǎng)架拼裝

(b)網(wǎng)架起吊安裝

(c)在網(wǎng)架上進行拱架安裝圖3 結(jié)構(gòu)施工中的撓度變形累積

2 網(wǎng)架加固方案

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)加固的方法有很多，目前較常用的加固方法有：改變網(wǎng)架支承、替換局部構(gòu)件、增加構(gòu)件、增加壓桿附加支撐、球節(jié)點外側(cè)加焊加勁肋、引入體外預應力等。這些方法在工程當中都得到多次具體的應用，具有較好的應用效果。

通過對現(xiàn)場調(diào)查分析調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該工程的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)存在的主要缺陷是：實際剛度與結(jié)構(gòu)計算剛度之間的不一致導致實際結(jié)構(gòu)的變形過大。

綜合考慮施工場地、構(gòu)件損傷情況、經(jīng)濟安全性等方面，本工程擬通過以下方法對結(jié)構(gòu)進行加固：(1)改變網(wǎng)架支承：為增加結(jié)構(gòu)整體的剛度，對上部拱架與下部網(wǎng)架之間的連接進行加固，改為剛性連接，如圖4(a)所示；(2)增加構(gòu)件：由于下部網(wǎng)架是結(jié)構(gòu)的主承載結(jié)構(gòu)，且網(wǎng)架周圍施工難度大，因此不宜對下部網(wǎng)架進行焊接作業(yè)，而上部拱架由于施工便利，可通過增加上部拱架的斜支撐來加強結(jié)構(gòu)剛度，如圖4(b)所示；(3)引入體外預應力：預應力加固法能夠有效增加結(jié)構(gòu)剛度，改善了原結(jié)構(gòu)的變形能力；通過對原結(jié)構(gòu)施加預應力，可以直接調(diào)節(jié)原結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件內(nèi)里峰值，改善原結(jié)構(gòu)的受力性能；同時，該法布置靈活，適應性強；施工簡單快捷[2]，如圖4(c)所示。

(a)改變支承

(b)增加支撐

(c)引入預應力圖4 加固方案

3 加固方案計算

為評價加固效果，計算實際結(jié)構(gòu)模型(獨立承載模型)和三種加固方案。結(jié)構(gòu)計算使用有限元分析程序MIDAS/GEN V835進行計算。

3.1 計算機模型和材料

根據(jù)所提出的加固方案，建立實際結(jié)構(gòu)模型(網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單獨承載與實際情況接近)和三種加固方案的計算模型。

模型1：原結(jié)構(gòu)模型(網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單獨承載)進行受力分析。計算模型如圖5所示。

模型2：對上部拱架與下部網(wǎng)架之間的連接進行加固處理后的整體承載模型進行受力分析。計算模型如圖6所示。

模型3：在整體承載模型的基礎上，對采用上部拱架添加斜撐加固后的模型進行受力分析。計算模型如圖7所示。

模型4：在整體承載模型的基礎上，對采用添加預應力索及拉桿對網(wǎng)架進行加固后的模型進行受力分析。計算模型如圖8所示。

圖5 模型1-實際結(jié)構(gòu)模型

圖6 模型2-整體受力模型

圖7 模型3-斜支撐加固模型

圖8 模型4-預應力錨索加固模型

結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要為Q235和Q345鋼。材料性能以GB/T700 碳素結(jié)構(gòu)鋼標準為基礎。

3.2 荷 載

計算中僅考慮了恒載及活載，不考慮風荷載、溫度作用及地震作用等。

3.2.1 恒載

結(jié)構(gòu)自重由程序自動計算，乘以1.1的放大系數(shù)來考慮螺栓球等的影響。傳輸帶自重包括皮帶自重、輸送機托輥架自重、電纜盤自重等，根據(jù)提供數(shù)據(jù)為340 kg/m，傳送帶自重考慮其實際受力情況，采用集中力以及梁單元荷載兩種方式進行添加。

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在獨立承載承載模型中，拱架自重以集中力方式施加在模型上弦節(jié)點。

3.2.2 活載

根據(jù)甲方提供資料，活荷載值見表1。

表1 活荷載值 kg·m-1

將活荷載采用集中力的方式添加到模型上弦節(jié)點。

在模型4中預應力索添加30 t的初始預應力。

3.3 邊界設置

在模型計算中有支座約束(網(wǎng)架支座、鋼絲繩支座)、剛性連桿、釋放梁端約束幾種邊界條件存在。

(1)支座約束。在結(jié)構(gòu)兩端的節(jié)點三個方向x、y和z施加平移約束。對鋼絲繩兩端共4個節(jié)點施加x、y、z三個方向的平動約束。

(2)剛性連桿。上部拱架結(jié)構(gòu)與下部網(wǎng)架之間的連接采用剛性連桿。

(3)釋放梁端約束。對上部拱架結(jié)構(gòu)中的槽鋼與H型鋼之間的連接以及縱向系桿與弧形管之間的連接采用鉸接形式。

4 計算結(jié)果分析

計算模型1～4，并收集關鍵數(shù)據(jù)并匯總?cè)缦卤?所示。

為方便觀察加固方案的實際效果，根據(jù)表格數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)應力、撓度、最大應力比以及最大應力比超限根數(shù)等數(shù)據(jù)進行整理，得到最大拉壓應力曲線(圖9)、撓度值曲線(圖10)、超限構(gòu)件數(shù)量曲線(圖11)以及最大應力比數(shù)值曲線(圖12)。

表2 計算結(jié)果對比

注：ρmax為截面所在桿的最大應力比。

圖9 最大拉力和壓力曲線變化

圖10 撓度變化

圖11 超限構(gòu)件數(shù)量曲線

圖12 最大應力比曲線

從加固方案計算結(jié)果以及圖9～圖12可以看出：

(1)與原結(jié)構(gòu)相比，在整體模型(模型2)的基礎上加斜支撐，結(jié)構(gòu)的撓度降低了約10 %，但與此同時，最大應力比和結(jié)構(gòu)的應力比超過極限明顯不改變。

(2)與原結(jié)構(gòu)(模型1)相比，斜支撐加固模型(模型3)的剛度增加。撓度從132 mm減少到124 mm; 除了1#截面相關桿件的最大應力比由1.9降低1.1，降低幅度42 %，其余截面相關桿件的最大應力比幾乎沒有變化，結(jié)構(gòu)應力超限嚴重的現(xiàn)狀仍然存在，加固效果不甚明顯，且此種加固方式現(xiàn)場焊接量大，施工較為困難。

(3)與原結(jié)構(gòu)(模型1)相比，預應力錨索拉桿加固模型(模型4)的剛度顯著增加。在恒載與活載的作用下結(jié)構(gòu)撓度由132 mm減小到101 mm，下降幅度達到25 %，下降明顯；桿件應力比及超限桿件數(shù)量均顯著減小，其中，原結(jié)構(gòu)超限截面中的1#截面相關桿件最大應力比由1.9減小到0.9，下降幅度為53 %；2#截面相關桿件最大應力比由1.6減小到1.3，下降幅度為19 %；3#截面相關桿件最大應力比由1.7減小到1.4，下降幅度為18 %；4#截面相關桿件最大應力比由1.7減小到0.9，下降幅度為47 %。原結(jié)構(gòu)未超限的5#～8#截面的最大應力比也有降低。超限桿件數(shù)量由32根減少到10根，加固效果十分明顯。

綜上所述，預應力加固方法對本項目網(wǎng)架棧橋的加固具有較好的效果。

5 結(jié)論

通過對3種加固方案的計算分析可以發(fā)現(xiàn)，預應力加固方法較其它兩種方法具有更好的加固效果。此法不僅能改善當前結(jié)構(gòu)剛度較小的實際情況，對于撓度的控制也有明顯貢獻。同時，此方法現(xiàn)場焊接作業(yè)少，施工難度大大降低，且對當前結(jié)構(gòu)的負面影響小。若通過與套管加固法等加強桿件的方法聯(lián)用，將會取得更好的加固方法。因此是本項目首選的加固方法，也是類似項目的首選方法。