某锈蚀钢灰库支架的分析及加固处理①

范佳南，张燕莉

(1.同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092;2.上海中房建筑设计有限公司，上海200021)

0 引 言

钢灰库支架是火力发电厂气力除灰系统的重要组成部分.近年来，由于我国钢材产业的迅速发展和钢结构自重轻、易于安装等优点，钢结构灰库越来越多地得到了应用.与钢筋混凝土结构灰库相比，钢结构灰库，尤其是支承灰库的钢支架结构不可避免地存在锈蚀的问题.钢灰库支架锈蚀受损，如处理不当，会影响火力发电厂除灰系统的正常生产，甚至有安全生产隐患，造成不同程度的经济损失.

本文以某电厂钢灰库支架锈蚀受损为研究背景，以ANSYS 有限元软件为工具，对锈蚀钢支架结构的安全性及加固进行分析.

1 工程概况

某电厂1#、2#机组粉煤灰分选系统钢灰库支架(图1，简称钢灰库支架)建成于2006 年，为全钢结构，钢材为Q235B.钢构件的除锈等级为Sa2.5，涂层为环氧富锌底漆两道，中间漆，氯化橡胶面漆一道.灰库仓体直径7.0m，库顶标高26.7m.灰库支架为全钢结构，所用钢材为Q235B.钢灰库支架分两层，标高分别为5.500m 和16.500m.标高5.500m 处的平台铺板采用隔栅板，设计负荷为250kg/m2.立柱为焊接H 型钢H 500×500×12×20，标高±0.000m ～5.500m 处的柱间支撑为槽钢2［10 和槽钢2［14a，标高5.500 ～16.500m 处的柱间支撑为无缝钢管φ299×10.

钢灰库支架平面布置示意图见图2，立面布置示意图见图3.

图1 钢灰库支架现貌

梁柱节点为梁与带有悬臂段的柱的连接.其中悬臂段与柱的连接采用工厂全焊接连接，为等强连接，焊缝等级二级.梁与悬臂段的连接全部采用10.9 级M22 高强型螺栓，连接面不刷油漆，喷砂处理，抗滑移系数不小于0.4.梁与带有悬臂段的柱的连接(标高5.500m 处)如图4 所示.

2 现场调查检测

2.1 基础检测

检测结果表明:钢柱墩尺寸与原设计图纸吻合，其混凝土表面平整密实，施工质量好.钢柱墩混凝土强度满足原设计值(C25)，混凝土强度较高.

2.2 钢支架检测

检测结果表明:钢支架的构件尺寸与原设计图纸吻合.钢材强度达到原设计等级(Q235).

2.3 受损情况调查

现场检测发现，钢支架有不同程度的受损缺陷，尤其是部分钢梁水平连接板锈蚀严重(见图5)，腹板连接板未见或少见锈蚀现象，水平连接板的最大锈蚀深度达2mm.

图2 钢灰库支架结构平面布置示意图

图3 钢灰库支架结构立面布置示意图

3 荷载计算

钢灰库支架承担垂直荷载和水平荷载.垂直荷载有上部灰库传来的荷载及支架的自重.水平荷载有风荷载和地震力.

图4 梁与带有悬臂段的柱的连接

图5 部分钢梁水平连接板锈蚀受损现状

3.1 恒 载

钢支架所用钢材为Q235B，密度为7.85t/m3.根据图纸提供的构件尺寸计算可知钢灰库支架总重为378kN，上部灰库各部件及一些附属构件的自重为332kN，灰库顶部的钢结构及附属设备的自重为50kN.

3.2 活荷载

活荷载主要有灰库积灰荷载，顶部活荷载及二层平台活荷载，此外还应考虑雪荷载.计算积灰荷载时按满贮计算.

(1)粉煤灰重量(贮满)为4064kN.

(2)二层钢平台活荷载为2.5kN/m2，钢灰库顶部活荷载取2.0kN/m2.

(3)雪荷载

雪荷载作用根据现行规范《建筑结构荷载规范》GB 50009－2012［1］有关规定确定.雪荷载与钢灰库顶盖活荷载不同时组合.钢灰库顶面的雪荷载标准值按下式计算:

式中:Sk为雪荷载标准值(kN/m2);μr为钢灰库顶面积雪分布系数(根据灰库形状，取0.8 ～1.4，凸起区域取低值，凹陷区域取高值)，本工程中μr=1;S0为基本雪压(kN/m2)，本工程地区基本雪压值为0.30kN/m2.

将上述数据代入公式，计算得雪荷载标准值为:

灰库顶面的总的雪荷载:

3.3 风荷载

风荷载以面荷载的形式作用于钢灰库仓体结构的侧墙钢板.由于钢支架顶部对钢灰库底部的约束作用，在钢支架顶部产生约束反力.

垂直于建筑物表面的风荷载标准值按下式计算:

式中:Wk为风荷载标准值(kN/m2);βz为高度z 处的风振系数;μs为风荷载体型系数;μz为风压高度变化系数;W0为基本风压(kN/m2)，本工程取0.5kPa.

3.4 地震作用

本工程所处地区抗震设防烈度为7 度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10g，场地类别为Ⅳ类，场地特征周期为0.65s.

计算水平地震作用时，可采用底部剪力法或振型分解反应谱法进行计算［2］.当采用底部剪力法时可采用单质点体系模型，且应符合下列规定:①质点位置可置于柱顶;②水平地震作用标准值的作用点置于钢灰库的质心处;③质点重力荷载代表值取设备自重标准值和可变荷载组合值之和.可变荷载组合值系数按表1 取用.

结构的水平地震作用按下式确定:

式中:FEK为结构总水平地震作用标准值;α1为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值，多层砌体房屋、底部框架和多层内框架砖房，宜取水平地震影响系数最大值;Geq为结构等效总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值，多质点可取总重力荷载代表值的85%.

对于该钢灰库支架结构:

根据自振周期的经验公式，自振周期

T1=0.013×26.7=0.3471s;

阻尼比取0.04，阻尼调整系数

水平地震影响系数

满贮状态下的地震荷载:

图6 钢灰库支架结构的有限元模型

4 钢灰库支架有限元建模分析

本文计算采用ANSYS 建立有限元模型［3］，按空间框架进行分析计算.梁柱构件及标高±0.000～5.500m 处的支撑用空间梁单元beam188 模拟，建模时根据钢灰库支架的图纸分别定义了13 种梁单元截面.对于标高5.500 ～16.500 处的无缝钢管支撑φ299×10，根据其截面特性，用PIPE16 单元模拟.自重荷载通过施加惯性荷载的命令ACEL 施加重力加速度实现，其他荷载等效简化后施加于钢支架上.对于梁与悬臂段的连接，由于水平连接板的锈蚀，螺栓丧失了预紧力，由摩擦型连接变为承压型连接，在受力的瞬间水平连接板会产生滑移.因此在静力核算过程中把梁与悬臂段的连接按铰接计算.建立的钢灰库支架结构有限元模型如图6所示.计算得到的最大米塞斯应力为143.1MPa，最大挠度值为17.5mm，小于规范［4］允许的结构挠度限值l0/250=7000/250 =28mm，与未锈蚀的结构静力的计算结果的对比见表2.可知，锈蚀之后构件的最大应力值仍可以满足要求，但由于锈蚀导致连接方式的改变，最大应力的位置有所变化，结构整体进行了应力重分布.

表2 钢支架锈蚀前后的静力计算结果

5 锈蚀钢支架结构的加固

由第4 节的静力分析可知，锈蚀之后的钢灰库支架与锈蚀前相比，最大应力及最大挠度变形仍符合规范要求，应力会重分布.为防止锈蚀进一步加剧，必须对构件的锈蚀部位进行除锈处理，更换锈蚀严重的水平连接板.更换水平连接板的过程中钢柱悬臂段与梁处于无连接状态，需验证此状态下的结构(即切断梁与柱悬臂段的一处连接)的安全性.由于标高5.500m 和标高16.500m 处均有需要置换的水平连接板，故建立并检验两个模型:

(1)模型a:切断标高16.500m 处的梁与柱悬臂段的一处连接;

(2)模型a:切断标高5.500m 处的梁与柱悬臂段的一处连接.

最大应力和最大挠度的计算结果如表3 所示.

表3 模型a 和模型b 的计算结果

对于b 模型，标高5.500m 和标高16.500m 的主梁在Z 方向上的挠度很小.对于a 模型，标高16.500m 的主梁在Z 方向上的最大挠度比约束解除之前增大，达到10.5mm，且最大挠度出现在解除约束的梁的自由端.

《钢结构设计规范》GB50017－2003 对工作平台梁所规定的挠度容许限值是从构件的正常使用和观感出发的，同时考虑到加固施工过程对安装间隙的要求，和今后钢平台的使用环境(若平台梁端部挠度大，导致高强螺栓连接处易积水易腐蚀)，为此在更换标高16.500m 处的水平连接板之前，应采取措施减小主梁自由端的挠度，在施工之前先在相应的部位增加支撑构件GZC1 和GZC2.支撑形式如图7 所示.

对增加支撑并解除了相应连接板约束之后的钢支架重新建模进行计算分析，记为模型c.支撑构件GZC1 和GZC2 的截面尺寸分别取2［16a 和2［12.6.

计算结果表明，标高16.500m 处的主梁的最大挠度仍出现在解除约束主梁的自由端，但是由于增加了支撑，其值从10.5mm 降到了2.6mm(图8).说明图7 的支撑形式可以有效减小梁自由端的挠度.因此，在解除一个钢梁节点的约束之前，先增设图7 所示的加固支撑，然后对钢梁进行除锈喷砂处理，再更换锈蚀严重的连接板，直至全部锈蚀严重的连接板被置换.加固施工完毕的钢支架立面如图9 所示.

图7 增加的支撑

图8 钢灰库支架(标高16.500m 处)的位移云图

图9 加固后的钢灰库支架结构立面布置示意图

6 结 论

通过对锈蚀受损的钢灰库支架进行有限元受力分析，可得出以下结论:

(1)锈蚀之后的钢灰库支架与锈蚀前相比，除了水平连接板，构件在尺寸上并无明显的削弱.但是由于水平连接板的严重锈蚀导致了连接方式的改变，应力会重分布.尽管计算表明锈蚀后的钢灰库支架的最大应力值和最大挠度值仍可以满足要求，但为了防止锈蚀的加剧，必须对构件的锈蚀部位进行除锈处理，并更换锈蚀严重的水平连接板.

(2)在置换水平连接板过程中，对应的钢柱悬臂段与梁处于无连接状态.计算表明在置换标高16.500m 处的水平连接板过程中，主梁在Z 方向上的最大挠度明显大于约束解除之前，达到10.5mm，且最大挠度出现在解除约束的梁的自由端.考虑到加固施工过程对安装间隙的要求，和今后钢平台的使用环境(若平台梁端部挠度大，导致高强螺栓连接处易积水易腐蚀)，为此在更换标高16.500m 处的水平连接板之前，应采取措施减小主梁自由端的挠度，在施工之前先在相应的部位增加支撑构件GZC1 和GZC2.

(3)置换水平连接板前增加支撑可以减小施工过程中主梁的挠度变形，达到减小安装间隙的目的.

［1］ 中华人民共和国国家标准，建筑结构荷载规范(GB50009－2012)［S］.北京:中国建筑工业出版社.

［2］ 中华人民共和国国家标准，建筑抗震设计规范(GB50011－2010)［S］.北京:中国建筑工业出版社.

［3］ 王新敏.ANSYS 工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］ 中华人民共和国国家标准，钢结构设计规范(GB50017－2003)［S］.北京:中国计划出版社，2003.