隧道風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)方法研究和應(yīng)用

■許睦暉

(廈門合誠(chéng)工程檢測(cè)有限公司，廈門 361027)

1 引言

隧道內(nèi)安裝隧道風(fēng)機(jī)是為了輸送和調(diào)節(jié)空氣或排除煙塵，以確保隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)的安全和舒適。一般為了不占用交通面積會(huì)專門修建通風(fēng)道，將風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)懸掛在隧道頂部。風(fēng)機(jī)自重可達(dá)1t，《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T D70/2-02-2014中規(guī)定風(fēng)機(jī)的支承結(jié)構(gòu)承載力不應(yīng)小于15倍風(fēng)機(jī)自重，因此安裝風(fēng)機(jī)前應(yīng)做支承結(jié)構(gòu)的承載力檢測(cè)。本文研究的內(nèi)容是提出一種風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力的檢測(cè)方法以彌補(bǔ)現(xiàn)有的檢測(cè)方法空白。研究表明，對(duì)一種構(gòu)件的承載力檢測(cè)需要建立一個(gè)靜定結(jié)構(gòu)，使被測(cè)構(gòu)件處于平衡地受力狀態(tài)下檢測(cè)其結(jié)構(gòu)變形情況。因此，本文研究的重點(diǎn)在于制定一種檢測(cè)方法，能夠直觀地檢測(cè)出風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)的承載力；研究的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)一種針對(duì)懸空構(gòu)件的反力裝置，該反力裝置應(yīng)能夠支撐檢測(cè)工作的順利開展。

2 研究方向與內(nèi)容

隧道風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)的具有多樣性的特點(diǎn)，本文著力于研究一種簡(jiǎn)單易行、便于攜帶且可重復(fù)利用的風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)試驗(yàn)裝置，以及能夠合理評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力的檢測(cè)方法，并在研究過程中對(duì)多種隧道支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力檢測(cè)，以驗(yàn)證檢測(cè)方法的可行性。

風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)包括預(yù)埋在拱頂?shù)匿摪搴秃附釉阡摪迳系膬蓚?cè)翼板或U型槽。預(yù)埋件、翼板(或U型槽)和隧道襯砌組成一個(gè)受力結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)通過焊接或螺栓連接在翼板(或U型槽)上。進(jìn)行風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)荷載檢測(cè)需要制作一個(gè)配套的試驗(yàn)反力裝置，用油壓千斤頂分級(jí)加荷至15倍風(fēng)機(jī)自重，觀察加荷過程中受力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以判定風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1 風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)的反力裝置研究

將預(yù)埋鋼板、翼板(或U型槽)和反力裝置連接在一起，形成一個(gè)平衡地受力結(jié)構(gòu)：在兩側(cè)翼板(或U型槽)的下端分別通過鋼絲繩組件與鋼墊板的兩端連接。鋼絲繩組件由鋼絲繩和二組以上鋼絲繩卡子組成，鋼絲繩的兩端繞成一個(gè)圓環(huán)且通過鋼絲繩卡子將圓環(huán)固定，兩根鋼絲繩組件下端的圓環(huán)通過固定螺栓與鋼墊板連接。鋼墊板上設(shè)有四個(gè)預(yù)留方形孔，每個(gè)方形孔下方兩側(cè)各焊有一個(gè)用于連接鋼絲繩的固定部件，固定部件留有可安裝固定螺絲的圓孔。支承結(jié)構(gòu)、鋼絲繩組件、鋼墊板構(gòu)成懸索拉桿式結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)整鋼絲繩組件與鋼墊板間的夾角，最大程度地滿足各種形式的風(fēng)機(jī)預(yù)埋件檢測(cè)作業(yè)需求。本裝置可拆卸重復(fù)利用，對(duì)主體結(jié)構(gòu)無(wú)任何損傷，是一種通用性強(qiáng)，安全可靠，適合多種工況的檢測(cè)裝置，檢測(cè)效率高。

(1)斜板式風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)常用承載力檢驗(yàn)裝置

斜板式風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)應(yīng)將預(yù)埋鋼板和翼板看成一個(gè)整體，反力裝置的設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是根據(jù)翼板的結(jié)構(gòu)尺寸訂制固定的底板，用螺栓連接，如圖1所示；另一種是用鋼絲繩連接翼板與底板，可靈活調(diào)整應(yīng)對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的支承結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

(2)U型槽式風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)常用承載力檢驗(yàn)裝置

U型槽式風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)受力結(jié)構(gòu)為預(yù)埋板和U型槽，反力裝置的設(shè)計(jì)也有兩種，一種是由鋼筋、鋼掛鉤和固定底板連接，其裝置應(yīng)按U型槽的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行訂制，如圖3所示；另一種是由鋼絲繩和底板組成，可根據(jù)U型槽的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行靈活調(diào)整，如圖4所示。

圖1 固定底板式

圖2 鋼絲繩式

圖3 固定鋼板式

2.2 反力裝置的受力分析

圖4 鋼絲繩式

從上述的裝置設(shè)計(jì)可以看出，采用鋼絲繩式反力裝置靈活便攜。下面重點(diǎn)對(duì)該裝置進(jìn)行受力分析：該裝置的關(guān)鍵構(gòu)件為鋼絲繩、連接螺栓與鋼筋，需對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行安全性驗(yàn)算。根據(jù)對(duì)隧道風(fēng)機(jī)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)隧道風(fēng)機(jī)的自重一般小于1 t，驗(yàn)算時(shí)取隧道風(fēng)機(jī)的自重為1 t作為最不利荷載，最不利狀態(tài)為單根鋼絲繩承受全部荷載。

對(duì)裝置的受力分析采用靜力學(xué)的基本原理進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，鋼板底座焊接有兩槽鋼，荷載垂直作用于鋼板中心，因此在進(jìn)行受力分析時(shí)，可將施加的荷載分解為F/2，鋼絲繩的受力如圖5所示。

圖5 裝置受力示意圖

對(duì)鋼絲繩受力分析：

式中F依據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T D70/2-02-2014計(jì)算試驗(yàn)荷載值：F=15·γ·G，其中：G為隧道風(fēng)機(jī)自重(kN)；γ為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1，則最大荷載F=165kN。

由靜力平衡條件可知：F、T1、T2作用線共點(diǎn)，所以：α=β，T1=T2。

依據(jù)裝置的受力分析，可知鋼絲繩所受的拉力大小與α、β的角度有關(guān)，即與鋼絲繩長(zhǎng)度和伸長(zhǎng)量有關(guān)。該試驗(yàn)裝置通過調(diào)節(jié)鋼絲繩鎖扣控制鋼絲繩的長(zhǎng)度，由以上所列公式可知角度越大安全性越高，根據(jù)實(shí)際可操作性、受力情況和試驗(yàn)安全性等綜合考慮，α、β角度的取值范圍為 45°～75°，當(dāng)角度為 45°時(shí) T1、T2為最大值，表 1 為角度為45°時(shí)鋼絲繩受力計(jì)算結(jié)果。

表1 鋼絲繩受力計(jì)算表

從計(jì)算結(jié)果可以看出鋼絲繩的安全系數(shù)達(dá)到1.69，具有足夠的安全儲(chǔ)備。

3 風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)方法

本檢測(cè)方法參照混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)前期準(zhǔn)備需調(diào)整鋼絲繩的長(zhǎng)度及對(duì)鋼絲繩的繩扣擰緊加固，安裝千斤頂。

(1)對(duì)支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行量測(cè)，計(jì)算鋼絲繩所需的長(zhǎng)度，保證在承載時(shí)鋼絲繩與水平面的夾角在45°～75°之間，安裝隧道風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)裝置，用螺栓或普通鋼筋將測(cè)試裝置與風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)緊固形成閉合的支承平臺(tái)，在封閉平臺(tái)上鋪放反力鋼板。

(2)安裝千斤頂并調(diào)整高度與位置，使其與隧道頂部保持適當(dāng)距離，保證千斤頂上下部位分別與隧道頂部和測(cè)試平臺(tái)接觸密實(shí)緊貼。

(3)施加荷載

①對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)行預(yù)加載，加載荷載為預(yù)計(jì)最大荷載的10%，卸載，調(diào)整加載裝置。

②施加分級(jí)試驗(yàn)荷載：以風(fēng)機(jī)靜荷載(風(fēng)機(jī)自重)的15倍作為目標(biāo)荷載，分5級(jí)進(jìn)行加載，加載應(yīng)以10～30kN/min的速率勻速增加；每級(jí)持荷時(shí)間不應(yīng)少于表2的規(guī)定，觀測(cè)風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)與周邊部位是否發(fā)生異常，并記錄。

表2 試驗(yàn)加載等級(jí)與觀測(cè)時(shí)間

如有下列異常，應(yīng)立刻停止加載，及時(shí)卸載并撤離人員：發(fā)生混凝土剝落、裂縫明顯擴(kuò)展、聽到異常的聲音等；千斤頂油壓急劇下降，或持荷時(shí)間內(nèi)油表不能維持穩(wěn)定。

③觀測(cè)混凝土裂紋發(fā)展情況：如果試驗(yàn)前預(yù)埋件周邊混凝土存在裂紋，應(yīng)按照規(guī)定持續(xù)加載最大試驗(yàn)荷載時(shí)間，以檢驗(yàn)周邊混凝土裂紋的發(fā)展情況。

(4)結(jié)束試驗(yàn)：打開回油閥將千斤頂復(fù)位，依次卸下球形支座、千斤頂、鋼墊塊、反力裝置。

(5)在隧道風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)過程中出現(xiàn)下列情況可認(rèn)為檢測(cè)不合格：

① 支承結(jié)構(gòu)焊(連)接件開焊、變形、破壞、脫落。

②預(yù)埋板變形、破壞、松動(dòng)、脫落。

③ 加載后，支承結(jié)構(gòu)位移量持續(xù)增加，且荷載不能維持穩(wěn)定。

3 工程案例及結(jié)果分析

按照上述檢測(cè)方法，對(duì)兩個(gè)隧道工程進(jìn)行了風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果分析如下：

3.1 某隧道風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)

本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)自重0.55t，在實(shí)施承載力檢測(cè)時(shí)，達(dá)到檢驗(yàn)荷載后未發(fā)現(xiàn)預(yù)埋件松動(dòng)、變形和脫落現(xiàn)象，且周邊混凝土也未發(fā)現(xiàn)開裂，說明在風(fēng)機(jī)自重15倍的荷載下支承結(jié)構(gòu)承載力滿足要求。檢測(cè)結(jié)果詳見表3，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖片見圖6和圖7。

表3 某隧道支承結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)結(jié)果

圖6 鋼絲繩式反力裝置

圖7 支承結(jié)構(gòu)加載過程

3.2 某隧道風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)

本項(xiàng)目隧道風(fēng)機(jī)自重0.85t，對(duì)左洞兩個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了承載力檢測(cè)，在最大力不到檢驗(yàn)荷載的60%情況下預(yù)埋件就出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，周邊混凝土也發(fā)生了開裂，分析其原因，發(fā)現(xiàn)是在施工過程中預(yù)埋鋼板與襯砌鋼筋連接有缺陷，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；襯砌混凝土的施工質(zhì)量低于設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致在千斤頂頂升過程中裂縫發(fā)展較快。檢測(cè)結(jié)果詳見表4，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖片見圖8。

表4 某隧道風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)結(jié)果

圖8 支承結(jié)構(gòu)加載過程

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)方法和設(shè)備研究與應(yīng)用，對(duì)其檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明本檢測(cè)方法和裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①能夠較好地直觀地反映風(fēng)機(jī)裝置的施工實(shí)際水平，及時(shí)提供檢測(cè)數(shù)據(jù)；

②該裝置制作簡(jiǎn)單易行、便于攜帶，可重復(fù)利用；

③該裝置靈活可調(diào)整，實(shí)用性較強(qiáng)。

(2)通過對(duì)風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)的承載力檢測(cè)，對(duì)風(fēng)機(jī)的施工質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的保障：一是在施工過程中預(yù)埋鋼板與襯砌鋼筋的連接、混凝土質(zhì)量嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工；二是土建施工時(shí)重視預(yù)埋鋼板的重要性，及時(shí)采取有效措施糾正支承結(jié)構(gòu)承載力不足的現(xiàn)象，從而保證運(yùn)營(yíng)時(shí)期的風(fēng)機(jī)安全性。