鋼管架負(fù)載加固設(shè)計(jì)

張維秀

中國石油集團(tuán)東北煉化工程公司吉林設(shè)計(jì)院 吉林 132002

鋼管架負(fù)載加固設(shè)計(jì)

張維秀*

中國石油集團(tuán)東北煉化工程公司吉林設(shè)計(jì)院 吉林 132002

鋼管架是石油化工行業(yè)經(jīng)常遇到的一種重要特種結(jié)構(gòu)，作用是支承架空管道，具有量大面廣、形式復(fù)雜多變的特點(diǎn)。而隨著企業(yè)發(fā)展，當(dāng)出現(xiàn)裝置技術(shù)改造、增加產(chǎn)能等情況時(shí)，管架上經(jīng)常需要增大或增設(shè)管道，導(dǎo)致使用荷載超過管架承載能力的情況，需要加固處理。同時(shí)由于裝置改造的緊迫性和經(jīng)濟(jì)性要求，管架經(jīng)常處于負(fù)載情況下加固，這就導(dǎo)致按傳統(tǒng)計(jì)算方法會(huì)出現(xiàn)不安全的隱患。本文對(duì)現(xiàn)有的兩本鋼結(jié)構(gòu)加固行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在負(fù)載加固條件、計(jì)算原則和計(jì)算公式等進(jìn)行對(duì)比，并給出鋼結(jié)構(gòu)管架增荷改造加固設(shè)計(jì)實(shí)例，進(jìn)一步說明兩種算法及傳統(tǒng)算法差異。

鋼管架 加固 負(fù)載 應(yīng)力比

鋼結(jié)構(gòu)加固有改變計(jì)算受力模型、增大截面、加強(qiáng)連接節(jié)點(diǎn)和阻止裂紋開展方法等，鋼結(jié)構(gòu)加固施工有負(fù)載加固、部分負(fù)載加固、卸載加固、拆下加固和更新部件進(jìn)行加固等方法。鋼結(jié)構(gòu)加固需綜合考慮施工、生產(chǎn)及費(fèi)用等因素，所以管架及石油化工廠房的加固一般是在負(fù)載或部分負(fù)載情況下進(jìn)行的，負(fù)載下焊接增大截面加固方法是石油化工鋼結(jié)構(gòu)加固中最常用的方法。

盡管這種鋼結(jié)構(gòu)加固方法常用，但理論研究卻不多見[1,2]。傳統(tǒng)方法中，不管現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的負(fù)載水平，同新建結(jié)構(gòu)一樣，一次加載計(jì)算，差多少補(bǔ)多少。由于初始變形的存在，補(bǔ)強(qiáng)部分應(yīng)力滯后不能充分發(fā)揮強(qiáng)度，這樣的負(fù)載加固是缺乏科學(xué)性的、不安全的。鑒于國家標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)加固規(guī)范正在編制，作者對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》CECS 77:96(以下簡(jiǎn)稱協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn))和《鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)定及加固技術(shù)規(guī)程》YB 9257-96(以下簡(jiǎn)稱冶金標(biāo)準(zhǔn))在負(fù)載加固條件、計(jì)算原則和計(jì)算公式等方面進(jìn)行對(duì)比，并給出管架加固實(shí)例，分析兩本規(guī)范以及傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果的差異。

1 負(fù)載加固條件

為了確保鋼結(jié)構(gòu)在負(fù)載情況下加固施工過程中結(jié)構(gòu)的安全性以及加固后結(jié)構(gòu)承載可靠性，通常用應(yīng)力比限值作為負(fù)載加固條件。冶金標(biāo)準(zhǔn)第5.1.3.3條規(guī)定應(yīng)力比為構(gòu)件加固時(shí)截面的應(yīng)力σ和鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f 的比值β=σ/f；協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)雖未明確定義應(yīng)力比的概念，但在5.1.4中規(guī)定最大名義應(yīng)力應(yīng)按構(gòu)件的設(shè)計(jì)工作條件類別預(yù)以限制，隱含應(yīng)力比為構(gòu)件加固時(shí)截面的名義應(yīng)力σ和鋼材的屈服強(qiáng)度fy的比值=σ/fy?？梢妰杀疽?guī)范應(yīng)力比的概念是不同的，限值也不同，具體比較見表1。

表1 應(yīng)力比限值比較

應(yīng)力比限值越嚴(yán)格(應(yīng)力比限值小)，構(gòu)件在負(fù)載下加固越安全，但負(fù)載下加固方法應(yīng)用的范圍就越??；應(yīng)力比限值越松(應(yīng)力比限值大)，則會(huì)影響加固施工安全，而且由于原構(gòu)件加固時(shí)的變形很大，加固后新增加固件的應(yīng)力滯后效應(yīng)越嚴(yán)重，不能充分發(fā)揮強(qiáng)度，加固效果不明顯。

由表1可見協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)力比限值條件比冶金標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格得多，特別是靜力荷載條件下，協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)力比最大值為0.55，冶金標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)力比最大值為0.8。建議國家規(guī)范編制時(shí)適當(dāng)嚴(yán)格限制應(yīng)力比，因?yàn)殪o力荷載條件下，應(yīng)力比為0.8時(shí)，意味著補(bǔ)強(qiáng)部分只能發(fā)揮大約20%的鋼材強(qiáng)度，加固效果已不明顯，而實(shí)際工程中，考慮活荷載的存在，加固時(shí)應(yīng)力比是可以降下來的。

2 強(qiáng)度腐蝕降低系數(shù)

當(dāng)截面積損失大于25%或板件剩余厚度小于5mm時(shí)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)根據(jù)腐蝕程度折減，但兩本規(guī)范折減系數(shù)存在較大差異，見表2。同等腐蝕條件下，協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度腐蝕降低系數(shù)比冶金標(biāo)準(zhǔn)小5%以上。

表2 強(qiáng)度設(shè)計(jì)值腐蝕折減系數(shù)

3 計(jì)算原則

3.1 原有構(gòu)件截面邊緣屈服準(zhǔn)則

認(rèn)為構(gòu)件加固后在新增荷載作用下新、舊截面共同工作，忽略塑性變形后新、舊截面間應(yīng)力重分布影響。加固前荷載由原結(jié)構(gòu)構(gòu)件承擔(dān)，加固后增加荷載由組合截面共同承擔(dān)，控制條件是原構(gòu)件截面邊緣屈服，即：

σ=σ0+Δσ0≤f

(1)

式中，σ為加固后原構(gòu)件截面邊緣應(yīng)力，N/mm2；σ0為加固前原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件邊緣應(yīng)力N/mm2；Δσ0為加固后新增荷載作用下，原有構(gòu)件邊緣增加的應(yīng)力，N/mm2。

3.2 加固后全截面邊緣屈服準(zhǔn)則

認(rèn)為加固后構(gòu)件新、舊截面在塑性變形條件下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力重分布[1]?？紤]焊接加固附加變形和殘余應(yīng)力等因素對(duì)承載能力的影響，忽略新增截面的應(yīng)力滯后效應(yīng)，對(duì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值采用加固折減系數(shù)折減來保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力：

σ≤kf

(2)

式中,k為強(qiáng)度折減系數(shù)。

3.3 采用的屈服準(zhǔn)則

冶金標(biāo)準(zhǔn)對(duì)承受動(dòng)力荷載構(gòu)件的加固采用方法一，理由是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017對(duì)承受動(dòng)力荷載的鋼結(jié)構(gòu)不考慮塑性發(fā)展系數(shù)，不考慮應(yīng)力重分布。對(duì)承受靜力荷載的構(gòu)件采用方法二，考慮塑性變形應(yīng)力重分布。協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)采用第二種計(jì)算方法，但對(duì)不同的使用條件和設(shè)計(jì)內(nèi)容規(guī)定了不同的折減系數(shù)。協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)和冶金標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度折減系數(shù)具體表示如下：

3.3.1 協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度折減系數(shù)

軸心受力(拉)：0.85(I、II)、0.90(III、IV)。

軸心受力(壓)：

ηEm=0.85-0.23σ0/fy

只受彎：0.85(I、II)、0.90(III、IV)。

拉彎或壓彎：0.85(I、II)、0.90(III、IV)。

當(dāng)N/An≥0.55fy時(shí)，用以下公式計(jì)算：

ηEm=0.85-0.23σ0/fy

3.3.2 冶金標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度折減系數(shù)

軸心受力：0.80。

只受彎：0.90。

拉彎或壓彎：0.80。

4 強(qiáng)度計(jì)算公式

兩本規(guī)范用于各類構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

4.1 協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)

軸心受力：

只受彎：

拉彎或壓彎：

4.2 冶金標(biāo)準(zhǔn)

(1)軸心受力

承受靜力時(shí)：

承受動(dòng)力時(shí)：

(2)只受彎

承受靜力時(shí)：

承受動(dòng)力時(shí)：

(3)拉彎或壓彎

承受靜力時(shí)：

承受動(dòng)力時(shí)：

5 穩(wěn)定計(jì)算公式

穩(wěn)定計(jì)算方法采用的原則和強(qiáng)度計(jì)算基本相同。在軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算方法中，對(duì)于加固前的穩(wěn)定系數(shù)φ°兩規(guī)范均按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017-2003相應(yīng)構(gòu)件截面分類確定，加固后的穩(wěn)定系數(shù)φ取值規(guī)定略有不同，協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定統(tǒng)一按C類截面確定，冶金標(biāo)準(zhǔn)仍采用GB 50017規(guī)定的方法確定。這將導(dǎo)致在不屬于軸心受壓構(gòu)件的C類截面加固時(shí)兩規(guī)范計(jì)算結(jié)果存在差異。

6 管架加固實(shí)例

某鋼結(jié)構(gòu)管架原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布置見圖1，采用Q345-B鋼材。原設(shè)計(jì)荷載一、二層管道凈重12kN/m，物料重12kN/m，三、四層管道凈重14kN/m，物料重14kN/m，五層電纜橋架凈重6kN/m，活荷載6kN/m?，F(xiàn)根據(jù)改造需要， ④⑤⑥軸增大部分三層管道，管道凈重增加到20kN/m，物料重增加到20kN/m。施工時(shí)各層管道中的物料全部放空，三層管道凈重減為7kN/m，其他層管道凈重不變。

圖1 結(jié)構(gòu)布置

分四種工況進(jìn)行計(jì)算：

(1)原結(jié)構(gòu)不加固驗(yàn)算，確定是否需要加固。結(jié)構(gòu)按原設(shè)計(jì)，荷載按需要改造的荷載，⑥軸管道推力產(chǎn)生的跨中水平彎矩設(shè)計(jì)值為42kN-m。

(2)卸荷工況，計(jì)算梁跨中加固初始應(yīng)力。一、二層管道凈重12kN/m，三層管道凈重7kN/m，四層管道凈重14kN/m，電纜橋架凈重6kN/m，活荷載全部為0，結(jié)構(gòu)按原結(jié)構(gòu)。

(3)增荷工況，計(jì)算梁跨中增加應(yīng)力。三層管道凈重13kN/m，物料重20kN/m，其他層管道重取0，物料重和活荷載按原設(shè)計(jì)取值，結(jié)構(gòu)按加固后的結(jié)構(gòu)，即將第三層H鋼梁跨中的上、下翼緣內(nèi)面焊接四塊100×6的Q345鋼板，長(zhǎng)度2m，加固結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 加固詳圖

(4)增荷后設(shè)計(jì)工況，復(fù)核梁端及管架柱強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)按加固后的結(jié)構(gòu)，荷載全部按改造后的荷載，考慮風(fēng)和地震。由于第三層支承振動(dòng)管道，根據(jù)《化工工程管架管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.2條規(guī)定，對(duì)該層管道豎向荷載和水平推力分別乘以1.3動(dòng)力系數(shù)(豎向動(dòng)力系數(shù)已在程序模型中考慮)。各工況計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3，荷載見表4。四種工況三層框架梁彎矩見表5。按工況1，經(jīng)計(jì)算第三層⑥軸跨中應(yīng)力為332N/mm2>f，需要加固。

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖

由于管架支承振動(dòng)管道，屬于II類條件。按冶金標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

表4 各工況荷載 (kN/m)

表5 梁彎矩計(jì)算結(jié)果 (kNm)

滿足負(fù)荷加固條件。

豎向彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力：

σx=σ1+Δσ1=24+99=123 N/mm2

跨中水平彎矩My產(chǎn)生的拉應(yīng)力：

σy=My/Wny=42×1.3×106÷389×103=140 N/mm2

總拉應(yīng)力：

σ=σx+σy=123+140=263 N/mm2

按協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

豎向荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力：

總拉應(yīng)力：

按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法計(jì)算。

豎向荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力：

σx=Mx/Wnx=124×106÷1084×103=114 N/mm2

總拉應(yīng)力：

σ=σx+σy=114+140=254 N/mm2

三種計(jì)算方法比較，按協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的拉應(yīng)力最大，傳統(tǒng)方法計(jì)算的拉應(yīng)力最小。本算例中，豎向荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比為：1.10：1：0.93，總拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比為：1.14：1：0.97。按傳統(tǒng)計(jì)算方法結(jié)果偏小，這是不安全的，必須引起注意。

驗(yàn)算加固件與主梁共同工作條件。加固件端部焊縫處水平剪應(yīng)力為1.4N/mm2，豎向剪應(yīng)力為0.8N/mm2，每個(gè)焊縫應(yīng)承擔(dān)的總剪力為0.5kN，每個(gè)焊縫抗能力為4.5kN，滿足共同工作條件。

7 結(jié)語

(1)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)和冶金標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力比概念不同，負(fù)載加固應(yīng)力比限值不同，建議規(guī)范修訂時(shí)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

(2)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)和冶金標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度腐蝕降低系數(shù)不同，強(qiáng)度降低后，協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度比冶金標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度低5%以上。

(3)靜力荷載條件下，冶金標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)均采用加固后全截面邊緣屈服準(zhǔn)則，但強(qiáng)度折減系數(shù)不同；動(dòng)力荷載條件下，協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)仍采用加固后全截面邊緣屈服準(zhǔn)則，而冶金標(biāo)準(zhǔn)采用加固后原有截面邊緣屈服準(zhǔn)則。

(4)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的應(yīng)力比冶金標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的應(yīng)力大10%左右。同時(shí)必須注意到按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法計(jì)算的應(yīng)力比以上兩本規(guī)范計(jì)算的應(yīng)力小17%，且偏于不安全，必須引起注意。

1 祝瑞祥,王元清.負(fù)載下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件增大截面加固設(shè)計(jì)方法對(duì)比分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2014.2(1).

2 程江敏、程 波.鋼結(jié)構(gòu)加固方法研究進(jìn)展[J].鋼結(jié)構(gòu).2012.11(11).

3 CECS:96,鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范[S] .

4 YB9257-96,鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)定及加固技術(shù)規(guī)程[S] .

5 GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S] .

6 GB51019-2014,化工工程管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)范[S] .

2016-07-27)

*張維秀：研究員、國家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)師、注冊(cè)巖土工程師、英聯(lián)邦結(jié)構(gòu)工程師(StructE)。1989年畢業(yè)于南京水利科學(xué)研究院。從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(0432)63959402，E-mail: Jly_zwx0247@petrochina.com.cn。