刘 轶

(中冶检测认证有限公司,北京 100088)

1 项目信息

某电厂钢结构栈桥始建于20世纪80年代末,由外方设计供货,距今已使用近40 a,因年代久远,完整的设计图纸和施工记录已查阅不到。栈桥东西向总长度61.992 m,设两个支架,上部结构被分为桁架HJ-1,HJ-2,HJ-3三段,长度分别为18.791 m,23.59 m,18.791 m,伸缩缝间距0.41 m,栈桥南北横向宽度8.25 m。栈桥主体结构为H型钢上下弦桁架结构体系,下弦标高约40 m,单榀桁架高度为5 m,节间长度3.932 m。支架为双肢扩大头式摇摆钢结构支架,高度约40 m,柱肢间距在顶部为8.25 m,中间最窄处5 m,底部8.4 m。栈桥全封闭保温楼屋面和保温墙板,栈桥内有两条煤炭皮带输送机。

经检测,钢结构材质可等效为中国标准牌号Q235,构件截面尺寸:桁架上下弦杆H300×300×12×21,竖腹杆H180×180×10×15,斜腹杆L100×10,端刚架立柱及横梁H300×300×12×21,上弦水平横撑H150×150×7×10,水平交叉撑口100 mm×10 mm,下弦水平横撑H300×300×12×21,水平斜撑L100×10;支架双柱肢H690×600×15×25,斜杆H200×200×10×16,横撑H190×190×10×10,肩梁H690×600×15×25。钢结构栈桥空间布置图如图1所示。

2 现场发现的问题

栈桥目前的生产和使用均正常,但存在主体桁架HJ-2上下弦挠度异常,支架ZJ-1沿栈桥纵向有明显的平面外弯曲倾斜,其顶部肩梁在南侧的端部横向加劲板有屈曲损伤的情况。对检测后的变形数据进行整理,选取变形较大的桁架HJ-2(如图2所示)上下弦的挠度值见表1,支架ZJ-1两柱肢的垂偏值见表2。

表1 桁架HJ-2上下弦挠度实测值 mm

表2 支架ZJ-1双柱肢垂偏实测值 mm

受制于检测手段、仪器的精度以及场地条件,且结构初始有无反拱、施工误差等历史信息无法掌握,现场检测的实测值并不能作为构件真实挠度或垂偏的精确值,但是变形的总体状态和分布还是可以说明问题,上下弦杆件的挠度比较大(最大171 mm,最小114 mm),正常情况下,该跨度下桁架的挠度值仅20 mm左右,支架ZH-1有明显的弯曲变形,最大值达到194 mm。

实地观察未发现有楼面积料、屋面积灰等超载的现象,向业主调查了解得知,历史上栈桥也未曾有过超载、改扩建等情况,也没有遇到明显地震、强风暴雪等自然灾害,所以初步判断该变形可能在栈桥施工时已经发生并已存在近40年,并不是在后期使用过程中因超载或其他外部效应等因素导致承载力不足造成的结构损伤。现状的变形已超规范容许的变形量,桁架的允许变形量为L/400(约60 mm),过大的变形会导致桁架上下弦杆件不再是普通的二力杆,而变为压弯(上弦)和拉弯(下弦)构件,支架柱的允许变形量为L/1 000(约40 mm),支架虽然是摇摆柱设计,但过大的弯曲使得附加弯矩将不能被忽略。为了评价桁架整体的安全性,需要在不增加额外荷载和约束的前提下,合理考虑现状的变形对结构的影响。

3 桁架HJ-2现状变形的拟合

栈桥桁架的竖杆和支撑节点板原设计均为高强螺栓连接,但在现场检测时发现较多支撑节点板处存在栓孔无法全部对位安装,甚至有因弦杆变形导致部分支撑杆件的长度不足无法螺栓连接,导致节点板全部改为焊接连接的情况,基于此现象,推测可能受制于当年起重机械能力、场地空间极端狭小等原因,桁架可能在地面拼装阶段或整体吊装施工时,支撑并没有全部安装到位。由于没有形成完整的桁架受力体系,桁架杆件的自重导致了上下弦的现状变形。

结合上下弦挠度的大小以及端钢架的变形方向,建立桁架HJ-2简化的平面单榀桁架模型,为了考虑缺少不同数量的支撑的各类情况,模型按变形最不利的情况,共计15个,其中模型1-3为仅安装到位1根,模型4-9为2根,模型10-15为3根,各模型的支撑分布情况见图3。通过分步施工对各模型拟合的变形与现状变形对比,找出最可能未安装支撑的情况。分步施工的荷载假定:第一阶段为部分支撑未安装时,桁架仅承担已安装构件的自重,第二阶段为所有支撑安装到位,桁架继续承担平台内、屋面、墙面的自重及所有活荷载,荷载取值如下:1)恒载:通廊平台1 kN/m2,屋面0.45 kN/m2,墙面0.35 kN/m2;2)活荷载:通廊平台2 kN/m2,皮带设备线荷载取4.45 kN/m,屋面0.5 kN/m2。15种模型在第一、二阶段的变形结果如图4,图5所示。

通过分析,模型1-3,7-9变形过大,部分杆件已达到塑性阶段甚至破坏,与现状不符,模型3-6,11-15挠度值偏小,计算最大约118 mm,考虑最不利情况综合来选择,模型10(右侧有3个支撑未在第一阶段安装)的挠度值与现状较匹配,计算值为182 mm,与实测值的偏差可能来源于理论计算的荷载无法与真实的荷载大小分布完全一致。采用同样的办法对桁架HJ-1,HJ-3的现状变形拟合,在第一阶段,桁架HJ-1左侧有2个支撑,桁架HJ-3右侧2个支撑可能未安装。

4 支架ZJ-1现状变形的拟合

桁架沿纵向仅设置2片摇摆支架,整体结构在纵向的刚度最弱,从结构体系上看,支架的平面外弯曲应该属于低阶的整体屈曲模态,可以在计算软件中比较方便的确定,然后按整体初始几何缺陷输入数值可以实现对柱肢现状的拟合,进而在整体计算中考虑附加弯矩的影响。本项目屈曲工况计算得到的整体第一阶屈曲模态见图6。

5 考虑现状变形的整体分析

基于以上对现状变形的分析及准备工作,建立钢结构栈桥上部桁架、下部支架的整体空间有限元模型,分析采用直接分析法[1],桁架现状变形按简化模型10采用分阶段施工拟合,支架ZJ-1采用整体初始几何缺陷拟合,分析考虑二阶P-Δ效应和P-δ效应、构件的初始缺陷,计算长度系数、稳定系数均取1。模型共计146个节点,340个框架单元,8个连接单元,桁架与支架处的节点采用固定约束以保证变形协调。除恒荷载、活荷载外,荷载取值和设计参数如下:

1)基本风压:取0.4 kN/m2,地面粗糙度B类,风振系数取1.8。2)基本雪压:0.4 kN/m2。3)季节温差:按±40 ℃考虑。4)抗震设防烈度:7度,基本加速度:0.1g,场地按二类考虑。5)结构安全等级二级,结构抗震设防类别丙类,构件抗震等级四级。

5.1 变形计算结果

计算后的变形见图7,在空间模型中HJ-2上下弦的挠度值为172 mm,说明模型可以较好地拟合杆件的现状变形。支架ZJ-1的初始几何缺陷由程序前端输入,附加上整体计算后的侧向变形值,在最窄处其总和为200 mm,与现状变形程度基本一致,说明附加弯矩在模型中可以自动考虑。

5.2 桁架弯矩计算结果

通过上下弦杆件的弯矩分布图(如图8所示)可以看出,因无法形成完整的桁架体系,上下弦的杆件右半部分在第一阶段接近纯弯构件,并没有桁架的轴向力,在形成完整桁架并承担大量的外部效应后,杆件的传导路径满足上下弦的拉压杆件,其弯矩数值与第一阶段相差很小,只是增加了一些外部效应产生的次弯矩,可以忽略。

5.3 应力计算结果

栈桥杆件的应力比见图9,通过计算结果可以分析得出:1)由于第一阶段并未形成完整的桁架体系,上下弦杆件右侧部分承担了大部分桁架的自重,杆件产生了弯曲变形,再叠加上第二阶段的其他荷载工况后,最终形成了压弯和拉弯构件。虽然杆件的变形量较大,应力比[2]最大为0.933<1,说明承载能力接近弹性极限,但强度及稳定还是都能满足承载力的要求。2)竖向桁架两端部的支撑采用拉杆设计,承担了较大的拉力,按现行规范荷载计算,桁架HJ-1,HJ-2,HJ-3端部的支撑抗拉强度均处于高位(应力比超过0.9),其中桁架HJ-2西侧的端部支撑应力比达到1.154>1,已不满足要求,需要采取措施。3)由于弯曲产生的附加弯矩在支架ZJ-1最窄处分解导致横向压杆平面外受弯,应力比为1.013<1/0.95,其承载力超出设计极限,杆件略低于国家现行设计标准的安全性要求,但不影响安全,可以不采取措施。

5.4 支架ZJ-1肩梁的南侧端部横向加劲肋分析

提取支座处最不利工况组合的节点反力,按图10所示的加劲肋分析图计算加劲肋的抗压强度和局部稳定,强度应力比0.39<1,平面外稳定强度比0.182<1,强度和稳定均满足承载力要求,判断加劲肋屈曲并不是后期使用过程中因外部效应等因素导致的结构损伤。

6 结语

1)基于以上的模型计算和分析,后续为业主提供了桁架HJ-2和支架ZJ-1肩梁加劲肋的加固方案,提高结构和构件的承载能力,增加安全度储备。

2)对于新建项目的设计,结构的整体初始几何缺陷对结构的影响是按照规范的要求通过第一阶整体屈曲模态来实现的,但对于既有建构筑物已经发生的现状变形,是无法直接采用该办法的,或者需要在大量的样本模态中去寻找,计算量较大,匹配的工作更是烦琐耗时,所以只依靠屈曲模态去拟合现状变形有时候并不完全适用。针对既有建筑的现状变形特点,结合实地观察、调查了解、现场检测、受力体系分析后,如果判断其可能的变形原因后,通过分步施工的措施来实现对变形的拟合是一个可行且比较实用的办法,该办法能更加真实有效的反映变形后结构现状的内力分布和应力情况。