工业园区内露天皮带机封闭改造方案

吴晓龙, 张 渊, 王玲玲（.北京首钢国际工程技术有限公司， 北京 00043；.北京住总集团有限责任公司工程总承包二部， 北京 004）

现代工业园区，不再仅以工业厂房、机械设备、噪声粉尘等元素著称，而是增加了宿舍、食堂、绿化等更多的人文元素。在园区内工作的人们，同样可以在其中获得一定的生活体验[1-2]。对于传统工业园区的改造，是传统产业结构的转型升级、绿色发展的需要，同时也是改善大气环境质量、打赢蓝天保卫战的要求[3]。因此，对传统工业构筑物的封闭改造成为当下迫在眉睫的要求。随着国内各大露天料场的封闭[4]，对用于传输物料的皮带运输机也随之进行相应的封闭改造。

皮带运输机（后文简称“皮带机”）一般根据物料的去向进行布置，可位于地面以下、地面以上以及空中。位于地面以下的皮带机一般设置于混凝土管廊的内部，位于地面上的皮带机则通过设置基础直接支承,而位于空中的皮带机则需要根据其跨越的距离支承于钢梁或者钢桁架上[5]。露天的皮带机会导致煤粉、矿粉、焦炭等物料在皮带运输的过程中产生粉尘，对环境造成污染，已经无法满足《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》（环大气〔2019〕35 号）中关于“物料输送要采用封闭输送形式”的要求，久而久之也会导致大量物料的流失。因此，对露天皮带机的封闭改造刻不容缓。目前国内外对传统工业园区内皮带机封闭改造方案的研究相对较少。

基于以上背景，助力唐山某公司创建“环境绩效评价 A 类企业”，结合实际工程项目—首钢某公司供料作业部水运皮带系统封闭改造项目，针对不同形式的露天皮带机支承体系，提出了 4 种封闭改造方案。根据结构受力特点采用不同的加固方法，并对复杂结构及节点进行有限元分析，使得封闭改造后的结构既能满足受力要求，也能满足正常使用及外观上的需求。

1 露天皮带机封闭改造方案简介

露天皮带封闭改造需要对皮带机进行全封闭，主结构一般采用门式刚架轻型钢结构，维护结构采用压型钢板轻钢维护结构，确保封闭后结构附加重量较小，因此不会对原有结构造成较大的影响。为保证封闭后结构可以进行正常的安装及检修工作，皮带机两侧应预留出检修通道。检修通道宽度一般为 1 m，门式刚架跨度为皮带机宽度加上 2 倍检修通道宽度，检修通道处净高度应 ＞ 2.2 m，保证人员正常通行。另外，为确保门式刚架平面外的稳定，沿皮带机纵向，门式刚架之间应该设置系杆、纵向支撑、水平支撑等支撑系统。其结构设计根据 GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》、GB 50017—2017《钢结构设计标准》《钢结构设计手册》[6]等设计。之后根据业主及工艺专业的要求安装屋面檩条、墙面檩条、彩钢板、阳光板、通风帽、窗户等附属结构，从而实现皮带机的全封闭，满足正常使用的要求。

2 落地式皮带机封闭改造方案

落地式露天皮带机封闭改造方案参考普通钢结构通廊，皮带机支架基础位于地面，封闭方案相对容易，即在皮带机两侧新建基础。新建门式刚架直接坐于基础上，之后安装檩条、彩板等完成皮带机通廊封闭。需要注意的是，新建基础要避免与皮带机基础、既有管线相碰，新建门式刚架应避开工艺设备（斗轮机外伸臂）的作业面。另外，当皮带机较长时，基础及上部结构应沿纵向设置伸缩缝。

3 下承式钢桁架皮带机封闭方案

3.1 封闭方案简介

下承式钢桁架皮带机平台上的荷载通过支承于桁架上弦杆上的横梁将荷载传至钢桁架，再通过钢桁架将荷载传至两端的支架或者转运站，最后传至地面基础。选取项目中代表性的一跨作为研究对象，皮带机封闭方案立面如图 1 所示。在旧有桁架上部新增门式刚架 GJ-1、GJ-2 以及纵向支撑系统。

图 1 皮带机封闭方案立面图

GJ-1 立面如图 2 所示。由于既有栏杆与电缆桥架的影响，同时为保证检修通道的宽度，GJ-1 的立柱没有落脚点。因此，在既有横梁两端拼接加固梁(JGL)。其型号与既有横梁相同，上下翼缘的连接采用等强度单边剖口焊缝，腹板采用对接焊缝，两侧设置拼接板。由于 JGL 端部悬挑长度较大，无法满足受力及挠度的要求，因此在既有桁架下弦杆与 JGL 之间布置斜撑（XC）形成传力相对明确的结构形式。

图 2 GJ-1 立面图

GJ-2 加固方法类似于 GJ-1，但由于 JGL 下方没有与之对应的桁架，旧有固定支架立柱与 GJ-2 也不在一个平面内，为了不让旧有固定支架立柱（弱轴）受到横向集中力的影响，无法像 GJ-1 一样增设斜撑（XC），因此在 JGL 下端倒贴 T 型钢，并将 T 型钢端部与桁架上弦杆的进行焊接，共同抵御 GJ-2 上部新增立柱所传来的集中力。

由于 JGL 在平面外为悬挑构件，因此在每榀门式刚架柱脚间增加纵向系杆 XG-2（双槽钢 12.6）。该做法能保证 JGL 在平面外的稳定。另外，XG-2 可作为新增盖板一侧的支点，新增盖板另一侧则搭接于旧有钢板之上，并采用焊接连接。这样新增钢盖板也可作为 JGL 在平面外的一个补强构造措施，同时也满足了平台底部封闭的要求。

3.2 结构有限元建模分析

露天皮带机封闭改造前，荷载主要包括皮带机支架荷载、皮带机平台的恒荷载、活荷载以及结构重力。既有支架与钢桁架为镂空的结构体系，一般不考虑风荷载。采用门式刚架封闭后，需要额外考虑以下荷载。

（1）屋面/墙面恒荷载标准值：0.20 kN/m2。

（2）屋面活荷载标准值：0.50 kN/m2。

（3）风荷载标准值：0.40 kN/m2。

（4）雪荷载标准值：0.40 kN/m2。

建模时选取代表性的一段作为结构分析单元。根据原有结构图纸的结构尺寸、杆件型号，采用 MIDAS 软件建立有限元模型，再根据杆件实际的连接状态，定义杆件的节点连接（刚接/铰接/弹性连接），最后输入荷载并进行计算。皮带机封闭改造前后主要构件应力比变化如表1 所示。由表1 可知，桁架及支架等杆件应力比增幅均在 0.2 以内，且未超过 1.0。

表1 构件应力比对比

荷载作用下，封闭改造前后旧有横梁弯矩发生变化。GJ-1 中，因 XC 的支撑作用，横梁由原来的弯剪构件转化为拉弯剪构件，因此横梁在桁架上弦杆支承点处弯矩减小。GJ-2 中，由于 JGL 端部新增门式刚架，产生附加集中力，造成横梁在桁架上弦杆支承点处弯矩增加，旧有横梁跨中产生负弯矩。由此可见，不同加固方式，使旧有横梁的受力状态发生了不同的改变。

GJ-2 中横梁（HN 350 mm×175 mm ×7 mm×11 mm）在桁架上弦杆支承处弯矩较大，加固后横梁左右截面弯矩发生突变，节点受力状态较为复杂。为研究该节点受力状态，采用 MIDAS（迈达斯）软件建立模型，运用多尺度有限元分析法，根据实际支承情况，建立节点的精细化实体单元模型，导入到整体模型当中，并采用节点耦合与整体模型中的杆件进行连接。考虑所有工况，计算出该节点复杂的应力状态。算得节点最大应力为 214.6 MPa，位于支座加劲肋（18 mm 厚）底部，略超过 Q235B 钢材的屈服强度 205 MPa。因此，在底部加劲肋两侧贴焊接 8 mm 厚钢板进行加固，其余构件最大应力均在 160.0 MPa 以内，受力满足要求。

根据计算，封闭后旧有支架构件应力比均＜1.0，满足要求。支架柱脚原来采用 4 M 36 螺栓，封闭后的皮带机通廊自重较大，在最不利风荷载组合作用下，支架柱脚未出现拉力，柱脚螺栓无须进行抗拔验算。另外，原有柱脚设置了抗剪键，也满足抗剪要求。封闭前，算得桁架下弦杆挠度为 56 mm；封闭后，算得桁架下弦杆挠度为 71 mm，仍满足规范要求。根据现场实测，挠度最大为 63 mm，满足刚度要求。

4 下承式钢梁皮带机封闭方案

4.1 封闭方案简介

当皮带机跨度（9 m）较小时，采用钢梁即可满足受力要求，其封闭改造方案类似于下承式钢桁架皮带机中的 GJ-2。在 JGL 下方倒贴 T 型钢，上部新增门式刚架的做法同 CJ-1。

4.2 结构有限元建模分析

类似于下承式钢桁架封闭方案，建立下承式钢梁封闭方案有限元模型并进行分析，钢梁应力比计算结果如表2 所示。由表2 可知，钢梁应力均在 1.0 以内，满足规范要求。

表2 构件应力比对比

封闭后，算得既有纵梁（跨度 9 m）最大挠度由 13 mm 增加至 20 mm，刚度满足规范要求。此外，新增横梁可作为既有横梁的侧向支撑，横向风荷载对既有纵梁弱轴方向的位移影响较小，因此既有纵梁之间无须加设水平交叉撑。

5 中承式钢桁架皮带机封闭方案

5.1 封闭方案简介

中承式钢桁架皮带机，设置于桁架中部，皮带机平台位于由桁架下弦杆支承的横梁上，类似于未封闭的钢桁架通廊。因此，在旧有钢桁架顶面和侧面增设檩条和彩板等围护构件，即可实现结构封闭。文中选取项目中最大跨度（44.8 m）钢桁架进行分析。

中承式钢桁架封闭改造方案中 GJ-3 如图 3 所示，封闭后横向风荷载会使刚架产生侧移。对于端部刚架，原结构梁柱节点刚接且截面较大，可以抵抗侧移的影响，经核算无须进行结构加固。GJ-3 旧有横梁与桁架竖杆连接较弱且截面较小，无法形成刚架，不能承受横向风荷载，因此在梁柱节点处增设构造斜撑（角钢 63 mm×6 mm）；此外，旧有横梁截面（HM 194 mm×150 mm×6 mm×9 mm）小，跨度大，经核算，封闭后的旧有横梁无法承受屋面荷载，因此将 T 型钢（TN 200 mm×200 mm×8 mm×13 mm）焊接于旧有横梁上翼缘处，增加截面抵抗矩，使得结构的强度和刚度均能满足规范要求。

图 3 GJ-3 立面图

5.2 结构有限元建模分析

经有限元建模计算，皮带机封闭前后结构应力比增幅均在 0.2 以内，且未超过 1.0。此外，算得桁架最大挠度由 61 mm 增加到 75 mm，挠度（75 mm）与跨度（44 800 mm）之比为 1/557 ＜ 规范要求的 1/400，刚度满足规范要求。旧有横梁经加固后，强度和刚度均满足规范要求。

6 结 语

（1） 针对不同形式的皮带机支承体系，选用合理的封闭改造方案。因地制宜，根据旧有结构的特点，确保新旧结构整体能够形成稳定的结构体系。

（2）露天皮带机封闭尽可能采用轻型屋面，封闭改造后旧有结构内力增加较小，但是仍需核算附加荷载对桁架、梁、支架、牛腿、支座、基础等旧有结构的影响。

（3）确定皮带机封闭改造方案后，若旧有结构不满足强度或者刚度要求，应对不满足规范的构件制定相应的加固措施（包括焊缝长度），并重新计算，确保结构的安全。

（4）对于复杂的改造加固节点，应进行节点验算，必要时采用试验方法予以保障。