入筛输送机走廊主体结构现状检测分析

张晓华

(山西省建筑科学研究院检测中心有限公司,山西 太原 030001)

山西是我国的产煤大省,随着运力和产量的增加,许多煤矿上的设备设施经长期运行后,需要进行升级改造,为确保升级改造工作的顺利进行,需对现有设施的安全和质量状况进行一个全面的检测。下面以宁武县某煤矿上的入筛输送机走廊为例,探讨该类构筑物升级改造前需要检测哪些方面的内容。

1 构筑物概况

本次所研究的某入筛输送机走廊的基本概况见表1。

表1 构筑物基本概况表

该入筛输送机走廊建于2012年,平面形式呈矩形,东西向布置,全长120.85 m,总宽5.2 m(走廊宽3.5 m),高3.0 m,走廊桥面高度距地面5.788 m～17.600 m之间。走廊可分为3个部分,各部分之间用框架结构支架相分隔,作为走廊两端支撑点,第一部分长43.4 m,西端高5.788 m,东端高12.693 m,桥面坡度∠6°,西端有2跨混凝土支架,柱截面尺寸600 mm×600 mm,东端有1跨混凝土支架,柱截面尺寸500 mm×500 mm;第二部分长34.5 m,西端高12.693 m,东端高17.600 m,桥面坡度∠6°,东、西两端各有1跨混凝土支架,柱截面尺寸均为500 mm×500 mm;第三部分长39.0 m,高17.600 m,桥面坡度∠0°,西端有1跨混凝土支架,柱截面尺寸500 mm×500 mm,东端为混凝土框架结构选干楼。走廊两端支架的基础为400 mm厚钢筋混凝土筏板,天然砂岩作为基础持力层,外扩混凝土柱边缘1 250 mm。走廊结构形式为钢桁架结构,桁架型式为钢管焊接空心球,支撑方式为下弦点支撑,屋面及墙面采用100 mm阻燃型聚苯乙烯夹芯板进行封闭围护。该走廊混凝土强度等级均为C30,钢筋保护层厚度:柱、梁35 mm,板15 mm;钢管、焊接空心球采用Q235B,钢管与焊接空心球对接焊缝符合二级质量检验标准的要求。

该入筛输送机走廊外貌见图1,室内情况见图2。

2 使用条件调查

该入筛输送机走廊自2012年投产使用以来,结构未遭受撞击、火灾等偶然因素的影响。使用情况及用途未进行过变更,不存在加固、改扩建的情况。因该场所需经常进行洒水降尘,致使结构与构件所处环境较为湿润,处于干湿交替状态,煤中含有硫等化学成分,对钢构件具有腐蚀作用。入筛输送机输送物料为原煤,运量为400 t/h,带速2.8 m/s,输送带宽度1 000 mm。

3 检查检测结果

3.1 荷载调查

根据走廊带式输送机升级更换的要求,需把原为1 000 mm宽年运量90 万t的带式输送机换成1 400 mm宽年运煤量150 万t的带式输送机,荷载值应符合:当输送机栈桥胶带宽大于1 000 mm,活载取3.0 kN/m2,基本风压取1.0 kN/m2,恒载取3.0 kN/m2的规定[1]。

3.2 地基基础检查

为探明该走廊基础形式、土层及受损状况,在走廊支架基础破损位置进行了测量,地基基础的检查结果如下:

1)该构筑物基础为混凝土筏板基础,基础高度为600 mm～800 mm,基础边至柱边距离为1 250 mm,基础以下为岩层。

2)因构筑物周边施工影响,已挖除了基础周边的回填土,且对局部基础造成了损伤,基础钢筋存在外露现象,基础侧向失去了约束力,对其稳定性也造成了一定影响。

3.3 上部结构检查

1)该走廊支架1轴—3轴为混凝土框架结构,东西向长12.4 m,南北向宽8.0 m,高5.788 m,柱截面尺寸600 mm×600 mm,梁截面尺寸分别为600 mm×550 mm,500 mm×550 mm,350 mm×650 mm。该部分设计图纸为排架结构,现场检测情况为框架结构,实际情况与设计图纸不相符。

支架6轴—7轴为混凝土框架结构,东西向长3.95 m,南北向宽4.7 m,高22.200 m,柱截面尺寸500 mm×500 mm,梁截面尺寸分别为300 mm×500 mm,300 mm×450 mm,650 mm×700 mm。支架4轴—5轴为混凝土框架结构,东西向长3.5 m,南北向宽4.7 m,高17.293 m,柱截面尺寸500 mm×500 mm,梁截面尺寸分别为300 mm×500 mm,300 mm×450 mm,650 mm×700 mm。该部分现场检测情况与设计图纸相符。

2)该走廊桁架型式为钢管焊接空心球,底板为混凝土预制板,受检区域内按长度划分有31 m和39 m两种类型的桁架。经现场测量上弦和立面图与现场测量情况复核,下弦中水平杆设计图采用钢管,而实际采用工字钢。现场检测情况与设计图纸不相符。

3.4 结构外观缺陷检查

3.4.1 混凝土部分外观、缺陷检查

对支架承重结构外观质量进行详细检查后,发现以下缺陷情况:

1)局部混凝土柱根部存在混凝土保护层人为碰撞破损的情况,保护层脱落高度为20 mm。2)局部混凝土板底存在混凝土保护层脱落、钢筋外露锈蚀的现象,保护层脱落最大面积为2.8 m2,约占总面积的75%。

3.4.2 钢桁架结构部分外观、缺陷检查

经对走廊钢桁架主体结构表观缺陷全数检查,发现钢构件存在不同程度锈蚀的情况。由于该走廊需对室内灰尘进行冲洗,导致下弦钢构件发生锈蚀,其中空心球锈蚀较为严重。依据GB 50144—2019工业建筑可靠性鉴定标准中6.3.6条规定:当钢构件腐蚀损伤量不超过初始厚度的10%且剩余厚度大于5 mm时,可不考虑腐蚀对钢材强度影响;当钢构件腐蚀损伤量超过初始厚度的10%或厚度不大于5 mm时,钢材强度应乘以0.8的折减系数[2]。本次所测多数钢构件锈蚀厚度均小于初始厚度的10%,目前锈蚀情况未对钢材强度造成影响。

3.5 混凝土支架部分检查检测结果

3.5.1 构件尺寸及保护层厚度检测

依据GB 50204—2015混凝土结构工程施工质量验收规范中表8.3.2,F.0.2条及附录E.0.4的规定,现场对具备检测条件的混凝土结构构件进行了抽检,柱、梁分别随机抽取4个构件、板抽取2个构件,检查项目为:采用卷尺检测柱、梁截面尺寸偏差;采用HC-GY71S型钢筋扫描仪检测柱、梁、板类构件的钢筋数量及纵向受力钢筋保护层厚度。经现场实测结果表明:该走廊的构件尺寸、钢筋配置、保护层厚度均与原设计图纸相符。

3.5.2 混凝土强度检测

结合实际情况,现场对该走廊支架共随机钻取6个混凝土芯样,经切取芯样并用硫磺胶泥敷顶后,芯样直径为75 mm,高径比为1,芯样强度值相当于测试龄期的边长为150 mm的立方体试块的抗压强度值,采用2 000 kN压力机NO.202进行了抗压试验,6个芯样的抗压强度值分别为16.3 MPa,40.6 MPa,36.7 MPa,26.9 MPa,33.7 MPa和35.4 MPa,试验结果表明:所检构件中有一处框架柱和一处框架梁的混凝土现龄期抗压强度值小于设计强度值C30的要求。

3.5.3 梁受弯构件挠度检测

现场采用ZT30R型电子全站仪对走廊支架具备检测条件的梁进行了变形观测,结果显示:23.800标高A/4—5轴处混凝土梁的计算跨度l0为3.5 m,实测挠度值为-21.5 mm,超过了国家标准规定的“主要受弯构件值≤l0/200”的限值要求。

3.6 钢桁架结构部分检查检测结果

3.6.1 钢构件外形尺寸及厚度检测

依据GB 50205—2020钢结构工程施工质量验收标准中表7.5.9和8.5.7条的规定,采用游标卡尺对该钢桁架钢结构构件直径进行了抽查检测。

依据GB/T 50621—2010钢结构现场检测技术标准第10条的规定,在清除钢构件表面油气层、氧化皮、锈蚀等,并打磨至露出金属光泽后[3],采用JT160型钢板测厚仪对该桁架钢结构构件壁厚进行了抽查检测,允许偏差依据 GB/T 8162—2008结构用无缝钢管第4.2条的相关规定执行。实测结果表明:该走廊钢桁架所抽检构件中的直径和壁厚均满足设计图纸及规范要求。

3.6.2 焊缝外观质量检查

经对钢管与空心球对接焊缝外观质量进行全面检查后,发现共有两种焊缝缺陷:一种是施工遗留的构件构造缺陷,主要表现为:对接焊缝处钢管端部存在凹陷现象,位于下弦杆水平工字钢与空心球连接处的焊缝均存在点焊、根部未焊接、未焊透的现象;另一种是焊缝外观质量缺陷,主要表现为:焊缝表面质量较差、存在漏焊、少焊、咬边、焊瘤、接头不良、表面气孔、表面夹杂的现象。

3.6.3 焊缝内部质量检测

根据该入筛输送机走廊结构设计图显示:钢管与焊接空心球连接采用焊接方式进行,焊缝质量等级为二级。

依据JG/T 203—2007钢结构超声波探伤及质量分级法的规定要求,该走廊焊缝检验等级按B级标准检测,评定等级按Ⅲ级的要求进行判定。对杆件壁厚大于6 mm的钢管进行了抽样探伤检测,每条焊缝探伤长度由现场打磨条件而确定,现场操作规程按照GB/T 50621—2010钢结构现场检测技术标准第7条规定进行,仪器采用JUT500型焊缝超声波探伤仪,实测结果表明:焊缝质量很差,多数钢管与焊接空心球对接焊缝质量不符合标准规定要求。

3.6.4 构件挠度变形观测

为掌握现阶段栈桥下弦钢梁挠度的变形情况,采用ZT30R型电子全站仪对全数钢梁进行了检测。依据GB 50017—2017钢结构设计标准附录B.1规定取值:受弯构件主梁、桁架的挠度允许值应不大于L/400,其中L为构件的计算跨度[4]。实测结果显示:1)在5轴—6轴受检钢梁中,自东向西第1跨西钢梁和自东向西第7跨东钢梁超过挠度值限定要求,测量数值整体无一致的倾斜规律;2)在7轴—8轴受检钢梁中,所测钢梁均未超过挠度值限定要求,测量数值整体无一致的倾斜规律。

3.6.5 钢材强度检测

该走廊钢构件均使用Q235B型钢材,现场采用JH180型里氏硬度计对钢构件的强度进行了随机抽样测试,每个部分随机抽取12个构件,检测方法及计算依据GB/T 50344—2019建筑结构检测技术标准附录N的规定进行。依据GB/T 700—2006碳素结构钢表2中的规定:当钢材抗拉强度值位于375 N/mm2～500 N/mm2时为Q235B[5],实测结果显示现场所测定的钢构件强度值均能达到Q235B设计的强度要求。

3.6.6 钢结构涂层涂装质量检测

根据结构设计图显示:该入筛输送机走廊室内涂层厚度为125 μm。现场采用L360型钢结构涂层测厚仪对钢结构涂层厚度进行了抽查检测。每个部分随机抽取了5个钢构件,实测结果表明:所测栈桥钢构件涂层厚度值均满足设计值的要求。

4 结构承载力验算

依据现场实测材料强度及该栈桥结构、构造的布置形式,按改造升级运输带后的荷载值(输送机栈桥胶带宽大于1 000 mm,恒载取3.0 kN/m2,活载取3.0 kN/m2,基本风压取1.0 kN/m2),采用3D3S程序,对该走廊钢桁架31 m,39 m分别进行了承载能力验算,计算结果见图3—图8。

1)31 m跨桁架杆件。经图3验算,在各种工况组合作用下,桁架下弦水平杆的强度应力比值大于1,不满足GB 50017—2017钢结构设计标准的规定。经图4验算,在各种工况组合作用下,桁架下弦水平杆的稳定应力比值大于1,不满足GB 50017—2017钢结构设计标准的规定。经图5验算,在恒荷载与活荷载标准值作用下,最大位移位于跨中,最大位移值为-45.540 mm

2)39 m跨桁架杆件。经图6验算,在各种工况组合作用下,桁架下弦水平杆件以及竖杆的强度应力比值大于1,不满足GB 50017—2017钢结构设计标准的规定。

经图7验算,在各种工况组合作用下,桁架部分下弦水平杆及竖杆的稳定应力比值大于1,不满足GB 50017—2017钢结构设计标准的规定。经图8验算,在恒荷载与活荷载标准值作用下,最大位移位于跨中,最大位移值为-40.986 mm

3)在各种工况组合作用下,验算结果如下:a.31 m跨桁架下弦水平杆件强度不满足规范要求;部分下弦水平杆件稳定不满足规范要求;位移值满足规范要求。b.39 m跨下弦水平杆件及竖杆强度不满足规范要求;下弦水平杆件及竖杆稳定不满足规范要求;位移值满足规范要求。

5 适修性分析

该入筛输送机走廊建于2012年,使用至今已十余年,因煤矿为加大产能,需对输送机进行升级改造,拟把原1 000 mm宽、年运量90 万t的带式输送机换成1 400 mm宽、年运煤量150 万t的带式输送机,走廊宽3.5 m,从宏观上分析,改造成1 400 mm宽的带式输送机后会导致人行通道的变窄和荷载的增加,需要对整体的建筑布局和承重体系进行改造,否则建筑现状将无法满足升级改造后的生产要求。

就其结构现状可知,地基基础裸露在外,基础侧向失去了束缚力,安全隐患突出。而结构上部,支架混凝土构件混凝土强度、梁挠度不满足设计图纸及规范要求,钢桁架钢管与焊接空心球对接焊缝质量、钢梁挠度不满足设计图纸及规范要求,以上情况造成结构安全隐患突出。

综上可见,如改造后继续使用,需对该构筑物主体结构地上、地下进行全面的加固处理,加固费用高导致改造项目的性价比较低。因此,综合判定该入筛输送机走廊现状适修性较差,建议拆除重建为宜。

6 检测结论及建议

6.1 检测结论

根据以上检查、检测及计算分析的结果,对该入筛输送机走廊的主体结构现状做出如下的检测结论:

1)走廊支架:a.该走廊支架1轴—3轴设计图纸为排架结构,而现场为混凝土框架结构,实际情况与设计图纸不相符。b.目前该走廊支架地基基础裸露在外,基础侧向失去了约束力,对其地基基础构成一定的安全隐患。c.上部结构混凝土构件截面尺寸、配筋及钢筋保护层厚度均可满足设计图纸及规范的要求,但混凝土构件混凝土强度、梁挠度值不满足设计图纸及规范的要求。

2)走廊钢桁架:a.该走廊钢桁架下弦中水平杆设计图采用钢管,而实际采用工字钢,实际情况与设计图纸不相符。b.钢桁架构件直径、壁厚、材料强度及涂层厚度均可满足设计图纸及规范的要求,但钢管与焊接空心球对接焊缝质量、钢梁挠度不满足设计图纸及规范的要求。

3)改造升级运输机后:带式输送机按1 400 mm宽年运煤量150万t后,经计算,31 m跨桁架下弦水平杆件强度不满足规范要求;部分下弦水平杆件稳定不满足规范要求;位移值满足规范要求。39 m跨下弦水平杆件及竖杆强度不满足规范要求;下弦水平杆件及竖杆稳定不满足规范要求;位移值满足规范要求。

6.2 处理建议

鉴于入筛输送机走廊结构现状地基基础、材料强度、构件挠度、焊缝质量均不满足设计图纸要求,若输送机进行升级改造,需对现有结构进行加固维修,目前该构筑物适修性较差,建议拆除重建为宜。