溫立平1,朱緒平2,張亞英2,袁延強(qiáng)3
(1.防災(zāi)科技學(xué)院,河北三河065201;2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京100042;3.濱州沾農(nóng)供水有限公司,山東濱州256800)
摘要:以某熱電廠鍋爐鋼結(jié)構(gòu)框架改造為例,利用Midas與盈建科軟件建立計(jì)算模型。通過對坍塌鋼框架改造前和改造后模型的分析計(jì)算,提出了加固方案。地震和風(fēng)荷載位移曲線表明,加固后鋼結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)明顯增強(qiáng)。結(jié)合實(shí)例對鋼結(jié)構(gòu)加固進(jìn)行的探討和研究,可在鋼框架結(jié)構(gòu)的加固加層設(shè)計(jì)中借鑒與應(yīng)用,對鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震加固具有參考價(jià)值。
0引言
電廠熱力塔通常為鋼框架結(jié)構(gòu)。伴隨電廠的更新、升級工作以及為滿足環(huán)保要求進(jìn)行的脫硝改造,對建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載能力提出了更高要求,需要對熱力塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測并加固,確保電廠運(yùn)行安全及功能提升。本文基于一個(gè)熱力塔發(fā)生倒塌事故后,為避免發(fā)生類似事故,對另一個(gè)熱力塔進(jìn)行了鑒定、計(jì)算分析和加固處理,最終使其達(dá)到規(guī)范安全要求。實(shí)例中采用的分析方法和加固經(jīng)驗(yàn),在鋼框架結(jié)構(gòu)的加固加層設(shè)計(jì)中有借鑒參考價(jià)值。
1工程事故概況
某熱電廠1#、2#機(jī)組鍋爐鋼結(jié)構(gòu)建于2007年,兩組鍋爐用途相同,均為鋼框架結(jié)構(gòu)形式。2014年,電廠業(yè)主委托某環(huán)保公司對1#、2#機(jī)組進(jìn)行脫硝改造,改造后增加了脫硝設(shè)備。由于未對梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效加固,2015年7月9日中午11點(diǎn)熱電1#機(jī)組停機(jī)后,省煤器在當(dāng)日13點(diǎn)左右從30.50m層整體坍塌,導(dǎo)致1#機(jī)組主體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。為避免發(fā)生類似事故,本文對2#機(jī)組進(jìn)行整體計(jì)算分析加固,以使其達(dá)到規(guī)范安全要求。
2安全性鑒定及施工質(zhì)量檢測
為確保加固改造后的鋼結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性并提高抗震性能,多次組織人員到現(xiàn)場檢查鑒定。檢查的主要內(nèi)容:與原設(shè)計(jì)圖紙符合情況檢查,材料性能檢測,構(gòu)件尺寸檢測,外觀損傷檢測。
2.1與原設(shè)計(jì)圖紙符合情況檢查
發(fā)生坍塌事故的結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。該結(jié)構(gòu)原建部分和加固改造基本符合設(shè)計(jì)圖紙,但支撐部分缺失。原結(jié)構(gòu)缺失的構(gòu)件為50.77m處H/B0-B1水平支撐。現(xiàn)脫硝部分缺失的支撐已增補(bǔ)完畢。

2.2材料性能檢測
2#機(jī)組鍋爐鋼結(jié)構(gòu)梁柱鋼材選用Q345B。為了確定鋼材的實(shí)際力學(xué)性能,現(xiàn)場采用里氏硬度計(jì)(AL200)測試鋼構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度。不同標(biāo)高位置主要鋼構(gòu)件抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果見表1。

Q345B鋼材的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度470~630MPa。由表1可知,2#機(jī)組鋼構(gòu)件的實(shí)測抗拉強(qiáng)度在506~543MPa,滿足設(shè)計(jì)要求。
2.3構(gòu)件尺寸檢測
鋼構(gòu)件厚度直接影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面積,板厚負(fù)偏差超過允許范圍,結(jié)構(gòu)計(jì)算需要按實(shí)際厚度取值[1]。《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形重量及允許偏差》(GB/T709—2006)要求,15~25mm厚鋼板允許負(fù)偏差-1.1mm。采用UL350型超聲測厚儀對鋼構(gòu)件厚度進(jìn)行現(xiàn)場抽測,銹蝕部位構(gòu)件尺寸負(fù)偏差在-0.11~-0.39mm,小于允許值。檢測結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)驗(yàn)算可以按照原設(shè)計(jì)厚度取值[2]。
2.4外觀損傷檢測
機(jī)組鍋爐鋼結(jié)構(gòu)焊縫未發(fā)現(xiàn)明顯的外觀損傷,但普遍存在節(jié)點(diǎn)銹蝕現(xiàn)象。部分螺栓節(jié)點(diǎn)施工質(zhì)量存在問題,具體表現(xiàn)為:螺栓存在擴(kuò)孔現(xiàn)象,節(jié)點(diǎn)板螺栓缺失,螺栓梅花頭未擰掉,節(jié)點(diǎn)螺栓未擰現(xiàn)象,有的節(jié)點(diǎn)螺栓實(shí)際為全截面焊接。除節(jié)點(diǎn)損傷之外,還有部分樓板開裂。
3結(jié)構(gòu)分析與加固設(shè)計(jì)
3.1結(jié)構(gòu)基本信息
結(jié)構(gòu)采用盈建科有限元軟件計(jì)算。地面粗糙度為B類,地震設(shè)防烈度為8度,抗震等級為3級,設(shè)計(jì)地震分組為第1組,場地類別為Ⅲ類,場地特征周期取0.45s。采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行地震作用分析。
梁、柱采用Q345B鋼。由于廠房有維護(hù)結(jié)構(gòu),需要進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算,基本風(fēng)壓0.7kN/㎡。假定柱腳與基礎(chǔ)采用剛性連接,次梁與主梁采用鉸接連接。本模型建模過程中,考慮的荷載類型有恒載、活載、地震荷載、樓板自重、設(shè)備荷載、風(fēng)荷載,采用規(guī)范荷載組合。
脫硝改造后,由于改造增加了脫銷設(shè)備,結(jié)構(gòu)重量增加,造成1層和2層部分柱子軸壓比超限,多個(gè)柱子穩(wěn)定應(yīng)力超限以及個(gè)別梁的應(yīng)力超限。部分梁、柱超限情況如圖2所示。

整體計(jì)算中,水平方向風(fēng)荷載作用下的4層最大層間位移角1/90,水平方向最大位移與層平均位移的比值為1.44。
3.2節(jié)點(diǎn)的加固補(bǔ)強(qiáng)處理
針對重點(diǎn)部位的節(jié)點(diǎn),應(yīng)用有限元ANSYS軟件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)受力分析。分析表明:在設(shè)計(jì)組合受力作用下,應(yīng)力與應(yīng)變都超限;應(yīng)力達(dá)447MPa,應(yīng)變達(dá)20.8%,需要對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固。
根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)主體施工質(zhì)量較差,需要對構(gòu)件截面和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固[3]。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》CECS77:96(下文簡稱《規(guī)范》)中6.1與6.2內(nèi)容,構(gòu)件節(jié)點(diǎn)按以下方式進(jìn)行處理:①缺失螺栓需要補(bǔ)充到位;②對節(jié)點(diǎn)處存在的梅花頭未去掉、節(jié)點(diǎn)銹蝕、螺栓未擰緊等現(xiàn)象做扭斷梅花頭、防銹、螺栓緊固等處理措施;③部分主梁由于脫硝設(shè)備增加造成剪力不足,下面增設(shè)抗剪牛腿,主梁下增設(shè)牛腿支托;④部分次梁節(jié)點(diǎn)由于加工誤差造成螺栓孔徑無法對應(yīng),在現(xiàn)場進(jìn)行擴(kuò)孔處理,滿足螺栓的強(qiáng)度要求;⑤有的對腹板進(jìn)行現(xiàn)場拼接焊接,在端部進(jìn)行角焊縫的焊接,對虛焊進(jìn)行剔除處理,補(bǔ)充四周圍焊。
3.3加固截面的確定
由于整體計(jì)算是部分軸壓比不滿足和較多的穩(wěn)定應(yīng)力不滿足,需先根據(jù)穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算加固截面。根據(jù)《規(guī)范》加大截面法進(jìn)行加固[4]。

根據(jù)式(1),先對截面在x和y方向的慣性矩進(jìn)行等效計(jì)算,根據(jù)應(yīng)力比計(jì)算出需要增加的慣性矩;之后在Midas與盈建科軟件里進(jìn)行整體復(fù)核計(jì)算,直到各個(gè)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。各指標(biāo)信息見表2。

3.4加固方案
根據(jù)受力和截面等可變換的加固厚度尺寸[5],加固方案如圖3所示,黑色部分為加固鋼板,未填充的為原有結(jié)構(gòu)。把各個(gè)加固方案構(gòu)件輸入到Midas與盈建科軟件里進(jìn)行整體計(jì)算,應(yīng)力比均符合規(guī)范要求。

3.5加固前后的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)對比
由表2可知,整體計(jì)算各個(gè)工況下,位移角最大為1/478,滿足了鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范限值1/250的位移角要求;加固后結(jié)構(gòu)性能改善明顯,最小剛度比小于1.0,層間受剪承載力比大于0.8,有效質(zhì)量系數(shù)大于90%;位移比等其余指標(biāo)均符合規(guī)范要求。
由于篇幅限制,現(xiàn)選取地震荷載作用下改造前后x方向和y方向樓層層間位移角曲線圖做對比,如圖4所示。

改造前,地震荷載作用下x方向和y方向樓層位移的最大值分別為33.9mm和86.0mm;改造后分別減小為28.1mm和4.8mm。由于對y方向支撐連接和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了加強(qiáng),地震作用下其樓層位移曲線圖影響較大。
加固前,風(fēng)荷載作用下x方向和y方向樓層層間位移角最大值分別為1/191(不滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范限值1/250)和1/296;加固后分別為1/26684和1/17967,滿足規(guī)范限值1/250。
4結(jié)論
在工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)中,必須結(jié)合施工能力與結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀,根據(jù)實(shí)際情況選用合適的加固設(shè)計(jì)方法。本文的熱電廠脫硝改造實(shí)例,通過有限元軟件計(jì)算分析,充分運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的手段,使單個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與整體設(shè)計(jì)結(jié)合,通過加固補(bǔ)強(qiáng)重要節(jié)點(diǎn)和截面、增加合適連接支撐的方法進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。該方法適用于鋼框架工業(yè)結(jié)構(gòu)的加固處理,占用空間較小,對鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震加固具有參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1]王永梅,周愛民,沙學(xué)勇.單層廠房預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)與施工[J].施工技術(shù),2013,42(3):44-48.
[2]沈佳星,肖志剛.某鋼材加工車間廠房鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)[J].鋼結(jié)構(gòu),2016(1):45-48.
[3]鄭云,葉列平,岳清瑞.FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J].工業(yè)建筑,2005(8):20-25.
[4]黃婷,商昊江,張德和,等.鋼結(jié)構(gòu)加固在建筑改造工程中的研究與應(yīng)用[J].福建建設(shè)科技,2022(6):14-24.
[5]趙松.鋼結(jié)構(gòu)加固探討[J].黑龍江科技信息,2009(27):300. |