皮带机绕度超限钢桁架加固研究与实例

陶 平 易 煜

（中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

1 概况和现状分析

摩洛哥莱斯菲尔港热电厂中的C’2皮带机栈桥在2013年年底安装完成并投产运营，此皮带机带宽1400mm，带速4m/s，设计额定输送量为2400T/H。安装时候测量P’20～P’21的34m跨路段钢桁架最大绕度值为40mm，运行一年后，其最大绕度值达到了135mm，已严重超出设计规范要求。该钢桁架高度为1.6m，宽度2m，结构如图1所示。

2 结构检查和分析

第一，对该桁架结构整体形变进行观察和测量，上下弦杆和斜撑等杆件均未发现明显弯曲变形，桁架整体下挠呈圆曲线分布。

第二，对该桁架的基础承载力，柱脚锚栓和支座现状进行检查，未发现基础有沉降，柱脚锚栓，铰支座均无异样，并对基础沉载进行重新验算，满足设计要求。

第三，对该桁架上的各节点上的连接焊缝进行检查，仅发现轻微油漆脱落，焊点完好，焊缝无裂纹。

第四，结构载荷验算。对载荷和桁架进行重新验算，通过计算结果和现场的实际情况可以判断，此桁架的强度和刚度均存在不足，原设计存在重大安全隐患，须立即进行加固处理。结构分析计算时采用美国CsI公司的sAP2000 V15.2.1通用结构分析与设计软件，适用规范AIsC。计算考虑以下几方面，一是恒荷载：包括结构自重，桁架托辊、胶带、防雨罩、管线等；二是活荷载：走道活荷载，物料荷载，积料荷载；三是风载荷和地震作用。

3 加固方案研究

此桁架加固需要解决的关键问题是提高桁架的承载能力，使其满足皮带机设计恒载荷和活载荷的要求。此皮带机为电厂从码头输送煤料的主要路线，方案实施时，作业时间不能过久，不能影响电厂运营；同时，桁架上的皮带机胶带和各种电缆管线均是易燃物品，焊接存在安全风险，设计方案时需要考虑在内。

关于方案的研究，首先此皮带机桁架已经运行一年多，皮带机沿线的电缆和消防管线均已连接完成，无法采用新桁架对原桁架进行替换的方案；其次该段桁架下方为电厂内主要的交通道路，也无法采用在跨中增加立柱而缩短跨距的方式；同时考虑到由于通行道路限高，以及桁架底部有电缆和消防管线，无法采用在桁架底部新增桁架而加大桁架截面积的方式进行加固，经过研究得出，如下三种可实施的方案。

第一，在该桁架内部的各弦杆和杆件上焊接型材，增加受力不足杆件的截面积。但是，针对本工程存在以下问题：一是该桁架跨度较大，且已下挠严重超标，不满足应力要求的杆件较多，且新增部分如何参与结构受力难以解决，也无法保证安装完成后能有效控制下挠；二是原杆件在承受荷载情况下进行焊接，而受压杆件在受热情况下更易失稳，同时焊缝长，焊接工作量巨大，安全风险大；三是全焊接的桁架，节点板无法更换，加固后会存在杆件强、节点弱的问题；四是需要的施工作业时间较长，无法满足业主不停运的要求。

图1 钢桁架结构

第二，在原桁架上部增加一片新桁架，新桁架杆件均采用与原桁架桥同等规格钢材，杆件分布，间距，长度，宽度均一致，以使新桁架杆件可以和旧桁架对接，如图2所示，新旧桁架利用节点板焊接连接。

图2 新旧桁架利用节点板焊接连接

本方案的高空焊接作业相对较小，对原结构损伤少，施工风险小；新旧桁架材料和杆件规律一致，形成一个完整的桁架截面，完全参与原结构受力；新桁架可以在车间进行预制，节省加固作业时间。采用Midas/gen做结构分析，正常使用极限状态下，各杆件计算均能通过，最大应力比为0.81，方案安全合理，最大挠度37mm，小于规范1/400（85mm）要求。但此设计方案同时也存在以下问题：一是加固实施后，将影响防雨罩上部活动板的拆卸，同时立柱与原检修门和屋面板干涉，因此，需考虑对该部分检修门和屋面板进行改造，保证其防水和可拆卸能力；二是加高后的桁架为2.8m，由于皮带机廊道形成密闭挡风面，其挡风效果和普通的房子类似，加大了风载荷；三是新桁架高1.2m，宽2m，长34m无法进行整体一次吊装，需车间进行分段加工，然后现场焊接，需要的施工作业时间较长，高空焊接工作量较大。

第三，对以上加固设计进行进一步优化，设计出在原桁架上部增加一个拱形钢桁架的加固方案，如图3所示。

图3 拱形钢桁架的加固方案

新增拱形钢桁架采用HEA180为主弦杆,立杆与原桁架桥杆件分布规律一致，使新桁架具有刚度大承载能力强的特点，通过新增的拱形钢桁架的拉杆与原桁架焊接连接。采用Midas/gen做结构分析，正常使用极限状态下，最大挠度值为30.03mm＜1/400，桁架杆件最大应力比0.83，上弦杆最大应力比0.83，下弦杆最大应力比0.64，均满足设计要求。

该方案有以下特点：一是车间整体预制和喷漆，现场整体吊装，24小时内可以安装完成，不影响电厂运营；二是不影响防雨罩和检修门的拆卸更换；三是几乎无额外增加的风载；四是在原结构上的焊接作业较少，对原结构损伤少，施工风险小；五是新增拱形桁架的支反力通过原桁架头部传至立柱和基础，减少了原桁架的负担。

4 结语

该皮带机桁架按此设计方案加固完成卸载后，最大下挠值仅为12mm，其效果优于设计预期。目前，该桁架已运行近2年，状况良好，无进一步的下挠增加，证明了此加固设计有效，结构安全得到了保障，同时加固工程未影响电厂运营，其间接经济效益显著。