周文亮

(鄂爾多斯市神東工程設計有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

近年來，煤炭企業(yè)被要求不斷提質增效，然而我國大部分煤礦建礦于80年代，由于煤炭生產的特殊性，對生產廠房造成了不同程度的損壞。特別是鋼結構廠房，由于大多數(shù)煤礦企業(yè)對鋼結構廠房的防腐、防火工作開展不力，使得這些廠房不同程度的損壞，有些甚至是瀕臨失效。這就需要對這些鋼結構廠房進行加固改造，同時，由于使用維修不當或者建造質量原因，許多廠房均存在諸多問題，有些甚至相當嚴重，危及到結構安全。但是由于新建廠房一次性投資較大，所以，盡管廠房存在一些問題，使用單位往往都會忽略這些問題，不會立即拆除，而是花少量的投資采用結構加固的辦法來改造處理。

目前，我國鋼結構加固、改造的主要方法有：減少荷載、改善結構計算模型、加大原結構構件截面面積和節(jié)點連接強度、阻止裂紋擴展、粘碳纖維布(鋼板)等[1-4]。當有成熟施工經驗，或已經用于實際工程并取得良好的加固、改造效果時，也可以采用其它方法進行加固、改造。減少荷載法通常用于改變現(xiàn)有鋼結構使用用途，從而減少其恒載及活荷載[5-7]。但是減少荷載法實用性較差，大多數(shù)鋼結構加固、改造都是由于荷載增加造成，很少有減少荷載的鋼結構加固、改造；改善結構計算模型的加固方法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點性質和邊界條件，增設附加桿件和支撐、施加預應力、考慮空間協(xié)同工作等措施對結構進行加固的方法；加大原結構構件截面面積和節(jié)點連接強度法較為常用，采用加大現(xiàn)有構件截面加固鋼構件時，所選用截面形式必須有利于加固技術要求并考慮已有缺陷和損傷的狀況；阻止裂紋擴展法也較通用，鋼結構因荷載反復循環(huán)作用或者由于材料選擇、構件連接構造、構件加工制造、施工安裝方法不當?shù)犬a生具有擴展性或脆斷傾向性裂紋損傷時，應設法修復[8-10]。在修復前，必須分析產生裂紋的原因及其影響的嚴重性，有針對性地采取改善結構實際工作或進行加固的措施，對不宜采用修復加固的構件，應予拆除更換。粘碳纖維布(鋼板)法通常用于鋼框架梁加固，并取得良好的經濟效果。

1 工程背景及概況

神東煤炭集團哈拉溝煤礦是神東整合地方小井資源建成的一座特大型現(xiàn)代化礦井。其位于陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)，地質構造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，煤質優(yōu)良。礦井于2004年12月8日建成投產，哈拉溝煤礦井田面積72.4 km2，工業(yè)儲量9.95億t，可采儲量6.8億t。核定生產能力1 250萬t，服務年限為52.4 a。哈拉溝選煤廠是為哈拉溝煤礦配備的專業(yè)選煤廠，隸屬于洗選中心的一座現(xiàn)代化礦井型洗煤廠，地處陜蒙兩省交界處的烏蘭木倫河東側哈拉溝礦井工業(yè)廣場內。該廠共有設備357臺，除膠帶機、刮板機、給煤機和部分泵為國產以外，其它主要設備均從澳大利亞、美國、英國進口。伴隨著煤炭洗選的快速發(fā)展，哈拉溝洗煤廠主廠房破碎能力已經達不到生產任務要求，屬于組織生產過程中一處“瓶頸”，需要對主廠房SHUMAR破碎機進行升級改造。

2 主廠房破碎機更換加固改造方案

主廠房破碎機更換改造方案如下：拆除現(xiàn)有主廠房SHUMAR破碎機，更換為破碎效率更高的MMD625破碎機?，F(xiàn)有主廠房SHUMAR破碎機生產能力為400 t/h，改造后MMD625破碎機生產能力最大能達到2 000 t/h。經核實現(xiàn)有SHUMAR破碎機荷載(機+料)為8.6 t，改造后MMD625破碎機荷載(機+料)為18.5 t。由此可見，改造后MMD625破碎機荷載增加為現(xiàn)有SHUMAR破碎機2倍之多。根據《化工、石化建(構)筑物樓面荷載設計規(guī)定》HG/T 20674—2005，雙輥式破碎機豎向荷載動力系數(shù)為：2.5(機+料)，水平荷載動力系數(shù)為：2(機+料)，考慮動力系數(shù)后增加荷載24.75 t，由于荷載增加太多給結構改造設計造成諸多困難。

現(xiàn)有主廠房為鋼框架結構局部7層，錯層、加層比較多，且主廠房內設置有篩分設備，篩分設備主梁采用桁架結構。綜上，主廠房雖為鋼框架結構，但是考慮錯層、加層以及部分桁架結構，傳力路徑較為復雜。所以，改造采用PKPM整體建模，即將7層框架結構全部建模進行計算分析。圖1、圖2為PKPM軟件核算構件截面及計算內力。

圖1 主廠房框架柱應力比圖

圖2 主廠房框架梁應力比圖

由圖1、2可知：框架柱主應力比超限，且框架柱平面外穩(wěn)定接近極限值要求；框架梁主要是平面內穩(wěn)定超限，且框架梁主應力比較大(滿足要求)。經初步分析框架柱采用增加截面法進行加固，框架梁采用梁底貼板(鋼板)加固法，同時框架梁由于平面內穩(wěn)定超限，所以，增加雙面@1 500 mm(間距為1 500 mm)橫向加勁肋。經PKPM復核計算，框架柱、梁主應力比、平面內及平面外穩(wěn)定均符合要求。

考慮到破碎機動力效應較為明顯，特別是對于框架梁，當破碎機運轉時框架梁及樓板振動比較明顯，給結構的耐久性帶來危害。同時，由于梁、板振動幅度較大、頻率較快，給操作和檢修人員帶來不同程度的心理壓力。較為典型的案例就是布爾臺煤礦主井井口驅動機房改造工程，由于該礦主井膠帶機過長(1 000 m以上)，驅動底座螺栓被拉斷一條。經改造將原有地腳螺栓直接箍于現(xiàn)有框架梁上，改造后原有框架梁、板振動較大。經礦方、設計等單位勘察現(xiàn)場，開會討論確定采用增加柱間支撐的加固方案。增加柱間支撐后現(xiàn)有梁、板振動幅度明顯減小，滿足規(guī)范及現(xiàn)場舒適度要求。所以，本工程也同樣需要增加柱間支撐，來消耗水平力及振動荷載。但增加柱間支撐后會影響下層設備平面布置，而本工程橫向布置有膠帶機，所以采用倒八字形柱間支撐，這樣才可以保證膠帶機在下層順利通過，對于縱向則采用十字形支撐，不影響設備布置。其加固、改造設計如圖3、圖4所示。經PKPM計算復核，增加柱間支撐后框架梁、柱主應力比及平面內、外穩(wěn)定系數(shù)大幅下降，滿足相關規(guī)范、規(guī)程要求。

圖3 主廠房框架柱應力比圖

圖4 主廠房框架柱應力比圖

3 改造后的效果

采取上述加固、改造措施后主廠房效果圖，如圖5所示，改造后MMD625破碎機能夠正常工作，經檢測改造后框架梁、板振幅及頻率均能滿足相關規(guī)范及規(guī)程規(guī)定，也符合使用要求。證明本次改造取得預定效果，同時也驗證加固、改造方案的合理性。

圖5 增加柱間支撐改造后現(xiàn)場效果圖

4 結論

(1)工業(yè)建筑對破碎機、篩分機、膠帶機等動力設備進行加固改造時，特別要注意動力設備的動力系數(shù)。然而，實際工程中必須考慮動力系數(shù)的影響，工程技術人員可以參考相關行業(yè)規(guī)范，否則可能達不到預定加固、改造目標。

(2)對于框架結構，不管是混凝土框架結構還是鋼框架結構，增加柱間支撐是工業(yè)建筑經常采用的一種加固手段。增加柱間支撐對于鋼筋混凝土結構可以大幅降低框架配筋率，減少加固、改造的工程量，對于鋼結構可以大幅降低梁、柱應力比、平面內及平面外穩(wěn)定系數(shù)。從而達到“事半功倍”的效果。

(3)準確分析結構的受力體系、明確結構傳力路徑是對結構進行加固、改造的前提。必須引起工程技術人員足夠重視，這樣才能做到有的放矢。