浮式煤码头桁架式钢引桥加固补强方案

姚太均 王俊杰 张 煜

1 宜昌港务集团有限责任公司 2 武汉理工大学交通与物流工程学院

1 引言

某浮式专用煤炭进口码头，船岸间通过42 m钢引桥连接，皮带机架设在钢引桥上。码头前沿原设计为一艘5 t浮式起重机(以下简称浮吊)，利用抓斗抓取货物，回转180°后将货物卸至钢引桥皮带机受料斗，通过钢引桥皮带机将货物输送至岸上货场，皮带宽1 m，带速为2 m/s，码头综合台时效率约为200 t。随着货物进口量的增长，原码头设计能力已不能满足生产作业需要，需对码头进行扩能改造。拟将码头卸船浮吊由5 t浮吊更换为10 t浮吊，浮吊回转幅度由180°减为90°，提高效率。在浮吊船上增设皮带机，将货物输送给钢引桥上皮带机后，再经过货场皮带机至堆场。同时将原码头皮带机带宽由1 m增加到1.2 m，带速提升为2.5 m/s，使码头综合台时效率达到400 t以上。码头作业工艺为：货船→10 t浮吊船→浮吊船受料斗→浮吊船皮带机→钢引桥皮带机→货场皮带机→货场上高机→堆场。

该浮式码头船岸间的钢引桥已使用了近15年，扩能改造时需对刚引桥进行预应力卸载及其维修加固[1-2]。由于该码头位于某化工厂排污口，钢引桥腐蚀十分严重，部分杆件厚度只有原来的60%左右，已达到中级危旧桥梁的标准，钢引桥的承载能力、安全性下降。如果在运行荷载不中断的情况下，再叠加施工荷载、切割打磨受损构件、焊接热处理等影响，桥体的安全风险较高。此次改造皮带机加宽后，钢引桥的荷载增加，强度需要重新验算，若强度不足，需提出加固补强方案，确保钢引桥的结构安全。

2 钢引桥强度校核计算

2.1 原钢引桥参数

该钢引桥为桁架式结构，主梁型式采用平行弦桁架式双主梁，跨度为42 m，材料为Q235A型钢，钢引桥两端采用弧形滑动铰支座，基本尺寸见图1。

图1 原钢引桥基本尺寸

设计载荷：皮带机载荷为3 kPa；人群载荷2 kPa；风雪载荷 0.5 kPa。桥面系采用板式格梁构造，布置有纵梁和横梁，采用上平面等高连接。横梁为主承重梁，跨度4.0 m，纵向间距3.5 m，布设并支承于两片主桁架内侧。纵梁为副承重梁，跨度3.5 m，水平间距0.7 m，等距布置。为增强钢引桥的横向抗扭强度，在两片主桁架下弦杆之间，布设下弦纵向联结系，成X型交叉腹杆，简称下平纵联；为保证钢引桥上弦杆横向稳定性，在两主桁架上弦杆之间布设上弦纵向联结系，成X型交叉腹杆，简称上平纵联。

主要部件用材如下：桥面面板为5 mm钢板；纵梁、横梁为I20工字钢；主桁架的上弦杆为2L160×100×10不等边角铁，下弦杆为2L125×125×10等边角铁，斜腹杆为2L140×140×10等边角铁，竖腹杆为2L80×80×6等边角铁；纵向联结系的下平纵联为L90×90×6等边角铁，上平纵联为L100×100×8等边角铁。

2.2 桥面系设计强度验算

为满足码头改造后的作业工艺要求，对原钢引桥桥面系设计的桥面板、纵梁、横梁、端横梁强度进行了验算，具体验算数据见表1。通过验算，原钢引桥桥面系设计的桥面板、纵梁、端横梁强度均符合码头改造后的作业工艺要求。

表1 桥面设计强度验算表

2.3 主桁架设计强度验算

计算跨度42 m，节点长度3.5 m，桁架高度3.5 m，桥面宽度4.0 m，计算简图见图2。表2为杆件内力计算表，表中受拉力为正，受压力为负；表3为杆件截面验算表。通过以上验算，原钢引桥主桁架设计的下弦杆、斜腹杆、竖腹杆强度均符合码头改造后的作业工艺要求；原钢引桥上弦杆件选用2根不等边角铁160×100×10的总截面积为50.6 cm2，不能满足皮带机加宽后的强度要求，需要进行加强处理。

图2 杆件内力计算简图

表2 杆件内力计算表

表3 杆件截面验算表

2.4 纵向联结系强度验算

对原钢引桥纵向联结系的上、下平纵联强度进行验算，因上平纵联强度验算计算与下平纵联相同，故此取下平纵联进行强度验算。

经计算下弦杆产生的最大应力为237.83 MPa，不满足强度要求。因此，下弦杆肯定会失稳，危及整个结构安全。为此，原钢引桥在两桁架下弦设立交叉腹杆抵抗横向风荷载，计算斜腹杆最大拉力为174.33 kN，所需角铁总截面积为10.25 cm2，原等边角铁90×90×6可满足1.2 m皮带作业要求。上平纵联强度验算计算与下平纵联相同，原钢引桥设计采用等边角铁100×100×8的总截面积为15.6 cm2，满足1.2 m皮带作业要求。

通过以上验算，原钢引桥纵向联结系的上、下平纵联强度验算均符合码头改造后的作业工艺要求，不需要进行加强处理。

2.5 其他验算

该钢引桥仅将皮带加宽，对其他构件无任何影响，故钢引桥的整体挠度、节点焊缝强度、支座强度等方面不需要重新进行验算，均满足现在生产作业工艺要求。

通过以上的验算，将该钢引桥皮带由1 m改为1.2 m后，由于荷载发生变化，且钢引桥部分杆件锈蚀严重，造成钢引桥主桁架部分的上弦杆强度不能满足规范要求，需要进行补强，其余均满足规范要求。

3 钢引桥补强加固设计与施工

经验算，原钢引桥主桁架上弦杆FG杆不能满足规范要求，需进行补强处理。考虑到上弦杆腐蚀极其严重，此次加强计算截面积只能按50%考虑，同时需对上弦杆其他杆件进行强度验算，计算结果见表4。

表4 杆件补强计算表

根据以上计算，为了减轻钢引桥的重量，节约钢材用量，钢引桥D、E、F、G节点处采用钢板焊接成箱体，直接焊在节点处连接钢板上(见图3)。箱体垂直弦杆方向板高160 mm，宽190 mm，钢板厚10 mm；平行弦杆方向板高130 mm，宽200 mm，钢板厚14 mm；箱体顶面封板长200 mm，宽150 mm，钢板厚10 mm。

图3 钢引桥加固处理施工图

BC、CD杆选用1根14槽钢进行补强，为了便于施工，将槽钢开口向下，扣在原角铁面上，采用满焊方式与原角铁焊牢固，与原角铁共同受力(见图3b)。DE、EF、FG杆选用2根14槽钢，提前将2根槽钢开口方向进行对焊，焊成箱型梁，再将箱型梁与钢引桥角铁面焊接，达到补强目的(见图3c)。

由于该钢引桥皮带机已安装到位，并受到周边环境和场地限制，已不可能将钢引桥将其拆除，只能在现场进行加固。钢引桥除原两端支撑点外，其他部位无法进行临时支撑。钢引桥在受力情况下进行焊接加固，存在很大的施工风险，如果不严格按要求进行施工焊接，极有可能发生钢引桥整体跨塌的重大事故。

施工时，采用对称施焊方式对钢引桥两主桁架进行加固，先只焊节点，加固横梁采用两主桥架左右对称、江侧和岸侧对称的加固方式。待全部节点焊接完成，将钢引桥上弦全部加固完成后，将各杆件均分为4等份，每个等份点处施焊，焊脚10 mm，焊缝长120 mm。焊接加固完成后，进行除锈，做好防腐工作，最后在加固杆件与上弦杆处采用结构胶密封。

4 结语

该浮式煤码头42 m桁架式钢引桥皮带由1 m宽增加至1.2 m，带速由2 m/s提高到2.5 m/s，生产效率提高近1倍，钢引桥的荷载发生相应变化。通过计算分析，提出了钢引桥加固补强方案。改造后，该码头已运行半年，钢引桥没有发生任何变形，皮带机运行平稳，表明该方案切实可行，可为类似码头钢引桥加固提供参考。