粉煤灰環(huán)境下某皮帶通廊結(jié)構(gòu)安全性調(diào)查研究★

王 瑞

(甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730020)

1 概述

中華人民共和國(guó)建國(guó)以來(lái)，隨著國(guó)家四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)取得了快速發(fā)展，工業(yè)在GDP中占的比重越來(lái)越大，膠帶機(jī)通廊是礦山、煤炭、焦化等企業(yè)中常用的一種特種構(gòu)筑物，其自動(dòng)化程度越高，冶金、能源、化工等領(lǐng)域內(nèi)的生產(chǎn)效率越高。我國(guó)長(zhǎng)沙礦山設(shè)計(jì)院土建科技術(shù)組率先研究了膠帶機(jī)通廊的鋼筋混凝土支架的兩種形式[1]，并于1967年開始，先后在國(guó)內(nèi)12個(gè)工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用并推廣。

山東大學(xué)曹瑋等通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)通廊鋼桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究分析發(fā)現(xiàn)對(duì)于膠帶機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，采用鋼桁架通廊是比較合理的，鋼桁架通廊能滿足工藝的要求，受力模型也容易建立，絕大多數(shù)構(gòu)件的主要受力特性均為軸向力[2]。歸衡石通過(guò)考慮由于膠帶機(jī)運(yùn)行中提升材料時(shí)的運(yùn)行阻力等造成的縱向拉力和由于地震產(chǎn)生的縱向地震力對(duì)膠帶機(jī)通廊支架的影響進(jìn)行了研究[3]。牟洪、賈麗偉通過(guò)將土建結(jié)構(gòu)作為設(shè)備運(yùn)行基礎(chǔ)的傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)通廊設(shè)計(jì)理念，以司家營(yíng)膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)為背景采用復(fù)合式鋼結(jié)構(gòu)通廊，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約2/3投資的良好效果[4]。李欣、王燕通過(guò)唐山某鋼鐵有限公司120萬(wàn)t鋼技改工程高爐項(xiàng)目礦石上料系統(tǒng)中膠帶機(jī)通廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)通廊的受力特點(diǎn)及注意事項(xiàng)進(jìn)行了研究[5]。張錫兵通過(guò)對(duì)某礦業(yè)公司選礦廠磨礦倉(cāng)皮帶通廊膠帶機(jī)鋼桁架進(jìn)行檢測(cè)鑒定，找出產(chǎn)生隱患的根源，并根據(jù)存在的安全隱患提出了加固處理方案并進(jìn)行處理[6]。周維娟以某工程設(shè)計(jì)實(shí)例為背景，給出了采用空間整體概念進(jìn)行地震作用下膠帶輸送機(jī)通廊支架的計(jì)算方法[7]。季海峰以山西省原平市某鋁廠地下皮帶廊為背景，對(duì)該皮帶廊結(jié)構(gòu)的檢測(cè)鑒定進(jìn)行了研究[8]，并根據(jù)檢測(cè)鑒定結(jié)果存在的問題提出了相應(yīng)加固方法。孫健通過(guò)將空間管桁架作為架空皮帶的承重體系研究發(fā)現(xiàn)：受力合理、經(jīng)濟(jì)安全，并給出合理優(yōu)化桿件截面設(shè)計(jì)建議[9]。汪過(guò)兵等以祁連山水泥有限公司長(zhǎng)期超高溫環(huán)境下的某既有超大坡度曹氏膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)為背景進(jìn)行靜載試驗(yàn)研究，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)的撓度最大試驗(yàn)值為3.064 mm，理論最大值為3.362 mm。張家康等通過(guò)考慮皮帶廊長(zhǎng)期處于動(dòng)力環(huán)境下結(jié)構(gòu)持續(xù)的疲勞損傷影響，其皮帶通廊廊身結(jié)構(gòu)的加固計(jì)算應(yīng)取1.1的動(dòng)力系數(shù)[10]。謝海艦、呂恒林等以1996年設(shè)計(jì)的徐州某煤礦地生產(chǎn)系統(tǒng)膠帶機(jī)通廊為背景研究了采用增大截面法和用碳纖維加強(qiáng)材料法對(duì)加固混凝土支承框架的受力機(jī)理，同時(shí)分析了增大截面和用碳纖維加強(qiáng)材料法即采用玻璃纖維加強(qiáng)材料、用碳纖維加強(qiáng)材料及增設(shè)鋼支撐法對(duì)鋼筋混凝土支承框架增強(qiáng)作用。

綜上所述，目前對(duì)于長(zhǎng)期粉煤灰環(huán)境情況下的膠帶機(jī)通廊廊身安全性性能的研究目前還尚未見報(bào)道，因此本課題組以祁連山水泥有限公司長(zhǎng)期粉煤灰環(huán)境下某既有跨越鐵路的大跨度皮帶通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)為背景進(jìn)行研究分析，研究成果為既有膠帶機(jī)通廊廊身結(jié)構(gòu)的檢測(cè)鑒定加固和設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

2 工程概況

祁連山水泥有限公司某既有工業(yè)膠帶機(jī)通廊廊身結(jié)構(gòu)為7跨簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，全部位于地上，其中1跨、2跨、3跨、4跨為型鋼梁結(jié)構(gòu)，5跨、6跨為鋼桁架結(jié)構(gòu)，7跨為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，該皮帶通廊廊身結(jié)構(gòu)與水平地面夾角為7°13′。2003年建成投入使用，皮帶廊長(zhǎng)期處于煤粉中，目前正常使用。本文以第5跨鐵路大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)為背景進(jìn)行研究，廊身結(jié)構(gòu)由豎直鋼桁架(主梁)、橫梁、支撐、通道、梁支座、鋪板及圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成，皮帶廊廊身布置圖如圖1所示，該皮帶通廊廊身橫截面為上承式(全封閉)形式，皮帶廊膠帶機(jī)下部設(shè)置落料擋板，剖面圖如圖2所示，皮帶廊外觀如圖3所示，TD75B650×160.7 m皮帶輸送機(jī)如圖4所示。

3 歷史情況調(diào)查研究

該既有工業(yè)膠帶機(jī)通廊廊身結(jié)構(gòu)自2003年建成后投入使用以來(lái)，作為礦料輸送設(shè)備，一直處于煤粉中，目前正常使用；使用期間未改變用途、未做過(guò)任何檢修和相關(guān)試驗(yàn)等。該既有膠帶機(jī)通廊采用1臺(tái)TD75B650×160.7 m皮帶輸送機(jī)進(jìn)行原料輸送；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)在廊道口位置為了給皮帶上降溫，經(jīng)常噴淋，高溫霧化產(chǎn)生的水蒸氣在廊道內(nèi)框架上固化，并對(duì)桁架造成腐蝕，目前該膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)的原設(shè)計(jì)圖紙已經(jīng)丟失。

4 廊身結(jié)構(gòu)使用現(xiàn)狀現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究

經(jīng)過(guò)前面該既有膠帶機(jī)通廊廊身結(jié)構(gòu)的歷史情況調(diào)查研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)該既有膠帶機(jī)通廊廊身結(jié)構(gòu)的勘察、設(shè)計(jì)、施工等建設(shè)資料已經(jīng)丟失，為了全面分析該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)的可靠性，針對(duì)工作現(xiàn)狀對(duì)該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面深入調(diào)查研究，即包括既有膠帶機(jī)通廊廊身結(jié)構(gòu)的豎直鋼桁架(主梁)、橫梁、支撐、通道、梁支座、鋪板、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的歷史情況、尺寸、銹蝕、強(qiáng)度、連接方式、支座情況、節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀及維護(hù)情況。

4.1 廊身結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該既有工業(yè)膠帶機(jī)通廊鋼桁架廊身主體結(jié)構(gòu)鋼桁架主要由等邊角鋼組成，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際組成和布置情況進(jìn)行全面記錄并繪制成結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該既有膠帶機(jī)通廊廊身結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組成和布置形式調(diào)查統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)共由163個(gè)構(gòu)件組成，對(duì)其中8個(gè)下弦桿件、10個(gè)腹桿豎桿、11個(gè)上弦桿件構(gòu)件的尺寸采用千分尺、鋼尺進(jìn)行了詳細(xì)量測(cè)，調(diào)查研究結(jié)果如圖6所示。

4.2 廊身結(jié)構(gòu)構(gòu)件銹蝕程度現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)皮帶廊廊身結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于焦炭環(huán)境中，鋼構(gòu)件全部銹蝕，防銹漆部分脫落，調(diào)查研究結(jié)果如表1所示，通過(guò)研究分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)粉煤灰環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)承載力有影響。

表1 鋼構(gòu)件檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

4.3 廊身結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究

該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度采用里氏硬度計(jì)進(jìn)行表面硬度調(diào)查試驗(yàn)。表面硬度法是根據(jù)金屬材料的極限強(qiáng)度與其硬度存在一定相關(guān)性的原理建立起來(lái)的一種非破損試驗(yàn)方法。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，常用里氏硬度計(jì)法，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17394.1—2014金屬材料里氏硬度試驗(yàn)第一部分：試驗(yàn)方法進(jìn)行。里氏硬度計(jì)是一種動(dòng)態(tài)硬度試驗(yàn)法，試驗(yàn)時(shí)用一定直徑的碳化鎢球沖頭，在一定試驗(yàn)力作用下沖擊試件表面，測(cè)量距試件表面1 mm處的沖擊速度與回跳速度，利用電磁原理，感應(yīng)出與速度成正比的電壓，然后根據(jù)沖擊體回跳速度與沖擊速度通過(guò)公式計(jì)算里氏硬度值，再換算成鋼材極限抗拉強(qiáng)度。

應(yīng)用里氏硬度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如圖7所示，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算分析推定出該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度，如表2所示，根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的代表值均為Q235B。

表2 皮帶廊廊身結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析結(jié)果 MPa

4.4 廊身結(jié)構(gòu)構(gòu)件涂層厚度現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究

采用涂層厚度儀對(duì)部分構(gòu)件涂層厚度進(jìn)行試驗(yàn)。首先用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試卡對(duì)測(cè)厚儀進(jìn)行調(diào)零校準(zhǔn)；在被測(cè)試件表面選定測(cè)點(diǎn)的位置，一般鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在內(nèi)外表面各均勻選取9個(gè)點(diǎn)；用測(cè)厚儀探頭直接點(diǎn)擊各測(cè)點(diǎn)讀取厚度值并記錄。取測(cè)試面9個(gè)點(diǎn)的平均值作為該油漆漆膜厚度值，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖8所示，膠帶機(jī)通廊廊身結(jié)構(gòu)構(gòu)件涂層厚度分析結(jié)果詳見表3，根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)膠帶機(jī)通廊廊身結(jié)構(gòu)構(gòu)件涂層厚度不滿足規(guī)范要求。一般設(shè)計(jì)要求涂?jī)杀榉冷P漆、兩遍面漆，每一遍油漆的漆膜厚度是25 μm～30 μm，成品漆膜總厚度為100 μm～120 μm。

表3 皮帶廊廊身結(jié)構(gòu)構(gòu)件涂層厚度數(shù)據(jù)分析結(jié)果 μm

5 既有膠帶機(jī)通廊支座現(xiàn)狀調(diào)查研究

既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)(跨鐵路)通過(guò)支座將荷載傳給豎向構(gòu)件，支座工作狀況是否安全對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全至關(guān)重要。因此對(duì)該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)的支座工作狀態(tài)逐一進(jìn)行了調(diào)查和分析，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)全部支座無(wú)防落梁裝置，支座對(duì)梁沒有足夠的保護(hù)措施，同時(shí)由于長(zhǎng)期處于粉煤灰中，鏈接處鋼構(gòu)件防銹漆脫落，鏈接鋼構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的腐蝕，因此在地震作用下，該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)存在變形過(guò)大而掉落的安全隱患，實(shí)際情況如圖9所示。

6 廊身構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀調(diào)查研究

根據(jù)一些工程事故的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，因既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)引發(fā)的事故占主要百分比，高達(dá)90%以上。根據(jù)調(diào)查研究結(jié)果分析該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接形式是否合理，其結(jié)果同時(shí)為既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)的有限模型的建立提供實(shí)際資料，該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)實(shí)際狀況如圖10所示。同時(shí)由于該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于焦炭環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)鏈接處鋼構(gòu)件防銹漆脫落，節(jié)點(diǎn)鏈接鋼構(gòu)件腐蝕，因此在地震作用下，該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接處首先可能由于承載能力不夠而屈服、破壞，使結(jié)構(gòu)存在較大安全隱患。

7 結(jié)論

本文以祁連山水泥有限公司長(zhǎng)期粉煤灰環(huán)境下某既有跨越鐵路的大跨度皮帶通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)為背景對(duì)長(zhǎng)期粉煤灰環(huán)境下既有膠帶機(jī)廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行研究分析，得出以下主要結(jié)論：

1)通過(guò)針對(duì)該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)以及其組成構(gòu)件的使用現(xiàn)狀現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)查研究分析發(fā)現(xiàn)：粉煤灰環(huán)境對(duì)該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷和銹蝕情況有一定影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料屈服強(qiáng)度為235 MPa。

2)粉煤灰環(huán)境加速了該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)防銹漆脫落，使鏈接鋼構(gòu)件出現(xiàn)不同程度的腐蝕，這是結(jié) 構(gòu)的一大安全隱患。

3)支座廊無(wú)防落梁裝置，地震時(shí)，該既有膠帶機(jī)通廊廊身鋼桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接處首先可能由于承載能力不夠而屈服、破壞，使結(jié)構(gòu)存在較大安全隱患。