趙維英 吳劍平

(1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021;2.天地金草田(北京)科技有限公司，北京 100013)

1 工程概況

山西天地王坡煤業(yè)有限公司選煤廠705膠帶輸送機(jī)通廊支架建于2004年，為五層框架結(jié)構(gòu)，支架高27.3 m，其中框架柱為變截面柱，一層柱截面為1 200 mm×1 200 mm，二、三、四、五層柱截面為600 mm×600 mm;一層框架梁截面為400 mm×1 000 mm，其余各層均為300 mm×750 mm。使用過程中，由于煤泥堆積過高，且冬季煤泥結(jié)冰凍脹，導(dǎo)致二層以上4根框架柱全部產(chǎn)生傾斜，二、三層梁端部混凝土脫落，鋼筋變形失效，其中二、三層框架梁產(chǎn)生較大的水平方向彎曲變形，見圖1。

圖1 支架破壞圖

2 破壞機(jī)理分析

從現(xiàn)場(chǎng)破壞情況看，支架柱在二層以上傾斜程度較為明顯，而支架梁的變形主要表現(xiàn)為水平方向的彎曲變形。結(jié)合煤泥堆積及凍脹的實(shí)際情況分析:

1)柱傾斜破壞機(jī)理。

煤泥堆積對(duì)柱身產(chǎn)生水平推力作用，同時(shí)煤泥在結(jié)冰的狀態(tài)下對(duì)柱身產(chǎn)生水平凍脹力，使框架柱產(chǎn)生較大的彎矩，而框架柱在二層以上截面由1 200 mm×1 200 mm減小為600 mm×600 mm，抵抗水平變形的剛度不足，導(dǎo)致柱產(chǎn)生傾斜;特別是柱變截面處應(yīng)力產(chǎn)生突變，導(dǎo)致該處節(jié)點(diǎn)為弱節(jié)點(diǎn)區(qū)域，容易使框架柱產(chǎn)生傾斜破壞。

2)梁變形破壞機(jī)理。

一方面由于柱的傾斜變形，在梁端產(chǎn)生沿梁縱向的附加水平推力;另一方面，煤泥的大量堆積對(duì)梁產(chǎn)生橫向的水平推力，同時(shí)煤泥由于凍脹而對(duì)梁側(cè)面產(chǎn)生水平推力，再加上豎向煤壓及作用于梁底的法向凍脹力，使梁處于三向受力狀態(tài)，改變了梁原有的破壞方式，使梁由梁構(gòu)件的破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴谥鶚?gòu)件的壓彎破壞模式，導(dǎo)致梁產(chǎn)生“失穩(wěn)”破壞。

3 加固方案

3.1 加固原則

針對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞情況，采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院的PKPM軟件進(jìn)行承載力復(fù)核驗(yàn)算，采用支架的初始狀態(tài)進(jìn)行建模。驗(yàn)算所采用的參數(shù)分別為:

1)混凝土強(qiáng)度為C30。

2)抗震設(shè)防烈度6度，基本地震加速度為0.05g，基本風(fēng)壓0.5 kN/m2。

3)支架支座反力恒載170 kN、活載150 kN以及一、二層梁上煤壓140 kN/m、三、四層梁上煤壓95 kN/m，同時(shí)需考慮皮帶運(yùn)行對(duì)支架頂端產(chǎn)生的水平拉力225 kN。

復(fù)核驗(yàn)算結(jié)果表明:在初始狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)基本能滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)使用要求。該結(jié)果說明在皮帶運(yùn)行以及煤泥堆積的情況下，支架結(jié)構(gòu)能滿足使用要求而不至于出現(xiàn)破壞，而導(dǎo)致該支架破壞的主要原因則為附加的凍脹效應(yīng)。

因此在設(shè)計(jì)加固方案時(shí)，主要應(yīng)遵循以下幾方面的原則:

1)對(duì)于已經(jīng)損壞的構(gòu)件，特別是損壞的框架梁，需重新修復(fù);

2)盡量提高原框架梁柱抵抗煤泥凍脹的作用，即主要提高構(gòu)件抵抗水平凍脹力的作用;

3)由于柱產(chǎn)生的傾斜不能恢復(fù)，為了支架后續(xù)能正常使用，必須控制其水平方向繼續(xù)產(chǎn)生過大的位移。

3.2 梁加固

1)五層支架沒有受到煤泥堆積所產(chǎn)生的影響，該層框架梁沒有產(chǎn)生過大的變形及外觀損傷，因此對(duì)該層所有主次梁進(jìn)行粘貼碳纖維布加固，碳纖維布規(guī)格為300 g/m2，梁底粘貼兩層與梁等寬碳纖維布，梁側(cè)粘貼兩層寬200 mm@200 mm的碳布U型箍，以提高梁抗拉及抗剪承載力，見圖2。

圖2 粘碳加固梁

2)對(duì)四層處所有框架梁及二、三層處未明顯損傷及變形的梁進(jìn)行外包鋼加固，梁身四轉(zhuǎn)角處采用L100×14 mm角鋼加固，并以5 mm厚扁鋼作為綴板，待鋼材焊接完成后，二次灌注灌鋼膠，同時(shí)提高梁抵抗水平及豎向變形的剛度，見圖3。

3)拆除二、三層處嚴(yán)重?fù)p壞的梁并保留原鋼筋，然后采用高強(qiáng)灌漿料重新配筋澆筑。該方案重點(diǎn)是增加梁腰筋面積，將原3排φ12腰筋變?yōu)?排φ18腰筋，并將重新澆筑的梁截面由原300 mm×750 mm增加為400 mm×900 mm，既提高梁抵抗水平變形的剛度，同時(shí)又提高梁受煤壓時(shí)的抗拉及抗剪承載力，如圖4所示。

圖3 外包鋼加固梁

圖4 新做框架梁

3.3 柱加固

1)為了控制柱繼續(xù)產(chǎn)生過大的水平位移，對(duì)二層及以上框架柱采用全包鋼加固。包鋼法可以提高柱的剛度，抑制柱的水平位移，同時(shí)包鋼加固后使柱具有良好的延性和耗能性能［1］，再者由于新增鋼板箍的橫向約束作用，使混凝土柱處于良好的三向受力狀態(tài)，因此能大幅提高柱的承載力，而且柱的截面面積和重量增加很少，對(duì)基礎(chǔ)的影響不大。

選用的鋼板厚度為16 mm，鋼材與鋼材之間采用坡口焊，鋼板與混凝土表面采用M12化學(xué)錨栓固定，再采用灌鋼膠二次灌注，使鋼板與混凝土形成整體構(gòu)件，共同受力、變形，利用鋼板強(qiáng)度與剛度彌補(bǔ)混凝土強(qiáng)度與剛度的不足，見圖5。

同時(shí)對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)進(jìn)行了加強(qiáng)處理，在變截面處加設(shè)加勁板，以大幅提高二層以及以上框架柱的抗壓強(qiáng)度及抵抗水平變形的剛度。

2)一層框架柱截面較大，能有效抵抗冬季煤泥產(chǎn)生的凍脹推力，但由于該區(qū)域?yàn)槊耗嗟拇娣劈c(diǎn)，且一般情況下煤泥在該區(qū)域堆積的時(shí)間較長(zhǎng)，因此受到煤泥中有害物質(zhì)腐蝕的概率較大，容易引起柱表面混凝土的腐蝕及鋼筋的銹蝕。針對(duì)混凝土易腐蝕的特點(diǎn)，采用粘貼碳纖維布加固。碳纖維布具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，并且具有10倍于鋼筋的抗拉強(qiáng)度，選用的碳纖維布規(guī)格為200 g/m2，柱四周滿粘2層碳布環(huán)形箍，一方面提高一層框架柱的延性及抗剪承載力，另一方面能有效阻隔煤泥中有害物質(zhì)對(duì)柱混凝土的侵蝕，見圖6。

圖5 全包鋼加固柱

圖6 粘碳加固柱

4 結(jié)語

加固方案中修復(fù)了損壞的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，提高了框架結(jié)構(gòu)抵抗煤泥凍脹作用的能力，并且能在自重增加很小的情況下有效地控制結(jié)構(gòu)水平方向的位移。

王坡煤礦采用上述修復(fù)加固方案對(duì)支架進(jìn)行加固，滿足了支架的受力和變形要求，使得支架結(jié)構(gòu)受力得到較為明顯的改善，現(xiàn)在已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)并且投入使用，保證了煤炭裝載與運(yùn)輸作業(yè)的安全。

［1］盧亦焱，陳少雄，趙國(guó)藩.外包鋼與碳纖維布復(fù)核加固鋼筋混凝土柱抗震性能研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2005，38(8):10-17.

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［3］杜兆成，孫瑛琳，蔣大恩.季節(jié)性凍土區(qū)路基土的凍脹特性分析［J］.長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，7(2):17-20.

［4］徐福泉.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁靜載性能研究［D］.北京:中國(guó)建筑科學(xué)研究院，2001.

［5］GB 50367-2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］崔政文.洗煤廠技改項(xiàng)目主廠房加固施工技術(shù)［J］.西北煤炭，2007，5(4):24-26.