泵站既有電機梁損傷原因分析與加固方法

陳春寶，陳 立，李洪義，于俊濤

（1.天津市引灤工程潮白河管理處泵站所，天津 301800；2.天津市引灤工程爾王莊管理處濱海一所，天津 301800）

泵站既有電機梁損傷原因分析與加固方法

陳春寶1，陳 立2，李洪義2，于俊濤1

（1.天津市引灤工程潮白河管理處泵站所，天津 301800；2.天津市引灤工程爾王莊管理處濱海一所，天津 301800）

電機梁是泵站建筑中的核心構(gòu)件，同時也是易遭受損傷的構(gòu)件。該文從設計、施工和維護三方面探討了其損傷原因，并給出了常用加固措施。對某電機梁分別采用粘貼鋼板和粘貼碳纖維板進行抗彎加固設計，并比較了兩種加固措施的經(jīng)濟性。分析結(jié)果顯示，復合纖維材料加固在施工性、耐久性、抗疲勞性和經(jīng)濟性等方面均優(yōu)于粘鋼加固，因而可在條件許可的情況下，優(yōu)先選用纖維復合材料加固電機梁。

泵站；電機梁；損傷；復合纖維材料加固；粘鋼加固

水泵電機下部的承重梁簡稱為電機梁。電機梁是泵站的重要組成構(gòu)件，承擔著電機自重及振動荷載，因而電機梁的安全與否直接決定著電機和泵站能否安全運行。事實上，泵房地基不均勻沉降、水泵機振動、溫度應力及施工質(zhì)量等諸多因素的影響均會導致泵站建筑物產(chǎn)生裂縫。在對泵站普查時也發(fā)現(xiàn)，一般情況下電機梁均會出現(xiàn)裂縫，對泵站安全運營構(gòu)成極大隱患，需要及時予以消除[1-6]。實際工程中常采用增大截面法、粘鋼加固和粘貼纖維復合材料加固等方法對電機梁進行補強加固。本文在電機梁加固實踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)了電機梁損傷的原因和補強措施，將各種措施優(yōu)劣進行對比，并給出了電機梁加固實例，以期為電機梁加固和維護提供參考。

1 電機梁損傷原因

既有舊電機梁的設計標準低、施工技術(shù)水平差，且缺乏必要的維護等，這些因素導致其易遭到損壞。

1.1 既有電機梁設計標準較低

建國初期修建的泵站，限于當時的技術(shù)水平，設計標準和荷載均較低。隨著泵機的更新?lián)Q代，其承受的荷載均會超過當初設計標準。更換大功率泵機后，不但增加了恒荷載，且一般情況下功率越大，泵機的振動效應越大，電機梁受迫振動頻率極有可能與電機振動頻率相同而形成共振，進而造成電機梁承受的動荷載效應增大。因而，泵機的振動是電機梁設計與加固中不可忽略的因素，這一點可以借鑒橋梁工程中以汽車荷載沖擊系數(shù)來考慮車輛荷載的動力效應的做法，提出電機梁泵機振動荷載修正系數(shù)來考慮，當然該修正系數(shù)需要根據(jù)實驗，并結(jié)合實際工程確定?，F(xiàn)階段主要通過動力計算避免共振來減弱泵機振動效應[7]，亦可根據(jù)經(jīng)驗適當提高泵機荷載效應。

1.2 結(jié)構(gòu)既有性能較差

早期修建的泵站因建筑材料和施工水平限制，泵站結(jié)構(gòu)混凝土強度均較低，耐久性差。通過對小河口泵站進行現(xiàn)場檢測，實測電機梁混凝土強度僅為11MPa，僅能滿足混凝土加固的最低要求[7]。

1.3 維護不當

對早期修建的泵站進行設備更新和維護時，管理人員往往忽略既有電機梁等構(gòu)件的技術(shù)現(xiàn)狀，而隨意增添設備，這無疑會加大電機梁的荷載。應規(guī)范管理，在更新和維護設備時，必須對電機梁等進行技術(shù)評估，評估合格后方可進行泵機更換。

由此可見，設計標準偏低、施工水平不高、建筑材料性能質(zhì)量低劣和維護不當是電機梁易遭受損壞的根本原因。

2 常用加固方法

2.1 增大截面法

增大截面法是加固時常用的一種造價低廉的傳統(tǒng)方法。它通過增大混凝土截面，使截面應力重新分布，進而增加了承載力和構(gòu)件的剛度。但是該方法會降低泵房的凈空，而且其對構(gòu)件的延性改善效果不顯著[3]，施工周期長，新舊混凝土間存在接縫，二者協(xié)同性能并不理想[1]。

2.2 粘鋼加固

粘鋼加固通過專用粘鋼膠將鋼板粘貼與混凝土構(gòu)件表面，再粘鋼膠的作用下，鋼板和混凝土構(gòu)件協(xié)同工作，使鋼板和構(gòu)件的受拉（受壓）鋼筋一樣參與構(gòu)件受力，提高了混凝土構(gòu)件的極限承載力和延性。該方法常用于電機梁加固改造工程，如湖北省水利水電科學研究院曾采用該方法對應城夾河溝泵站電機梁進行了補強加固[1]，武漢大學也采用該方法對某大型泵站電機梁進行了加固處理[4]，二者均取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。值得注意的是水工建筑物工作環(huán)境中濕度大，且水中易含有腐蝕性離子，因而粘鋼加固應用于水工建筑物加固時應做好防腐措施。

2.3 復合纖維片材加固

復合纖維材料加固是一種新型的結(jié)構(gòu)加固方法，它利用結(jié)構(gòu)膠將高強纖維織物粘貼于混凝土表面，進而提高混凝土的抗拉能力[8]。纖維材料加固具有施工簡單、強度高、耐腐蝕性好、纖維材料可任意長度交叉、可施加預應力等優(yōu)點，其缺點是纖維材料加固不耐高溫和延性較差。纖維復合材料良好的抗腐蝕性和抗疲勞性，特別適用于電機梁加固，電機運行時會造成電機梁的振動，因而采用纖維復合材料加固較為合適。該項技術(shù)已在東營市河口泵站[3]和河北省玉田縣小河口泵站[5]電機梁加固中得到了應用，加固效果良好，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

3 實例計算及分析

由第2節(jié)分析可知，采用粘貼鋼板或復合纖維材料的方法對電機梁進行加固較為合適。以某大型泵站電機梁為例，分別采用鋼板和碳纖維板進行加固設計，以下僅給出抗彎加固計算對比，略去箍板等構(gòu)造措施設計。

3.1 電機梁特性

由現(xiàn)場檢測可得電機梁重要的幾何與力學參數(shù)為：As=8143mm2，As′=1963mm2，fy=fy′=300MPa，Es=2.0×105MPa。 混凝土當 前 檢 測 所 得 強 度 等 級 為 C20，fc=9.6MPa，b×h=600mm×1000mm，as=75mm，as′=35mm。因更換泵機，經(jīng)計算需要承受的設計彎矩M=2300kN·m，需要復核其抗彎承載力，并提出相應的加固措施。

3.2 既有電機梁承載力

下面所列計算公式中符號代表意義均與GB50367—2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》相同。 由α1fcbx=fyAs－f′yAs′可得混凝土受壓區(qū)高度x=332mm， 由ξb=0.55，ξbh0=509mm和2as=150mm可知2as

3.3 加固設計

因加固時已將泵機等附屬設備拆除，所以無需考慮二次受力對加固的影響。

3.3.1 粘鋼加固

采用4mm厚鋼板，B=374mm，取為400mm，且通長布置，則共需鋼板重62.4kg。

3.3.2 碳纖維加固

加固材料選用上海某公司生產(chǎn)的碳纖維板，其厚度tcf=1.5mm，彈性模量Ecf=165GPa，每塊板寬度為100mm。由式（2）可知，碳纖維板加固時，梁也是適筋破壞。

3.3.3 經(jīng)濟性比較

依據(jù)工程經(jīng)驗和市場情況對2種加固方法的經(jīng)濟性進行粗略對比。碳纖維板價格約為500元/m2，則碳纖維板共需1000元，其余施工費用約為270元/m2，則粘貼碳纖維板加固共需1540元。鋼材約為5000元/t，則鋼板板共需312元，人工費、結(jié)構(gòu)膠、鋼材耗損費、混凝土表面處理費及封縫費用約為700元/m2，則粘鋼加固共需1712元。顯然，碳纖維板加固材料費較貴，但施工費用低廉，總體費用較低。

選用碳纖維板，km=1，則碳纖維布總寬度為：

4 結(jié)語

電機梁是泵站建筑物的核心構(gòu)件，但是既有電機梁的設計標準偏低、施工技術(shù)水平低，且缺乏必要的維護，因而成為泵站建筑物中易于損傷的構(gòu)件。本文總結(jié)了既有電機梁損傷的原因和加固措施，并給出了加固設計實例，比較了粘鋼加固和碳纖維加固的經(jīng)濟性。研究表明，二者均可用于電機梁加固處理，但從施工便利性、抗疲勞性、耐腐蝕性和經(jīng)濟性上考慮，纖維復合材料加固的綜合性能優(yōu)于粘鋼加固，在條件許可的情況下，建議優(yōu)先選用碳纖維材料加固電機梁。

［1］彭天波，鄧進標，莫臘梅.應城夾河溝泵站電機大梁裂縫粘鋼加固技術(shù)［J］.中國農(nóng)村水利水電,1997（3）：31-32.

［2］李彥德.中小型軸流泵站電機梁裂縫的危害及其成因分析［J］.山東水利,1999（9）：38-39.

［3］聶仁峰，李中舉，張莉.復合纖維片材（FRPS）在泵站框架加固中的應用研究［J］.水利與建筑工程學報,2005（3）：30-32.

［4］賀韜，夏夢，劉禮華，等.某大型泵站電機大梁補強加固處理與承載力分析［J］.武漢大學學報（工學版）,2007（4）：74-77.

［5］李文君.碳纖維加固技術(shù)在小河口泵站改造中的應用［J］.水科學與工程技術(shù),2010（4）：70-71.

［6］王文英，王江紅，王洪媛，等.入塘泵站改造對提高經(jīng)濟效益影響分析［J］.水科學與工程技術(shù),2010（5）：66-67.

［7］尚俊偉，于紀錄，查松山.南水北調(diào)東線臺兒莊泵站工程電機支承結(jié)構(gòu)動力計算［J］.治淮,2007（9）：19-21.

［8］左成平，左明漢.混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)加固設計與算例［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

［9］GB50367—2006,混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范［S］.

［10］GB 50010—2002,混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［S］.

Damage and Reinforcement of the Existing Motor Beam for Pumping Station

CHEN Chun-bao1,CHEN Li2,LI Hong-yi2,YU Jun-tao1
（1.Pumping Station Institute of Chaobai River Administration Department of Luanhe Water Transfer Project in Tianjin City,Tianjin301800,China;2.The First Management Office of Binhai of Chaobai River Administration Department of Luanhe Water Transfer Project in Tianjin City,Tianjin301800,China）

The existing motor beam is the core component of pumping station,but it is very apt to damage.The damage reasons are analyzed from the aspects of designs,construction and operation of the motor beams,and the common engineering reinforcement measures are discussed in detail.Finally,comparing their economics,the motor beam was strengthened with bonded steel plates and carbon fiber plates respectively.It can be seen that the motor beam strengthened by fiber reinforced has good qualities on fatigue resistance,durability,construction and economy,so the concrete motor beams should be strengthened with fiber reinforced plastics under condition permit.

pumping station;motor beam;damage;strengthened with fiber reinforced plastics;strengthened with bonded steel plate

TV49

A

1672-9900（2011）05-0083-03

2011-08-23

陳春寶（1986—），男（漢族），天津?qū)氎嫒?，助理工程師，主要從事泵站水利運行工作，（Tel）13299936696。

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