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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)
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