某洗煤厂栈桥支架加固对策研究

赵维英 吴剑平

(1.山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021;2.天地金草田(北京)科技有限公司，北京 100013)

1 工程概况

山西天地王坡煤业有限公司选煤厂705胶带输送机通廊支架建于2004年，为五层框架结构，支架高27.3 m，其中框架柱为变截面柱，一层柱截面为1 200 mm×1 200 mm，二、三、四、五层柱截面为600 mm×600 mm;一层框架梁截面为400 mm×1 000 mm，其余各层均为300 mm×750 mm。使用过程中，由于煤泥堆积过高，且冬季煤泥结冰冻胀，导致二层以上4根框架柱全部产生倾斜，二、三层梁端部混凝土脱落，钢筋变形失效，其中二、三层框架梁产生较大的水平方向弯曲变形，见图1。

图1 支架破坏图

2 破坏机理分析

从现场破坏情况看，支架柱在二层以上倾斜程度较为明显，而支架梁的变形主要表现为水平方向的弯曲变形。结合煤泥堆积及冻胀的实际情况分析:

1)柱倾斜破坏机理。

煤泥堆积对柱身产生水平推力作用，同时煤泥在结冰的状态下对柱身产生水平冻胀力，使框架柱产生较大的弯矩，而框架柱在二层以上截面由1 200 mm×1 200 mm减小为600 mm×600 mm，抵抗水平变形的刚度不足，导致柱产生倾斜;特别是柱变截面处应力产生突变，导致该处节点为弱节点区域，容易使框架柱产生倾斜破坏。

2)梁变形破坏机理。

一方面由于柱的倾斜变形，在梁端产生沿梁纵向的附加水平推力;另一方面，煤泥的大量堆积对梁产生横向的水平推力，同时煤泥由于冻胀而对梁侧面产生水平推力，再加上竖向煤压及作用于梁底的法向冻胀力，使梁处于三向受力状态，改变了梁原有的破坏方式，使梁由梁构件的破坏模式转变为类似于柱构件的压弯破坏模式，导致梁产生“失稳”破坏。

3 加固方案

3.1 加固原则

针对结构构件破坏情况，采用中国建筑科学研究院的PKPM软件进行承载力复核验算，采用支架的初始状态进行建模。验算所采用的参数分别为:

1)混凝土强度为C30。

2)抗震设防烈度6度，基本地震加速度为0.05g，基本风压0.5 kN/m2。

3)支架支座反力恒载170 kN、活载150 kN以及一、二层梁上煤压140 kN/m、三、四层梁上煤压95 kN/m，同时需考虑皮带运行对支架顶端产生的水平拉力225 kN。

复核验算结果表明:在初始状态下，结构基本能满足规范及设计使用要求。该结果说明在皮带运行以及煤泥堆积的情况下，支架结构能满足使用要求而不至于出现破坏，而导致该支架破坏的主要原因则为附加的冻胀效应。

因此在设计加固方案时，主要应遵循以下几方面的原则:

1)对于已经损坏的构件，特别是损坏的框架梁，需重新修复;

2)尽量提高原框架梁柱抵抗煤泥冻胀的作用，即主要提高构件抵抗水平冻胀力的作用;

3)由于柱产生的倾斜不能恢复，为了支架后续能正常使用，必须控制其水平方向继续产生过大的位移。

3.2 梁加固

1)五层支架没有受到煤泥堆积所产生的影响，该层框架梁没有产生过大的变形及外观损伤，因此对该层所有主次梁进行粘贴碳纤维布加固，碳纤维布规格为300 g/m2，梁底粘贴两层与梁等宽碳纤维布，梁侧粘贴两层宽200 mm@200 mm的碳布U型箍，以提高梁抗拉及抗剪承载力，见图2。

图2 粘碳加固梁

2)对四层处所有框架梁及二、三层处未明显损伤及变形的梁进行外包钢加固，梁身四转角处采用L100×14 mm角钢加固，并以5 mm厚扁钢作为缀板，待钢材焊接完成后，二次灌注灌钢胶，同时提高梁抵抗水平及竖向变形的刚度，见图3。

3)拆除二、三层处严重损坏的梁并保留原钢筋，然后采用高强灌浆料重新配筋浇筑。该方案重点是增加梁腰筋面积，将原3排φ12腰筋变为4排φ18腰筋，并将重新浇筑的梁截面由原300 mm×750 mm增加为400 mm×900 mm，既提高梁抵抗水平变形的刚度，同时又提高梁受煤压时的抗拉及抗剪承载力，如图4所示。

图3 外包钢加固梁

图4 新做框架梁

3.3 柱加固

1)为了控制柱继续产生过大的水平位移，对二层及以上框架柱采用全包钢加固。包钢法可以提高柱的刚度，抑制柱的水平位移，同时包钢加固后使柱具有良好的延性和耗能性能［1］，再者由于新增钢板箍的横向约束作用，使混凝土柱处于良好的三向受力状态，因此能大幅提高柱的承载力，而且柱的截面面积和重量增加很少，对基础的影响不大。

选用的钢板厚度为16 mm，钢材与钢材之间采用坡口焊，钢板与混凝土表面采用M12化学锚栓固定，再采用灌钢胶二次灌注，使钢板与混凝土形成整体构件，共同受力、变形，利用钢板强度与刚度弥补混凝土强度与刚度的不足，见图5。

同时对梁柱节点区进行了加强处理，在变截面处加设加劲板，以大幅提高二层以及以上框架柱的抗压强度及抵抗水平变形的刚度。

2)一层框架柱截面较大，能有效抵抗冬季煤泥产生的冻胀推力，但由于该区域为煤泥的存放点，且一般情况下煤泥在该区域堆积的时间较长，因此受到煤泥中有害物质腐蚀的概率较大，容易引起柱表面混凝土的腐蚀及钢筋的锈蚀。针对混凝土易腐蚀的特点，采用粘贴碳纤维布加固。碳纤维布具有很强的抗腐蚀性，并且具有10倍于钢筋的抗拉强度，选用的碳纤维布规格为200 g/m2，柱四周满粘2层碳布环形箍，一方面提高一层框架柱的延性及抗剪承载力，另一方面能有效阻隔煤泥中有害物质对柱混凝土的侵蚀，见图6。

图5 全包钢加固柱

图6 粘碳加固柱

4 结语

加固方案中修复了损坏的结构构件，提高了框架结构抵抗煤泥冻胀作用的能力，并且能在自重增加很小的情况下有效地控制结构水平方向的位移。

王坡煤矿采用上述修复加固方案对支架进行加固，满足了支架的受力和变形要求，使得支架结构受力得到较为明显的改善，现在已进入稳定状态并且投入使用，保证了煤炭装载与运输作业的安全。

［1］卢亦焱，陈少雄，赵国藩.外包钢与碳纤维布复核加固钢筋混凝土柱抗震性能研究［J］.土木工程学报，2005，38(8):10-17.

［2］陈树铭，杨素春.季节性冻土影响下土钉墙支护体系作用机理探讨［J］.建筑施工，2001，23(6):440-442.

［3］杜兆成，孙瑛琳，蒋大恩.季节性冻土区路基土的冻胀特性分析［J］.长春工程学院学报，2006，7(2):17-20.

［4］徐福泉.碳纤维布加固钢筋混凝土梁静载性能研究［D］.北京:中国建筑科学研究院，2001.

［5］GB 50367-2006，混凝土结构加固设计规范［S］.

［6］崔政文.洗煤厂技改项目主厂房加固施工技术［J］.西北煤炭，2007，5(4):24-26.