塌陷地震作用下劣化洗煤厂皮带栈桥安全性预测

丁 莎，刘 俊，范 力

（1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055；2.西安建筑科大工程技术有限公司，陕西 西安 710055）

0 引言

近年来，塌陷地震频发，多数发生在煤矿采空区，虽然塌陷地震约占地震总数的 3 %，强度较低，但其震源较浅，造成的局部破坏和灾害较为严重。高宇等［1］对陕西省榆林地区塌陷地震灾害进行了统计分析，发现煤矿采空区的塌陷地震具有“频发性、连发性、季发性”的特征；陕西数字地震台网记录了榆林地区 2004 年以来发生的塌陷地震。贺卫中等［2］统计得出榆林神木煤矿采空区塌陷引起的地震多在 1.5～3.3 级范围内。荻秀玲等［3］统计发现神木矿区发生的最大塌陷地震震级为 4.2。塌陷地震对周边建筑结构的影响不容忽视。

洗煤厂皮带栈桥主要作用是将存储的煤块运送至筒仓顶部，以进行下一步冲洗，是大型煤矿洗煤厂必要的运输设备，其安全可靠的运行是保证煤矿正常生产的必要前提。皮带栈桥结构主要由三部分组成，分别是钢筋混凝土支架、钢结构通廊，以及彩钢夹芯板的围护结构［4］。由于栈桥经常采用高压水枪进行冲洗，墙角地面潮湿，随服役龄期增加，栈桥通廊的钢弦杆、腹杆及支撑等钢构件锈蚀严重；栈桥钢筋混凝土支架柱锈胀开裂，个别位置钢筋锈断，混凝土酥松；围护结构破损。整体存在较为严重的安全隐患［5］。

目前，在对皮带栈桥进行可靠性鉴定过程中，需对其承载力进行验算，但是在建立数值模型过程中并没有考虑由锈蚀引起的材料劣化，导致评估结果偏于不安全；另外，矿区塌陷地震对周围既有建、构筑物安全性影响的研究较少。因此，本文提出考虑材料劣化的皮带栈桥数值模拟方法，采用人工合成地震波模拟塌陷地震，对一龄期为 30 年的皮带栈桥进行数值分析，预测其安全性。

1 工程概况

1.1 结构概况

对某洗煤厂皮带栈桥的 B～4 轴区域进行了现场调查与检测，如图 1 所示。皮带栈桥为高架式斜通廊。通廊钢桁架截面尺寸如图 2 所示，上、下弦布置如图 3 和图 4 所示。桁架下弦杆在每隔 3.000 m（2.700 m）间，在节点处设有横向小桁架，以放置通廊底板。栈桥底板采用 130 mm 厚的预制钢筋混凝土槽型板。栈桥的下部支架均为标号 200# 的混凝土；1、2、3、4 轴处均为双肢框架柱，柱截面尺寸分别为 1 100 mm×700 mm、700 mm×700 mm、700 mm×700 mm、600 mm×600 mm，两肢间分别设截面为 300 mm×700 mm、250 mm×650 mm、250 mm×650 mm、250 mm×650 mm 的矩形混凝土连梁。

图1 栈桥剖面图（单位：mm）

图2 钢桁架截面尺寸（单位：mm）

图3 栈桥上弦支撑布置图（单位：mm）

图4 栈桥下弦支撑布置图（单位：mm）

1.2 现场调查

对主要承重构件进行了现场调查，情况如下所述。

1）钢筋混凝土支架。皮带栈桥由混凝土支架柱支撑，现场检测发现支架柱、柱间横梁均存在不同程度破损，如图 5 所示。

图5 支架柱柱头锈胀开裂、箍筋锈断

2）通廊上弦杆件以及桁架腹杆。该栈桥采用钢桁架承重，现场检测发现受生产环境影响，钢构件锈蚀较为严重。上弦杆件以及距栈桥室内楼面 0.4 m 以上区域的腹杆均存在防锈漆脱落、普遍轻微锈蚀现象，可以忽略；但是距室内楼面 0.4 m 范围以内，由于受矿粉附着、环境潮湿等因素影响，杆件和节点板出现较为普遍和严重的锈蚀现象，如图 6 所示。

图6 0.4 m 高度以下桁架腹杆锈蚀严重

3）通廊下弦杆件。桁架的下弦杆件存在普遍的锈蚀现象，防锈漆完全脱离，部分杆件出现较深锈坑，个别杆件出现较厚锈层，如图 7 所示。

图7 桁架下弦杆锈蚀严重

4）下弦杆间的横向桁架。横向桁架存在普遍锈蚀；桁架下支座和下弦系杆、下弦水平支撑存在较为严重的锈蚀，如图 8 所示。

图8 下弦间横向桁架锈蚀严重

1.3 实测数据

1）混凝土强度。现场对柱等主要承重结构构件混凝土强度进行了测试。采用 HT225-A 型混凝土回弹仪，用回弹法评定混凝土强度，经综合测试：皮带栈桥的支架柱混凝土强度推定值为 23.3 MPa。

2）钢材强度。通廊钢结构部分钢材型号为 A3F，相当于现在市面上 Q235 钢材。采用 MH320 型里氏硬度计对钢材强度进行评定，经测试其屈服强度为 215 MPa。

3）钢材锈蚀深度。现场采用焊缝游标检测尺对锈蚀桁架杆件锈蚀深度进行检测，检测结果为：钢结构杆件平均锈蚀深度在 1～2 mm。对锈蚀严重的部分桁架杆进行现场选样、采样与加固处理。采用 PS50 型三维非接触式表面形貌仪对除锈后的钢材样本进行表面形貌测量，再通过 3D 分析软件得到每个测区（每个测区大小为 50 mm×20 mm）的三维数据及三维形貌图，可得到钢材表面锈蚀深度的最大值和平均值。样本 3D/2D 锈蚀表面轮廓图如图 9、图 10 所示，平均锈蚀深度在 1～2 mm 间，最大锈蚀深度 2.3 mm，通过与样本设计尺寸对比，锈蚀深度达 40 %。

图9 样本 3D 锈蚀表面轮廓图

图10 样本 X-Y 面 2D 锈蚀表面轮廓图

2 钢筋锈蚀模型

对于皮带栈桥通廊钢结构部分钢材锈蚀深度可根据现场仪器检测获取，而对于混凝土支架部分，由于采用半电位法的钢筋锈蚀仪无法准确测量构件的钢筋锈蚀率，且现场检测过程中不容许对建筑物进行破损检测，因此，本文采用目前已有的关于锈胀裂缝宽度与纵向受力钢筋锈蚀率的关系间接计算得到钢筋锈蚀率估算值，文献［6］对目前关于锈胀裂缝宽度与锈蚀率的计算模型进行了评价，当锈胀裂缝宽度较小时，采用邸小坛等［7］提出的模型较为准确，如式（1）所示；当锈胀裂缝宽度较大时，则采用 Andrade［8］提出的模型更为准确，如式（2）所示。采用式（1）和式（2）计算钢筋锈蚀率估算值如表 1 所示。

式中：η为钢筋锈蚀率；d为钢筋直径，mm，查阅收集到的设计图纸获取；c为混凝土保护层厚度，mm，采用现场实测值（HC-GY71一体式钢筋扫描仪）；fcu为混凝土立方体抗压强度，MPa，采用现场回弹强度推定值；w为混凝土表面锈胀裂缝宽度，mm，采用现场实测值（ZBL-F130 裂缝宽度观测仪）。

3 数值模型建立

洗煤厂皮带栈桥在运行过程中，长期处于潮湿环境，导致栈桥通廊 0.4 m 范围以下钢构件锈蚀较为严重，同时随龄期增加钢筋混凝土支架柱钢筋发生锈蚀，保护层锈胀开裂。在对栈桥进行承载力验算时，采用材料强度的原设计值会导致验算结果不安全。因此，本文通过 3 D 扫描方法对钢结构通廊锈蚀严重部位的钢材表面进行三维重建确定钢材的平均锈蚀率；另外，基于锈胀裂缝宽度的钢筋锈蚀模型确定支架柱纵筋和箍筋的锈蚀率。在数值模型建立的过程中对通廊钢结构部分截面进行折减，以及在对支架柱进行承载力验算时需要考虑内部钢筋的锈蚀情况，具体锈蚀参数如表 1 所示。

表1 支架结构柱、梁钢筋锈蚀率计算

3.1 计算参数

该建筑物风、雪荷载分别取 0.65 kN/m2、0.20 kN/m2，抗震设防按 8 度（0.20g）、第一组验算，地面粗糙度类别 B 类。根据原设计和现场调查结果：栈桥室内恒荷载标准值为 3.25 kN/m2，活荷载标准值为 3.0 kN/m2；栈桥屋面恒载标准值取 0.25 kN/m2，屋面活荷载标准值为 0.50 kN/m2，屋面积灰荷载为 0.30 kN/m2；两侧围护墙体恒荷载 3 kN/m（线荷载）。

3.2 栈桥模型

本文采用 SAP2000 软件对其进行数值分析。选取 2～4 轴间空间桁架单元，所有杆件使用 2 节点梁单元，混凝土板及屋面维护使用四节点壳单元。运输长廊前端与 B 轴处的混凝土筒仓按照固定铰支座考虑，支墩混凝土柱下部采用固定端约束。地震作用采用振型分解反应谱法，计算振型 30 个，计算模型三维图如图 11 所示，结构前三阶振型如图 12 所示。

图11 栈桥数值模型

图12 前三阶振型图

3.3 承载力验算结果

依据 GB 50583-2010《选煤厂建筑结构设计规范》风荷载组合系数取 0.85。强度计算考虑 5 种工况组合如下：①1.2 恒荷载+1.4 活荷载；②1.35 恒荷载+1.4×0.9 活荷载；③1.2 恒荷载+1.4 活荷载+1.4×0.85 风荷载；④1.35 恒荷载+1.4×0.9 活荷载+1.4×0.85 风荷载；⑤1.2（恒荷载+0.5 活荷载）+1.3 地震作用。

其中：①与②组合工况为恒载活载组合工况，③与④为加入风荷载的组合工况，⑤为加入地震作用的组合工况。

3.3.1 通廊钢结构

由于该栈桥主要以两侧的矩形桁架梁为受力体系，因此仅提取模型中的两侧竖向桁架梁和底部横向梯形小桁架进行强度校核。

1）正常使用状态下应力校核（①、②组合工况下包络值输出）。在正常使用状态下，因两侧桁架梁为对称设置，提取其中一侧桁架的应力比如图 13 所示；底部的横向小桁架应力比如图 14 所示。由图可知：腹杆应力比较大，最大处应力为 0.955；横向小桁架的下弦杆应力比较大，最大值为 0.977。因此，在正常使用状态下，桁架的杆件应力均处于安全范围之内。但是部分杆件安全储备较低。

图13 竖向桁架梁应力图

图14 底部横向小桁架应力图

2）风荷载参与下应力校核（③、④组合工况下包络值输出）。在风荷载参与作用下，提取其中一侧桁架的应力比如图 15 所示；底部的横向小桁架应力比如图 16 所示。由图可知：部分腹杆应力比较大，有 2 根腹杆的应力大于 1.0；底部横向小桁架应力均小于 1.0；因此，在考虑风荷载组合作用下，部分腹杆的应力处于不安全状态。

图15 竖向桁架梁应力图

图16 底部横向小桁架应力图

3）地震作用参与下应力校核（⑤组合工况下包络值输出）。在地震作用参与下，提取其中一侧桁架的应力比如图 17 所示；底部的横向小桁架应力比如图 18 所示。由图可知：腹杆应力比均小于 1.0；底部横向小桁架应力均小于 1.0；因此，在考虑地震作用下，两端腹杆应力处于安全状态。

图17 竖向桁架梁应力图

图18 底部横向小桁架应力图

3.3.2 钢筋混凝土支架柱

根据钢筋混凝土支架柱实测混凝土强度、尺寸及现有荷载条件，考虑 a、b、c 三种工况进行承载能力验算，可得结构构件的作用效应S。根据钢筋混凝土支架柱实配钢筋根数、间距、考虑钢筋锈蚀后的钢筋直径，可得结构构件的抗力效应R。结构构件的承载能力验算结果用R/（γ0·S）的比值表示，γ0表示结构构件的重要性系数，本结构取 1.0。根据计算可知，3 种工况下，钢筋混凝土支架柱R/（γ0·S）接近 1.0，构件基本满足安全使用要求，但构件安全储备较低。

4 塌陷地震作用下劣化洗煤厂皮带栈桥安全性预测

4.1 人工合成地震波模拟塌陷地震

洗煤厂皮带栈桥抗震设计主要是基于振型分解反应谱方法，对于跨度较小的栈桥结构并未进行弹塑性时程分析，而且未考虑塌陷地震对其性能的影响。由于塌陷地震与构造地震不同，按正常设防标准下设计的劣化栈桥在塌陷地震作用下是否安全有待进一步验证，因此，很有必要对塌陷地震作用下劣化洗煤厂皮带栈桥的安全性进行研究。塌陷地震由于其震级较小，震中位置较为偏远，已有地震记录有限，因此，采用人工合成地震波的方法模拟塌陷地震对一劣化栈桥进行数值分析。

尚彦军等［9］对发生在中国 6 个不同地区塌陷地震进行对比分析，发现塌陷地震体波主要以S波为主，波形简单、规则，周期偏大，高频成分较少；面波具有频散特性，周期也偏大；塌陷地震振幅衰减快，地震波持续时间较短，震级较小；塌陷地震整体波形较为光滑。采用 SeismoArtif 软件进行人工波的合成，利用“同步加速度图与频域修正”算法按照预定义的场地等条件生成初始加速度记录，通过傅里叶变换在频域下进行调幅。经对比发现，塌陷地震与远场地震记录频谱特性相似［10］，以设置 II 类场地图对应剪切波速以及 7 级矩震级等参数拟合的地震波加速时程如图 19 所示，持时长 25.565 s，峰值加速度为 0.421g。人工拟合地震波加速度反应谱如图 20 所示。

图19 人工拟合地震波加速度时程

图20 人工拟合地震波加速度反应谱

4.2 时程分析结果

数次塌陷地震震害表明，塌陷地震对震中区域附近建、构筑物影响较大，地震烈度约为 6 度或 7 度，因此，本文按照 GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）［11］罕遇地震 6 度和 7 度时程分析所用地震加速度时程的最大值 125 cm/s2和 220 cm/s2，对 4.1 节人工拟合地震波加速度幅值进行调整，然后对第 3 节所建立数值模型进行地震作用下的响应分析。

4.2.1 位移响应分析

分别在结构纵向和横向输入峰值加速度为 125 cm/s2和 220 cm/s2的地震波，经后处理得到结构水平纵向柱顶位移分别为 23 mm 和 38 mm，层间位移角为 1/766 和 1/463；水平横向柱顶位移分别为 63 mm 和 98 mm，层间位移角为 1/279 和 1/179。均小于 GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）规定的弹塑性层间位移角限值要求。

4.2.2 内力反应分析

提取纵向和横向地震作用下钢结构通廊杆件的应力图，经对比分析发现，峰值加速度为 125 cm/s2和 220 cm/s2的地震波作用下钢通廊两侧竖向桁架和底部横向梯形小桁架杆件的应力比均小于 1；钢筋混凝土支架柱的弯矩和剪力均不大于考虑钢筋锈蚀的截面承载力。

综上所述，在人工拟合塌陷地震波作用下，劣化栈桥整体变形较大，但未超过规范限值要求，在钢通廊和混凝土支柱有可靠连接的前提下整体结构不会发生倒塌；钢通廊桁架杆应力比均小于 1，钢筋混凝土支架柱承载力满足要求。以上结论与第 3 节反应谱计算结果基本保持一致，因此本文可以间接证明劣化栈桥结构在满足正常设防烈度下的承载力验算可以保证其在塌陷地震作用下结构不发生倒塌。

5 结论

1）对某洗煤厂皮带栈桥进行现场调查，发现栈桥钢结构通廊 0.4 m 范围以下钢桁架梁斜腹杆、横向小桁架和下弦杆锈蚀严重；钢筋混凝土支架柱局部锈胀开裂。

2）采用回弹法对栈桥支架部分混凝土强度进行推定，其值为 23.3 MPa；采用 MH320 型里氏硬度计对通廊钢材强度进行评定，经测试其屈服强度为 215 MPa。

3）采用 3D 扫描技术对锈蚀钢材表面形貌进行重建，确定钢桁架梁斜腹杆、横向小桁架以及下弦杆平均锈蚀深度，平均锈蚀深度在 1～2 mm 间，最大锈蚀深度 2.3 mm，通过与样本设计尺寸对比，锈蚀深度达 40 %。

4）采用 SAP2000 软件考虑锈蚀构件截面损失对栈桥结构进行了承载力验算。结果表面，在不同荷载工况下，锈蚀栈桥结构部分杆件安全储备较低。

5）采用 SeismoArtif 软件拟合人工波模拟塌陷地震作用对劣化栈桥进行时程分析，结果表明在满足正常设防烈度下的承载力验算可以保证劣化栈桥在塌陷地震作用下结构不发生倒塌。Q