周文亮

(鄂爾多斯市神東工程設(shè)計(jì)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

近年來，煤炭企業(yè)被要求不斷提質(zhì)增效，然而我國大部分煤礦建礦于80年代，由于煤炭生產(chǎn)的特殊性，對(duì)生產(chǎn)廠房造成了不同程度的損壞。特別是鋼結(jié)構(gòu)廠房，由于大多數(shù)煤礦企業(yè)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房的防腐、防火工作開展不力，使得這些廠房不同程度的損壞，有些甚至是瀕臨失效。這就需要對(duì)這些鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行加固改造，同時(shí)，由于使用維修不當(dāng)或者建造質(zhì)量原因，許多廠房均存在諸多問題，有些甚至相當(dāng)嚴(yán)重，危及到結(jié)構(gòu)安全。但是由于新建廠房一次性投資較大，所以，盡管廠房存在一些問題，使用單位往往都會(huì)忽略這些問題，不會(huì)立即拆除，而是花少量的投資采用結(jié)構(gòu)加固的辦法來改造處理。

目前，我國鋼結(jié)構(gòu)加固、改造的主要方法有：減少荷載、改善結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面面積和節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度、阻止裂紋擴(kuò)展、粘碳纖維布(鋼板)等[1-4]。當(dāng)有成熟施工經(jīng)驗(yàn)，或已經(jīng)用于實(shí)際工程并取得良好的加固、改造效果時(shí)，也可以采用其它方法進(jìn)行加固、改造。減少荷載法通常用于改變現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)使用用途，從而減少其恒載及活荷載[5-7]。但是減少荷載法實(shí)用性較差，大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)加固、改造都是由于荷載增加造成，很少有減少荷載的鋼結(jié)構(gòu)加固、改造；改善結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的加固方法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點(diǎn)性質(zhì)和邊界條件，增設(shè)附加桿件和支撐、施加預(yù)應(yīng)力、考慮空間協(xié)同工作等措施對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法；加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面面積和節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度法較為常用，采用加大現(xiàn)有構(gòu)件截面加固鋼構(gòu)件時(shí)，所選用截面形式必須有利于加固技術(shù)要求并考慮已有缺陷和損傷的狀況；阻止裂紋擴(kuò)展法也較通用，鋼結(jié)構(gòu)因荷載反復(fù)循環(huán)作用或者由于材料選擇、構(gòu)件連接構(gòu)造、構(gòu)件加工制造、施工安裝方法不當(dāng)?shù)犬a(chǎn)生具有擴(kuò)展性或脆斷傾向性裂紋損傷時(shí)，應(yīng)設(shè)法修復(fù)[8-10]。在修復(fù)前，必須分析產(chǎn)生裂紋的原因及其影響的嚴(yán)重性，有針對(duì)性地采取改善結(jié)構(gòu)實(shí)際工作或進(jìn)行加固的措施，對(duì)不宜采用修復(fù)加固的構(gòu)件，應(yīng)予拆除更換。粘碳纖維布(鋼板)法通常用于鋼框架梁加固，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效果。

1 工程背景及概況

神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦是神東整合地方小井資源建成的一座特大型現(xiàn)代化礦井。其位于陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層賦存穩(wěn)定，煤質(zhì)優(yōu)良。礦井于2004年12月8日建成投產(chǎn)，哈拉溝煤礦井田面積72.4 km2，工業(yè)儲(chǔ)量9.95億t，可采儲(chǔ)量6.8億t。核定生產(chǎn)能力1 250萬t，服務(wù)年限為52.4 a。哈拉溝選煤廠是為哈拉溝煤礦配備的專業(yè)選煤廠，隸屬于洗選中心的一座現(xiàn)代化礦井型洗煤廠，地處陜蒙兩省交界處的烏蘭木倫河?xùn)|側(cè)哈拉溝礦井工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)。該廠共有設(shè)備357臺(tái)，除膠帶機(jī)、刮板機(jī)、給煤機(jī)和部分泵為國產(chǎn)以外，其它主要設(shè)備均從澳大利亞、美國、英國進(jìn)口。伴隨著煤炭洗選的快速發(fā)展，哈拉溝洗煤廠主廠房破碎能力已經(jīng)達(dá)不到生產(chǎn)任務(wù)要求，屬于組織生產(chǎn)過程中一處“瓶頸”，需要對(duì)主廠房SHUMAR破碎機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造。

2 主廠房破碎機(jī)更換加固改造方案

主廠房破碎機(jī)更換改造方案如下：拆除現(xiàn)有主廠房SHUMAR破碎機(jī)，更換為破碎效率更高的MMD625破碎機(jī)。現(xiàn)有主廠房SHUMAR破碎機(jī)生產(chǎn)能力為400 t/h，改造后MMD625破碎機(jī)生產(chǎn)能力最大能達(dá)到2 000 t/h。經(jīng)核實(shí)現(xiàn)有SHUMAR破碎機(jī)荷載(機(jī)+料)為8.6 t，改造后MMD625破碎機(jī)荷載(機(jī)+料)為18.5 t。由此可見，改造后MMD625破碎機(jī)荷載增加為現(xiàn)有SHUMAR破碎機(jī)2倍之多。根據(jù)《化工、石化建(構(gòu))筑物樓面荷載設(shè)計(jì)規(guī)定》HG/T 20674—2005，雙輥式破碎機(jī)豎向荷載動(dòng)力系數(shù)為：2.5(機(jī)+料)，水平荷載動(dòng)力系數(shù)為：2(機(jī)+料)，考慮動(dòng)力系數(shù)后增加荷載24.75 t，由于荷載增加太多給結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)造成諸多困難。

現(xiàn)有主廠房為鋼框架結(jié)構(gòu)局部7層，錯(cuò)層、加層比較多，且主廠房?jī)?nèi)設(shè)置有篩分設(shè)備，篩分設(shè)備主梁采用桁架結(jié)構(gòu)。綜上，主廠房雖為鋼框架結(jié)構(gòu)，但是考慮錯(cuò)層、加層以及部分桁架結(jié)構(gòu)，傳力路徑較為復(fù)雜。所以，改造采用PKPM整體建模，即將7層框架結(jié)構(gòu)全部建模進(jìn)行計(jì)算分析。圖1、圖2為PKPM軟件核算構(gòu)件截面及計(jì)算內(nèi)力。

圖1 主廠房框架柱應(yīng)力比圖

圖2 主廠房框架梁應(yīng)力比圖

由圖1、2可知：框架柱主應(yīng)力比超限，且框架柱平面外穩(wěn)定接近極限值要求；框架梁主要是平面內(nèi)穩(wěn)定超限，且框架梁主應(yīng)力比較大(滿足要求)。經(jīng)初步分析框架柱采用增加截面法進(jìn)行加固，框架梁采用梁底貼板(鋼板)加固法，同時(shí)框架梁由于平面內(nèi)穩(wěn)定超限，所以，增加雙面@1 500 mm(間距為1 500 mm)橫向加勁肋。經(jīng)PKPM復(fù)核計(jì)算，框架柱、梁主應(yīng)力比、平面內(nèi)及平面外穩(wěn)定均符合要求。

考慮到破碎機(jī)動(dòng)力效應(yīng)較為明顯，特別是對(duì)于框架梁，當(dāng)破碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)框架梁及樓板振動(dòng)比較明顯，給結(jié)構(gòu)的耐久性帶來危害。同時(shí)，由于梁、板振動(dòng)幅度較大、頻率較快，給操作和檢修人員帶來不同程度的心理壓力。較為典型的案例就是布爾臺(tái)煤礦主井井口驅(qū)動(dòng)機(jī)房改造工程，由于該礦主井膠帶機(jī)過長(zhǎng)(1 000 m以上)，驅(qū)動(dòng)底座螺栓被拉斷一條。經(jīng)改造將原有地腳螺栓直接箍于現(xiàn)有框架梁上，改造后原有框架梁、板振動(dòng)較大。經(jīng)礦方、設(shè)計(jì)等單位勘察現(xiàn)場(chǎng)，開會(huì)討論確定采用增加柱間支撐的加固方案。增加柱間支撐后現(xiàn)有梁、板振動(dòng)幅度明顯減小，滿足規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)舒適度要求。所以，本工程也同樣需要增加柱間支撐，來消耗水平力及振動(dòng)荷載。但增加柱間支撐后會(huì)影響下層設(shè)備平面布置，而本工程橫向布置有膠帶機(jī)，所以采用倒八字形柱間支撐，這樣才可以保證膠帶機(jī)在下層順利通過，對(duì)于縱向則采用十字形支撐，不影響設(shè)備布置。其加固、改造設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。經(jīng)PKPM計(jì)算復(fù)核，增加柱間支撐后框架梁、柱主應(yīng)力比及平面內(nèi)、外穩(wěn)定系數(shù)大幅下降，滿足相關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求。

圖3 主廠房框架柱應(yīng)力比圖

圖4 主廠房框架柱應(yīng)力比圖

3 改造后的效果

采取上述加固、改造措施后主廠房效果圖，如圖5所示，改造后MMD625破碎機(jī)能夠正常工作，經(jīng)檢測(cè)改造后框架梁、板振幅及頻率均能滿足相關(guān)規(guī)范及規(guī)程規(guī)定，也符合使用要求。證明本次改造取得預(yù)定效果，同時(shí)也驗(yàn)證加固、改造方案的合理性。

圖5 增加柱間支撐改造后現(xiàn)場(chǎng)效果圖

4 結(jié)論

(1)工業(yè)建筑對(duì)破碎機(jī)、篩分機(jī)、膠帶機(jī)等動(dòng)力設(shè)備進(jìn)行加固改造時(shí)，特別要注意動(dòng)力設(shè)備的動(dòng)力系數(shù)。然而，實(shí)際工程中必須考慮動(dòng)力系數(shù)的影響，工程技術(shù)人員可以參考相關(guān)行業(yè)規(guī)范，否則可能達(dá)不到預(yù)定加固、改造目標(biāo)。

(2)對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，不管是混凝土框架結(jié)構(gòu)還是鋼框架結(jié)構(gòu)，增加柱間支撐是工業(yè)建筑經(jīng)常采用的一種加固手段。增加柱間支撐對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以大幅降低框架配筋率，減少加固、改造的工程量，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)可以大幅降低梁、柱應(yīng)力比、平面內(nèi)及平面外穩(wěn)定系數(shù)。從而達(dá)到“事半功倍”的效果。

(3)準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的受力體系、明確結(jié)構(gòu)傳力路徑是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固、改造的前提。必須引起工程技術(shù)人員足夠重視，這樣才能做到有的放矢。