何長利，張殿雙，張小濤，高亞茹

（1.豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 132108；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 工程概況

豐滿發(fā)電廠位于松花江上游，工程以發(fā)電為主，兼顧防洪、城市供水、養(yǎng)殖及旅游等綜合利用效益。水庫為不完全年調節(jié)水庫。

豐滿發(fā)電廠是我國第一座大型水電站，一期廠房位于右岸，為壩后式廠房，始建于1937年，上世紀80年代后，工程經(jīng)多次改造和擴建，發(fā)電廠房進行了二、三期的擴建。其中，二期系利用原預留的9號、10號壓力鋼管于一期廠房左端續(xù)建而成。三期廠房為利用左岸泄洪洞改造擴建而成。目前，電站總裝機容量已達1 002.5 MW。一、二期廠房場內(nèi)共裝10臺水輪發(fā)電機組，裝機容量722.5 MW；三期廠房位于左岸泄洪洞出口處，廠內(nèi)共裝2臺水輪發(fā)電機組，裝機容量280 MW。

一期廠房廠內(nèi)裝有8臺水輪發(fā)電機組，裝機容量552.5 MW，工程始建于1937年，1943年第一臺機組發(fā)電，至今為止，一期廠房已經(jīng)運行了64年。

豐滿一期廠房主體工程為鋼筋混凝土——型鋼結構，其下部結構為鋼筋混凝土大體積結構；上部結構為鋼骨混凝土與鋼桁架形成的框架結構，吊車柱為型鋼骨架外包混凝土。據(jù)了解，電站一期工程所用壓力鋼管、鋼筋、鋼骨及屋架材料均系日本30年代軋制的同類型產(chǎn)品。此前，一期工程壓力鋼管因銹蝕嚴重且材質有問題，后經(jīng)改造和更換得以延續(xù)運行。

2 現(xiàn)狀調查及原因分析

2009年年初，一期廠房7號、8號機附近的2號、3號榀屋架下弦桿出現(xiàn)無預兆斷裂破壞，斷口處拉開達7～8 cm，無頸縮并呈明顯的脆性破壞，且個別腹桿發(fā)生拉裂及壓彎破壞。同時，1號～4號榀屋架之間的垂直支撐由于屋架下沉造成個別桿件彎曲，情況十分危急。由此，豐滿發(fā)電廠召集多方專家組成專家組，對事故原因進行了認真分析。

首先，根據(jù)現(xiàn)場取樣進行的材質分析，豐滿一期廠房排架柱中鋼骨架及屋架，為日本30年代沸騰鋼產(chǎn)品，據(jù)檢測結果對比分析，金相組織次于目前常用的普通鋼材。由于產(chǎn)品年代久遠，缺乏與之對應的材料參數(shù)與標準，且難以查到其相關的技術標準，其材質強度相當于現(xiàn)在Q275鋼材，而其抗沖擊功指標在20℃的情況下僅為9—18 J，遠低于規(guī)范要求的27 J，無法達到Q235B的最低要求，鋼材材質呈明顯的脆性。冷彎試驗亦不滿足規(guī)范要求。

其次，屋面防水多次改造。自上世紀60年代年以來，一期主廠房屋面共經(jīng)歷了5次全面的防水大修和幾次局部防水大修。其中，1985年以前的2次防水屋面大修施工，均是采取清除老防水再鋪設新防水。1985年以后的3次防水屋面大修施工，施工方法是直接在原防水層上鋪新防水層，然后在其上抹水泥砂漿保護層，但其厚度至少有50 cm。由此造成屋架外載加大。

其三，冬季檢修及吊車運行。7號機轉子吊裝檢修發(fā)生在氣溫最寒冷的1月份，據(jù)多年氣象資料統(tǒng)計，其當月最低氣溫達到-40℃，廠房排架結構由此產(chǎn)生了較大的溫度變形和較大應力，在此條件下進行轉子吊運亦增大了屋架下弦桿的拉力。

綜合上述情況，一期廠房屋架的斷裂系由多方面因素造成，其主因還是材質的脆性老化。由于屋架與廠房排架結構為整體鉚接型式。排架柱內(nèi)亦使用了同材質鋼材，不具備拆除更新的可能性。

3 加固方案的確定

因原鋼屋架材質冷彎試驗指標不合格，抗沖擊功指標較低，材料呈脆性，在沖擊荷載作用下容易脆斷，及屋面荷載偏大等原因造成屋架不堪重負，必須對排架進行減載加固。由于一期廠房結構為鋼骨混凝土（含屋面）與鋼屋架形成整體鉚接及整體澆注結構，并同時考慮運行和施工安全。排除了拆除更新方案，而采用了抱柱錨拉的預應力錨索方案。該方案特點是利用吊車柱小柱在屋架下弦桿附近的外側設置抱柱鋼梁，通過對穿錨索后張拉，以共同承擔或取代屋架下弦桿的受力，以期達到加固的目的。

3.1 錨索噸位選擇

錨索噸位的選擇原則以屋架下弦最大受力情況作為依據(jù)，根據(jù)屋面改造及鋼屋架復核結果，選擇兩束噸位為600 kN錨索，每榀屋架的錨索能承受超張拉力為1 380 kN。在屋面減載后，錨索超張拉后可達到屋架下弦桿最大拉力的同等水平。另外，為保證在錨索張拉時上、下游墻體與柱的穩(wěn)定，同時避免錨索松弛后影響廠內(nèi)吊車的運行，在錨索下設置支撐槽鋼，支撐槽鋼以撐住墻體并保持穩(wěn)定為原則，還起到了托住錨索的作用。按照盡量減輕屋架荷載及完全抱住錨索，支撐采用了[16a的槽鋼，每榀屋架下設置兩根支撐槽鋼，槽鋼兩頭焊接厚10 mm的鋼板，支撐于上、下游墻內(nèi)側。在鋼板上對應于墻上錨索開孔位置處開孔，孔內(nèi)設置鋼管用于定位并鎖定抱柱梁和支撐槽鋼。以確保加固的效果及施工安全（見圖1）。

圖1 對穿錨索示意圖

實施當中，錨索采用抱柱梁抱柱的型式進行張拉，抱柱梁尺寸為1.3×0.47×0.32 m，根據(jù)其低溫運用條件，材質選擇為Q235C，抱柱錨索間距1 m。施工時利用廠房窗跺搭設簡易操作平臺，解決錨索張拉施工問題。由于抱柱梁整體質量較輕，采取在屋面架設小噸位葫蘆吊裝到位，利用混凝土墻孔上設置的定位鋼管將抱柱梁及支撐槽鋼定位并鎖定，以保證施工安全和錨索的張拉作業(yè)。

3.2 錨索初期加載噸位選擇

根據(jù)選定支撐槽鋼截面特性及受壓時的壓桿穩(wěn)定，按吊車水平剎車力等不利荷載，確定每品排架錨索加載噸位為100 kN。

3.3 排架柱加固型式選擇

根據(jù)排架柱承載力復核結果，一期廠房上、下游排架柱大柱根部控制截面的正截面強度均滿足規(guī)范要求。但排架柱小柱根部控制截面的正截面強度不能滿足規(guī)范要求，根據(jù)現(xiàn)場實際情況決定采取外包鋼的方法對小柱進行加固設計和施工。

3.4 屋面減載措施

減載措施主要結合保溫同時進行，由于一期廠房原有屋面為內(nèi)保溫措施，目前已基本失效，故減載結合保溫可更好解決冬季運行時的室內(nèi)溫升。減載采取挖除屋面防水改造時的多層后鋪設的防水層，替代以輕型保溫及新的防水層。

3.5 實時監(jiān)測

在排架結構加固的同時，針對屋架破壞程度及加固后的錨索、排架結構進行了必要的跟蹤監(jiān)測，檢測手段主要以錨索測力、在屋架及排架柱埋設應力、應變等設施，以期監(jiān)測整體加固的效果以便及時提出安全預警。通過7號機轉子吊裝就位觀測及分析，加固措施達到了預期效果。實測結果如表1及圖2。

表1 索力及排架變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖2 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

4 加固效果評價

加固后的一期廠房排架柱，經(jīng)過轉子吊裝歸位的運行實踐，證明加固后的排架能夠滿足機組檢修及運行要求。在完成7號機組轉子歸位安裝工作期間，通過埋設的觀測設備監(jiān)測到7號機（11號榀）排架每束錨索受力最大值為360 kN，其初始值 168 kN；3號排架錨索受力最大值為 264 kN，初始值16.8 kN。由此可以看出，在吊車起吊轉子等大件時對鋼屋架產(chǎn)生了較大的影響。由于起吊時段處于春夏交接季節(jié)，氣溫回升到23℃左右，排架結構受力條件隨汽溫回升而得到改善，由此驗證采用每束600 kN的錨索是合理和安全的。

由于一期廠房鋼屋架構件的冷彎試驗指標不合格，抗沖擊功指標較低，在動力荷載的沖擊作用下易發(fā)生脆性破壞，同時吊車小車運行速度對產(chǎn)生水平剎車力大小的影響至關重要，故在吊車起吊重物時，尤其在冬季最寒冷月份，遵循廠內(nèi)橋機小車在低速檔位下運行的原則，以降低水平剎車力對排架的不利影響是有實際意義的。

為了確保外包鋼與原廠房排架柱結合面有效的傳遞剪力以提高整體承載力，排架柱加固后，對原廠房結構上的鉆孔及外包鋼與原結構混凝土間的縫隙實施了環(huán)氧砂漿進行封堵，從運行情況及監(jiān)測成果分析可知，該項措施對保證加固構件與原有結構的整體性是非常重要的。