何長利，張殿雙，張小濤，高亞茹

（1.豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 132108；2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

1 工程概況

豐滿發(fā)電廠位于松花江上游，工程以發(fā)電為主，兼顧防洪、城市供水、養(yǎng)殖及旅游等綜合利用效益。水庫為不完全年調(diào)節(jié)水庫。

豐滿發(fā)電廠是我國第一座大型水電站，一期廠房位于右岸，為壩后式廠房，始建于1937年，上世紀(jì)80年代后，工程經(jīng)多次改造和擴(kuò)建，發(fā)電廠房進(jìn)行了二、三期的擴(kuò)建。其中，二期系利用原預(yù)留的9號(hào)、10號(hào)壓力鋼管于一期廠房左端續(xù)建而成。三期廠房為利用左岸泄洪洞改造擴(kuò)建而成。目前，電站總裝機(jī)容量已達(dá)1 002.5 MW。一、二期廠房場內(nèi)共裝10臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量722.5 MW；三期廠房位于左岸泄洪洞出口處，廠內(nèi)共裝2臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量280 MW。

一期廠房廠內(nèi)裝有8臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量552.5 MW，工程始建于1937年，1943年第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，至今為止，一期廠房已經(jīng)運(yùn)行了64年。

豐滿一期廠房主體工程為鋼筋混凝土——型鋼結(jié)構(gòu)，其下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土大體積結(jié)構(gòu)；上部結(jié)構(gòu)為鋼骨混凝土與鋼桁架形成的框架結(jié)構(gòu)，吊車柱為型鋼骨架外包混凝土。據(jù)了解，電站一期工程所用壓力鋼管、鋼筋、鋼骨及屋架材料均系日本30年代軋制的同類型產(chǎn)品。此前，一期工程壓力鋼管因銹蝕嚴(yán)重且材質(zhì)有問題，后經(jīng)改造和更換得以延續(xù)運(yùn)行。

2 現(xiàn)狀調(diào)查及原因分析

2009年年初，一期廠房7號(hào)、8號(hào)機(jī)附近的2號(hào)、3號(hào)榀屋架下弦桿出現(xiàn)無預(yù)兆斷裂破壞，斷口處拉開達(dá)7～8 cm，無頸縮并呈明顯的脆性破壞，且個(gè)別腹桿發(fā)生拉裂及壓彎破壞。同時(shí)，1號(hào)～4號(hào)榀屋架之間的垂直支撐由于屋架下沉造成個(gè)別桿件彎曲，情況十分危急。由此，豐滿發(fā)電廠召集多方專家組成專家組，對事故原因進(jìn)行了認(rèn)真分析。

首先，根據(jù)現(xiàn)場取樣進(jìn)行的材質(zhì)分析，豐滿一期廠房排架柱中鋼骨架及屋架，為日本30年代沸騰鋼產(chǎn)品，據(jù)檢測結(jié)果對比分析，金相組織次于目前常用的普通鋼材。由于產(chǎn)品年代久遠(yuǎn)，缺乏與之對應(yīng)的材料參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，且難以查到其相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其材質(zhì)強(qiáng)度相當(dāng)于現(xiàn)在Q275鋼材，而其抗沖擊功指標(biāo)在20℃的情況下僅為9—18 J，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的27 J，無法達(dá)到Q235B的最低要求，鋼材材質(zhì)呈明顯的脆性。冷彎試驗(yàn)亦不滿足規(guī)范要求。

其次，屋面防水多次改造。自上世紀(jì)60年代年以來，一期主廠房屋面共經(jīng)歷了5次全面的防水大修和幾次局部防水大修。其中，1985年以前的2次防水屋面大修施工，均是采取清除老防水再鋪設(shè)新防水。1985年以后的3次防水屋面大修施工，施工方法是直接在原防水層上鋪新防水層，然后在其上抹水泥砂漿保護(hù)層，但其厚度至少有50 cm。由此造成屋架外載加大。

其三，冬季檢修及吊車運(yùn)行。7號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子吊裝檢修發(fā)生在氣溫最寒冷的1月份，據(jù)多年氣象資料統(tǒng)計(jì)，其當(dāng)月最低氣溫達(dá)到-40℃，廠房排架結(jié)構(gòu)由此產(chǎn)生了較大的溫度變形和較大應(yīng)力，在此條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)子吊運(yùn)亦增大了屋架下弦桿的拉力。

綜合上述情況，一期廠房屋架的斷裂系由多方面因素造成，其主因還是材質(zhì)的脆性老化。由于屋架與廠房排架結(jié)構(gòu)為整體鉚接型式。排架柱內(nèi)亦使用了同材質(zhì)鋼材，不具備拆除更新的可能性。

3 加固方案的確定

因原鋼屋架材質(zhì)冷彎試驗(yàn)指標(biāo)不合格，抗沖擊功指標(biāo)較低，材料呈脆性，在沖擊荷載作用下容易脆斷，及屋面荷載偏大等原因造成屋架不堪重負(fù)，必須對排架進(jìn)行減載加固。由于一期廠房結(jié)構(gòu)為鋼骨混凝土（含屋面）與鋼屋架形成整體鉚接及整體澆注結(jié)構(gòu)，并同時(shí)考慮運(yùn)行和施工安全。排除了拆除更新方案，而采用了抱柱錨拉的預(yù)應(yīng)力錨索方案。該方案特點(diǎn)是利用吊車柱小柱在屋架下弦桿附近的外側(cè)設(shè)置抱柱鋼梁，通過對穿錨索后張拉，以共同承擔(dān)或取代屋架下弦桿的受力，以期達(dá)到加固的目的。

3.1 錨索噸位選擇

錨索噸位的選擇原則以屋架下弦最大受力情況作為依據(jù)，根據(jù)屋面改造及鋼屋架復(fù)核結(jié)果，選擇兩束噸位為600 kN錨索，每榀屋架的錨索能承受超張拉力為1 380 kN。在屋面減載后，錨索超張拉后可達(dá)到屋架下弦桿最大拉力的同等水平。另外，為保證在錨索張拉時(shí)上、下游墻體與柱的穩(wěn)定，同時(shí)避免錨索松弛后影響廠內(nèi)吊車的運(yùn)行，在錨索下設(shè)置支撐槽鋼，支撐槽鋼以撐住墻體并保持穩(wěn)定為原則，還起到了托住錨索的作用。按照盡量減輕屋架荷載及完全抱住錨索，支撐采用了[16a的槽鋼，每榀屋架下設(shè)置兩根支撐槽鋼，槽鋼兩頭焊接厚10 mm的鋼板，支撐于上、下游墻內(nèi)側(cè)。在鋼板上對應(yīng)于墻上錨索開孔位置處開孔，孔內(nèi)設(shè)置鋼管用于定位并鎖定抱柱梁和支撐槽鋼。以確保加固的效果及施工安全（見圖1）。

圖1 對穿錨索示意圖

實(shí)施當(dāng)中，錨索采用抱柱梁抱柱的型式進(jìn)行張拉，抱柱梁尺寸為1.3×0.47×0.32 m，根據(jù)其低溫運(yùn)用條件，材質(zhì)選擇為Q235C，抱柱錨索間距1 m。施工時(shí)利用廠房窗跺搭設(shè)簡易操作平臺(tái)，解決錨索張拉施工問題。由于抱柱梁整體質(zhì)量較輕，采取在屋面架設(shè)小噸位葫蘆吊裝到位，利用混凝土墻孔上設(shè)置的定位鋼管將抱柱梁及支撐槽鋼定位并鎖定，以保證施工安全和錨索的張拉作業(yè)。

3.2 錨索初期加載噸位選擇

根據(jù)選定支撐槽鋼截面特性及受壓時(shí)的壓桿穩(wěn)定，按吊車水平剎車力等不利荷載，確定每品排架錨索加載噸位為100 kN。

3.3 排架柱加固型式選擇

根據(jù)排架柱承載力復(fù)核結(jié)果，一期廠房上、下游排架柱大柱根部控制截面的正截面強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。但排架柱小柱根部控制截面的正截面強(qiáng)度不能滿足規(guī)范要求，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況決定采取外包鋼的方法對小柱進(jìn)行加固設(shè)計(jì)和施工。

3.4 屋面減載措施

減載措施主要結(jié)合保溫同時(shí)進(jìn)行，由于一期廠房原有屋面為內(nèi)保溫措施，目前已基本失效，故減載結(jié)合保溫可更好解決冬季運(yùn)行時(shí)的室內(nèi)溫升。減載采取挖除屋面防水改造時(shí)的多層后鋪設(shè)的防水層，替代以輕型保溫及新的防水層。

3.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測

在排架結(jié)構(gòu)加固的同時(shí)，針對屋架破壞程度及加固后的錨索、排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的跟蹤監(jiān)測，檢測手段主要以錨索測力、在屋架及排架柱埋設(shè)應(yīng)力、應(yīng)變等設(shè)施，以期監(jiān)測整體加固的效果以便及時(shí)提出安全預(yù)警。通過7號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子吊裝就位觀測及分析，加固措施達(dá)到了預(yù)期效果。實(shí)測結(jié)果如表1及圖2。

表1 索力及排架變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖2 實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

4 加固效果評價(jià)

加固后的一期廠房排架柱，經(jīng)過轉(zhuǎn)子吊裝歸位的運(yùn)行實(shí)踐，證明加固后的排架能夠滿足機(jī)組檢修及運(yùn)行要求。在完成7號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子歸位安裝工作期間，通過埋設(shè)的觀測設(shè)備監(jiān)測到7號(hào)機(jī)（11號(hào)榀）排架每束錨索受力最大值為360 kN，其初始值 168 kN；3號(hào)排架錨索受力最大值為 264 kN，初始值16.8 kN。由此可以看出，在吊車起吊轉(zhuǎn)子等大件時(shí)對鋼屋架產(chǎn)生了較大的影響。由于起吊時(shí)段處于春夏交接季節(jié)，氣溫回升到23℃左右，排架結(jié)構(gòu)受力條件隨汽溫回升而得到改善，由此驗(yàn)證采用每束600 kN的錨索是合理和安全的。

由于一期廠房鋼屋架構(gòu)件的冷彎試驗(yàn)指標(biāo)不合格，抗沖擊功指標(biāo)較低，在動(dòng)力荷載的沖擊作用下易發(fā)生脆性破壞，同時(shí)吊車小車運(yùn)行速度對產(chǎn)生水平剎車力大小的影響至關(guān)重要，故在吊車起吊重物時(shí)，尤其在冬季最寒冷月份，遵循廠內(nèi)橋機(jī)小車在低速檔位下運(yùn)行的原則，以降低水平剎車力對排架的不利影響是有實(shí)際意義的。

為了確保外包鋼與原廠房排架柱結(jié)合面有效的傳遞剪力以提高整體承載力，排架柱加固后，對原廠房結(jié)構(gòu)上的鉆孔及外包鋼與原結(jié)構(gòu)混凝土間的縫隙實(shí)施了環(huán)氧砂漿進(jìn)行封堵，從運(yùn)行情況及監(jiān)測成果分析可知，該項(xiàng)措施對保證加固構(gòu)件與原有結(jié)構(gòu)的整體性是非常重要的。