某鋼結(jié)構(gòu)棧橋變形異常問(wèn)題分析

劉 軼

(中冶檢測(cè)認(rèn)證有限公司,北京 100088)

1 項(xiàng)目信息

某電廠鋼結(jié)構(gòu)棧橋始建于20世紀(jì)80年代末,由外方設(shè)計(jì)供貨,距今已使用近40 a,因年代久遠(yuǎn),完整的設(shè)計(jì)圖紙和施工記錄已查閱不到。棧橋東西向總長(zhǎng)度61.992 m,設(shè)兩個(gè)支架,上部結(jié)構(gòu)被分為桁架HJ-1,HJ-2,HJ-3三段,長(zhǎng)度分別為18.791 m,23.59 m,18.791 m,伸縮縫間距0.41 m,棧橋南北橫向?qū)挾?.25 m。棧橋主體結(jié)構(gòu)為H型鋼上下弦桁架結(jié)構(gòu)體系,下弦標(biāo)高約40 m,單榀桁架高度為5 m,節(jié)間長(zhǎng)度3.932 m。支架為雙肢擴(kuò)大頭式搖擺鋼結(jié)構(gòu)支架,高度約40 m,柱肢間距在頂部為8.25 m,中間最窄處5 m,底部8.4 m。棧橋全封閉保溫樓屋面和保溫墻板,棧橋內(nèi)有兩條煤炭皮帶輸送機(jī)。

經(jīng)檢測(cè),鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)可等效為中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)Q235,構(gòu)件截面尺寸:桁架上下弦桿H300×300×12×21,豎腹桿H180×180×10×15,斜腹桿L100×10,端剛架立柱及橫梁H300×300×12×21,上弦水平橫撐H150×150×7×10,水平交叉撐口100 mm×10 mm,下弦水平橫撐H300×300×12×21,水平斜撐L100×10;支架雙柱肢H690×600×15×25,斜桿H200×200×10×16,橫撐H190×190×10×10,肩梁H690×600×15×25。鋼結(jié)構(gòu)棧橋空間布置圖如圖1所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

棧橋目前的生產(chǎn)和使用均正常,但存在主體桁架HJ-2上下弦撓度異常,支架ZJ-1沿棧橋縱向有明顯的平面外彎曲傾斜,其頂部肩梁在南側(cè)的端部橫向加勁板有屈曲損傷的情況。對(duì)檢測(cè)后的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,選取變形較大的桁架HJ-2(如圖2所示)上下弦的撓度值見(jiàn)表1,支架ZJ-1兩柱肢的垂偏值見(jiàn)表2。

表1 桁架HJ-2上下弦撓度實(shí)測(cè)值 mm

表2 支架ZJ-1雙柱肢垂偏實(shí)測(cè)值 mm

受制于檢測(cè)手段、儀器的精度以及場(chǎng)地條件,且結(jié)構(gòu)初始有無(wú)反拱、施工誤差等歷史信息無(wú)法掌握,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)測(cè)值并不能作為構(gòu)件真實(shí)撓度或垂偏的精確值,但是變形的總體狀態(tài)和分布還是可以說(shuō)明問(wèn)題,上下弦桿件的撓度比較大(最大171 mm,最小114 mm),正常情況下,該跨度下桁架的撓度值僅20 mm左右,支架ZH-1有明顯的彎曲變形,最大值達(dá)到194 mm。

實(shí)地觀察未發(fā)現(xiàn)有樓面積料、屋面積灰等超載的現(xiàn)象,向業(yè)主調(diào)查了解得知,歷史上棧橋也未曾有過(guò)超載、改擴(kuò)建等情況,也沒(méi)有遇到明顯地震、強(qiáng)風(fēng)暴雪等自然災(zāi)害,所以初步判斷該變形可能在棧橋施工時(shí)已經(jīng)發(fā)生并已存在近40年,并不是在后期使用過(guò)程中因超載或其他外部效應(yīng)等因素導(dǎo)致承載力不足造成的結(jié)構(gòu)損傷?，F(xiàn)狀的變形已超規(guī)范容許的變形量,桁架的允許變形量為L(zhǎng)/400(約60 mm),過(guò)大的變形會(huì)導(dǎo)致桁架上下弦桿件不再是普通的二力桿,而變?yōu)閴簭?上弦)和拉彎(下弦)構(gòu)件,支架柱的允許變形量為L(zhǎng)/1 000(約40 mm),支架雖然是搖擺柱設(shè)計(jì),但過(guò)大的彎曲使得附加彎矩將不能被忽略。為了評(píng)價(jià)桁架整體的安全性,需要在不增加額外荷載和約束的前提下,合理考慮現(xiàn)狀的變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

3 桁架HJ-2現(xiàn)狀變形的擬合

棧橋桁架的豎桿和支撐節(jié)點(diǎn)板原設(shè)計(jì)均為高強(qiáng)螺栓連接,但在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)較多支撐節(jié)點(diǎn)板處存在栓孔無(wú)法全部對(duì)位安裝,甚至有因弦桿變形導(dǎo)致部分支撐桿件的長(zhǎng)度不足無(wú)法螺栓連接,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)板全部改為焊接連接的情況,基于此現(xiàn)象,推測(cè)可能受制于當(dāng)年起重機(jī)械能力、場(chǎng)地空間極端狹小等原因,桁架可能在地面拼裝階段或整體吊裝施工時(shí),支撐并沒(méi)有全部安裝到位。由于沒(méi)有形成完整的桁架受力體系,桁架桿件的自重導(dǎo)致了上下弦的現(xiàn)狀變形。

結(jié)合上下弦撓度的大小以及端鋼架的變形方向,建立桁架HJ-2簡(jiǎn)化的平面單榀桁架模型,為了考慮缺少不同數(shù)量的支撐的各類(lèi)情況,模型按變形最不利的情況,共計(jì)15個(gè),其中模型1-3為僅安裝到位1根,模型4-9為2根,模型10-15為3根,各模型的支撐分布情況見(jiàn)圖3。通過(guò)分步施工對(duì)各模型擬合的變形與現(xiàn)狀變形對(duì)比,找出最可能未安裝支撐的情況。分步施工的荷載假定:第一階段為部分支撐未安裝時(shí),桁架僅承擔(dān)已安裝構(gòu)件的自重,第二階段為所有支撐安裝到位,桁架繼續(xù)承擔(dān)平臺(tái)內(nèi)、屋面、墻面的自重及所有活荷載,荷載取值如下:1)恒載:通廊平臺(tái)1 kN/m2,屋面0.45 kN/m2,墻面0.35 kN/m2;2)活荷載:通廊平臺(tái)2 kN/m2,皮帶設(shè)備線荷載取4.45 kN/m,屋面0.5 kN/m2。15種模型在第一、二階段的變形結(jié)果如圖4,圖5所示。

通過(guò)分析,模型1-3,7-9變形過(guò)大,部分桿件已達(dá)到塑性階段甚至破壞,與現(xiàn)狀不符,模型3-6,11-15撓度值偏小,計(jì)算最大約118 mm,考慮最不利情況綜合來(lái)選擇,模型10(右側(cè)有3個(gè)支撐未在第一階段安裝)的撓度值與現(xiàn)狀較匹配,計(jì)算值為182 mm,與實(shí)測(cè)值的偏差可能來(lái)源于理論計(jì)算的荷載無(wú)法與真實(shí)的荷載大小分布完全一致。采用同樣的辦法對(duì)桁架HJ-1,HJ-3的現(xiàn)狀變形擬合,在第一階段,桁架HJ-1左側(cè)有2個(gè)支撐,桁架HJ-3右側(cè)2個(gè)支撐可能未安裝。

4 支架ZJ-1現(xiàn)狀變形的擬合

桁架沿縱向僅設(shè)置2片搖擺支架,整體結(jié)構(gòu)在縱向的剛度最弱,從結(jié)構(gòu)體系上看,支架的平面外彎曲應(yīng)該屬于低階的整體屈曲模態(tài),可以在計(jì)算軟件中比較方便的確定,然后按整體初始幾何缺陷輸入數(shù)值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)柱肢現(xiàn)狀的擬合,進(jìn)而在整體計(jì)算中考慮附加彎矩的影響。本項(xiàng)目屈曲工況計(jì)算得到的整體第一階屈曲模態(tài)見(jiàn)圖6。

5 考慮現(xiàn)狀變形的整體分析

基于以上對(duì)現(xiàn)狀變形的分析及準(zhǔn)備工作,建立鋼結(jié)構(gòu)棧橋上部桁架、下部支架的整體空間有限元模型,分析采用直接分析法[1],桁架現(xiàn)狀變形按簡(jiǎn)化模型10采用分階段施工擬合,支架ZJ-1采用整體初始幾何缺陷擬合,分析考慮二階P-Δ效應(yīng)和P-δ效應(yīng)、構(gòu)件的初始缺陷,計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)均取1。模型共計(jì)146個(gè)節(jié)點(diǎn),340個(gè)框架單元,8個(gè)連接單元,桁架與支架處的節(jié)點(diǎn)采用固定約束以保證變形協(xié)調(diào)。除恒荷載、活荷載外,荷載取值和設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

1)基本風(fēng)壓:取0.4 kN/m2,地面粗糙度B類(lèi),風(fēng)振系數(shù)取1.8。2)基本雪壓:0.4 kN/m2。3)季節(jié)溫差:按±40 ℃考慮。4)抗震設(shè)防烈度:7度,基本加速度:0.1g,場(chǎng)地按二類(lèi)考慮。5)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí),結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類(lèi)別丙類(lèi),構(gòu)件抗震等級(jí)四級(jí)。

5.1 變形計(jì)算結(jié)果

計(jì)算后的變形見(jiàn)圖7,在空間模型中HJ-2上下弦的撓度值為172 mm,說(shuō)明模型可以較好地?cái)M合桿件的現(xiàn)狀變形。支架ZJ-1的初始幾何缺陷由程序前端輸入,附加上整體計(jì)算后的側(cè)向變形值,在最窄處其總和為200 mm,與現(xiàn)狀變形程度基本一致,說(shuō)明附加彎矩在模型中可以自動(dòng)考慮。

5.2 桁架彎矩計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上下弦桿件的彎矩分布圖(如圖8所示)可以看出,因無(wú)法形成完整的桁架體系,上下弦的桿件右半部分在第一階段接近純彎構(gòu)件,并沒(méi)有桁架的軸向力,在形成完整桁架并承擔(dān)大量的外部效應(yīng)后,桿件的傳導(dǎo)路徑滿足上下弦的拉壓桿件,其彎矩?cái)?shù)值與第一階段相差很小,只是增加了一些外部效應(yīng)產(chǎn)生的次彎矩,可以忽略。

5.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

棧橋桿件的應(yīng)力比見(jiàn)圖9,通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以分析得出:1)由于第一階段并未形成完整的桁架體系,上下弦桿件右側(cè)部分承擔(dān)了大部分桁架的自重,桿件產(chǎn)生了彎曲變形,再疊加上第二階段的其他荷載工況后,最終形成了壓彎和拉彎構(gòu)件。雖然桿件的變形量較大,應(yīng)力比[2]最大為0.933<1,說(shuō)明承載能力接近彈性極限,但強(qiáng)度及穩(wěn)定還是都能滿足承載力的要求。2)豎向桁架兩端部的支撐采用拉桿設(shè)計(jì),承擔(dān)了較大的拉力,按現(xiàn)行規(guī)范荷載計(jì)算,桁架HJ-1,HJ-2,HJ-3端部的支撐抗拉強(qiáng)度均處于高位(應(yīng)力比超過(guò)0.9),其中桁架HJ-2西側(cè)的端部支撐應(yīng)力比達(dá)到1.154>1,已不滿足要求,需要采取措施。3)由于彎曲產(chǎn)生的附加彎矩在支架ZJ-1最窄處分解導(dǎo)致橫向壓桿平面外受彎,應(yīng)力比為1.013<1/0.95,其承載力超出設(shè)計(jì)極限,桿件略低于國(guó)家現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的安全性要求,但不影響安全,可以不采取措施。

5.4 支架ZJ-1肩梁的南側(cè)端部橫向加勁肋分析

提取支座處最不利工況組合的節(jié)點(diǎn)反力,按圖10所示的加勁肋分析圖計(jì)算加勁肋的抗壓強(qiáng)度和局部穩(wěn)定,強(qiáng)度應(yīng)力比0.39<1,平面外穩(wěn)定強(qiáng)度比0.182<1,強(qiáng)度和穩(wěn)定均滿足承載力要求,判斷加勁肋屈曲并不是后期使用過(guò)程中因外部效應(yīng)等因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷。

6 結(jié)語(yǔ)

1)基于以上的模型計(jì)算和分析,后續(xù)為業(yè)主提供了桁架HJ-2和支架ZJ-1肩梁加勁肋的加固方案,提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載能力,增加安全度儲(chǔ)備。

2)對(duì)于新建項(xiàng)目的設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)的整體初始幾何缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是按照規(guī)范的要求通過(guò)第一階整體屈曲模態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,但對(duì)于既有建構(gòu)筑物已經(jīng)發(fā)生的現(xiàn)狀變形,是無(wú)法直接采用該辦法的,或者需要在大量的樣本模態(tài)中去尋找,計(jì)算量較大,匹配的工作更是煩瑣耗時(shí),所以只依靠屈曲模態(tài)去擬合現(xiàn)狀變形有時(shí)候并不完全適用。針對(duì)既有建筑的現(xiàn)狀變形特點(diǎn),結(jié)合實(shí)地觀察、調(diào)查了解、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、受力體系分析后,如果判斷其可能的變形原因后,通過(guò)分步施工的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變形的擬合是一個(gè)可行且比較實(shí)用的辦法,該辦法能更加真實(shí)有效的反映變形后結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的內(nèi)力分布和應(yīng)力情況。