浮式煤碼頭桁架式鋼引橋加固補(bǔ)強(qiáng)方案

姚太均 王俊杰 張 煜

1 宜昌港務(wù)集團(tuán)有限責(zé)任公司 2 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院

1 引言

某浮式專(zhuān)用煤炭進(jìn)口碼頭，船岸間通過(guò)42 m鋼引橋連接，皮帶機(jī)架設(shè)在鋼引橋上。碼頭前沿原設(shè)計(jì)為一艘5 t浮式起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)浮吊)，利用抓斗抓取貨物，回轉(zhuǎn)180°后將貨物卸至鋼引橋皮帶機(jī)受料斗，通過(guò)鋼引橋皮帶機(jī)將貨物輸送至岸上貨場(chǎng)，皮帶寬1 m，帶速為2 m/s，碼頭綜合臺(tái)時(shí)效率約為200 t。隨著貨物進(jìn)口量的增長(zhǎng)，原碼頭設(shè)計(jì)能力已不能滿足生產(chǎn)作業(yè)需要，需對(duì)碼頭進(jìn)行擴(kuò)能改造。擬將碼頭卸船浮吊由5 t浮吊更換為10 t浮吊，浮吊回轉(zhuǎn)幅度由180°減為90°，提高效率。在浮吊船上增設(shè)皮帶機(jī)，將貨物輸送給鋼引橋上皮帶機(jī)后，再經(jīng)過(guò)貨場(chǎng)皮帶機(jī)至堆場(chǎng)。同時(shí)將原碼頭皮帶機(jī)帶寬由1 m增加到1.2 m，帶速提升為2.5 m/s，使碼頭綜合臺(tái)時(shí)效率達(dá)到400 t以上。碼頭作業(yè)工藝為：貨船→10 t浮吊船→浮吊船受料斗→浮吊船皮帶機(jī)→鋼引橋皮帶機(jī)→貨場(chǎng)皮帶機(jī)→貨場(chǎng)上高機(jī)→堆場(chǎng)。

該浮式碼頭船岸間的鋼引橋已使用了近15年，擴(kuò)能改造時(shí)需對(duì)剛引橋進(jìn)行預(yù)應(yīng)力卸載及其維修加固[1-2]。由于該碼頭位于某化工廠排污口，鋼引橋腐蝕十分嚴(yán)重，部分桿件厚度只有原來(lái)的60%左右，已達(dá)到中級(jí)危舊橋梁的標(biāo)準(zhǔn)，鋼引橋的承載能力、安全性下降。如果在運(yùn)行荷載不中斷的情況下，再疊加施工荷載、切割打磨受損構(gòu)件、焊接熱處理等影響，橋體的安全風(fēng)險(xiǎn)較高。此次改造皮帶機(jī)加寬后，鋼引橋的荷載增加，強(qiáng)度需要重新驗(yàn)算，若強(qiáng)度不足，需提出加固補(bǔ)強(qiáng)方案，確保鋼引橋的結(jié)構(gòu)安全。

2 鋼引橋強(qiáng)度校核計(jì)算

2.1 原鋼引橋參數(shù)

該鋼引橋?yàn)殍旒苁浇Y(jié)構(gòu)，主梁型式采用平行弦桁架式雙主梁，跨度為42 m，材料為Q235A型鋼，鋼引橋兩端采用弧形滑動(dòng)鉸支座，基本尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 原鋼引橋基本尺寸

設(shè)計(jì)載荷：皮帶機(jī)載荷為3 kPa；人群載荷2 kPa；風(fēng)雪載荷 0.5 kPa。橋面系采用板式格梁構(gòu)造，布置有縱梁和橫梁，采用上平面等高連接。橫梁為主承重梁，跨度4.0 m，縱向間距3.5 m，布設(shè)并支承于兩片主桁架內(nèi)側(cè)。縱梁為副承重梁，跨度3.5 m，水平間距0.7 m，等距布置。為增強(qiáng)鋼引橋的橫向抗扭強(qiáng)度，在兩片主桁架下弦桿之間，布設(shè)下弦縱向聯(lián)結(jié)系，成X型交叉腹桿，簡(jiǎn)稱(chēng)下平縱聯(lián)；為保證鋼引橋上弦桿橫向穩(wěn)定性，在兩主桁架上弦桿之間布設(shè)上弦縱向聯(lián)結(jié)系，成X型交叉腹桿，簡(jiǎn)稱(chēng)上平縱聯(lián)。

主要部件用材如下：橋面面板為5 mm鋼板；縱梁、橫梁為I20工字鋼；主桁架的上弦桿為2L160×100×10不等邊角鐵，下弦桿為2L125×125×10等邊角鐵，斜腹桿為2L140×140×10等邊角鐵，豎腹桿為2L80×80×6等邊角鐵；縱向聯(lián)結(jié)系的下平縱聯(lián)為L(zhǎng)90×90×6等邊角鐵，上平縱聯(lián)為L(zhǎng)100×100×8等邊角鐵。

2.2 橋面系設(shè)計(jì)強(qiáng)度驗(yàn)算

為滿足碼頭改造后的作業(yè)工藝要求，對(duì)原鋼引橋橋面系設(shè)計(jì)的橋面板、縱梁、橫梁、端橫梁強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算，具體驗(yàn)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。通過(guò)驗(yàn)算，原鋼引橋橋面系設(shè)計(jì)的橋面板、縱梁、端橫梁強(qiáng)度均符合碼頭改造后的作業(yè)工藝要求。

表1 橋面設(shè)計(jì)強(qiáng)度驗(yàn)算表

2.3 主桁架設(shè)計(jì)強(qiáng)度驗(yàn)算

計(jì)算跨度42 m，節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度3.5 m，桁架高度3.5 m，橋面寬度4.0 m，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。表2為桿件內(nèi)力計(jì)算表，表中受拉力為正，受壓力為負(fù)；表3為桿件截面驗(yàn)算表。通過(guò)以上驗(yàn)算，原鋼引橋主桁架設(shè)計(jì)的下弦桿、斜腹桿、豎腹桿強(qiáng)度均符合碼頭改造后的作業(yè)工藝要求；原鋼引橋上弦桿件選用2根不等邊角鐵160×100×10的總截面積為50.6 cm2，不能滿足皮帶機(jī)加寬后的強(qiáng)度要求，需要進(jìn)行加強(qiáng)處理。

圖2 桿件內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖

表2 桿件內(nèi)力計(jì)算表

表3 桿件截面驗(yàn)算表

2.4 縱向聯(lián)結(jié)系強(qiáng)度驗(yàn)算

對(duì)原鋼引橋縱向聯(lián)結(jié)系的上、下平縱聯(lián)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，因上平縱聯(lián)強(qiáng)度驗(yàn)算計(jì)算與下平縱聯(lián)相同，故此取下平縱聯(lián)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

經(jīng)計(jì)算下弦桿產(chǎn)生的最大應(yīng)力為237.83 MPa，不滿足強(qiáng)度要求。因此，下弦桿肯定會(huì)失穩(wěn)，危及整個(gè)結(jié)構(gòu)安全。為此，原鋼引橋在兩桁架下弦設(shè)立交叉腹桿抵抗橫向風(fēng)荷載，計(jì)算斜腹桿最大拉力為174.33 kN，所需角鐵總截面積為10.25 cm2，原等邊角鐵90×90×6可滿足1.2 m皮帶作業(yè)要求。上平縱聯(lián)強(qiáng)度驗(yàn)算計(jì)算與下平縱聯(lián)相同，原鋼引橋設(shè)計(jì)采用等邊角鐵100×100×8的總截面積為15.6 cm2，滿足1.2 m皮帶作業(yè)要求。

通過(guò)以上驗(yàn)算，原鋼引橋縱向聯(lián)結(jié)系的上、下平縱聯(lián)強(qiáng)度驗(yàn)算均符合碼頭改造后的作業(yè)工藝要求，不需要進(jìn)行加強(qiáng)處理。

2.5 其他驗(yàn)算

該鋼引橋僅將皮帶加寬，對(duì)其他構(gòu)件無(wú)任何影響，故鋼引橋的整體撓度、節(jié)點(diǎn)焊縫強(qiáng)度、支座強(qiáng)度等方面不需要重新進(jìn)行驗(yàn)算，均滿足現(xiàn)在生產(chǎn)作業(yè)工藝要求。

通過(guò)以上的驗(yàn)算，將該鋼引橋皮帶由1 m改為1.2 m后，由于荷載發(fā)生變化，且鋼引橋部分桿件銹蝕嚴(yán)重，造成鋼引橋主桁架部分的上弦桿強(qiáng)度不能滿足規(guī)范要求，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，其余均滿足規(guī)范要求。

3 鋼引橋補(bǔ)強(qiáng)加固設(shè)計(jì)與施工

經(jīng)驗(yàn)算，原鋼引橋主桁架上弦桿FG桿不能滿足規(guī)范要求，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理?？紤]到上弦桿腐蝕極其嚴(yán)重，此次加強(qiáng)計(jì)算截面積只能按50%考慮，同時(shí)需對(duì)上弦桿其他桿件進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 桿件補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算表

根據(jù)以上計(jì)算，為了減輕鋼引橋的重量，節(jié)約鋼材用量，鋼引橋D、E、F、G節(jié)點(diǎn)處采用鋼板焊接成箱體，直接焊在節(jié)點(diǎn)處連接鋼板上(見(jiàn)圖3)。箱體垂直弦桿方向板高160 mm，寬190 mm，鋼板厚10 mm；平行弦桿方向板高130 mm，寬200 mm，鋼板厚14 mm；箱體頂面封板長(zhǎng)200 mm，寬150 mm，鋼板厚10 mm。

圖3 鋼引橋加固處理施工圖

BC、CD桿選用1根14槽鋼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，為了便于施工，將槽鋼開(kāi)口向下，扣在原角鐵面上，采用滿焊方式與原角鐵焊牢固，與原角鐵共同受力(見(jiàn)圖3b)。DE、EF、FG桿選用2根14槽鋼，提前將2根槽鋼開(kāi)口方向進(jìn)行對(duì)焊，焊成箱型梁，再將箱型梁與鋼引橋角鐵面焊接，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)目的(見(jiàn)圖3c)。

由于該鋼引橋皮帶機(jī)已安裝到位，并受到周邊環(huán)境和場(chǎng)地限制，已不可能將鋼引橋?qū)⑵洳鸪?，只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行加固。鋼引橋除原兩端支撐點(diǎn)外，其他部位無(wú)法進(jìn)行臨時(shí)支撐。鋼引橋在受力情況下進(jìn)行焊接加固，存在很大的施工風(fēng)險(xiǎn)，如果不嚴(yán)格按要求進(jìn)行施工焊接，極有可能發(fā)生鋼引橋整體跨塌的重大事故。

施工時(shí)，采用對(duì)稱(chēng)施焊方式對(duì)鋼引橋兩主桁架進(jìn)行加固，先只焊節(jié)點(diǎn)，加固橫梁采用兩主橋架左右對(duì)稱(chēng)、江側(cè)和岸側(cè)對(duì)稱(chēng)的加固方式。待全部節(jié)點(diǎn)焊接完成，將鋼引橋上弦全部加固完成后，將各桿件均分為4等份，每個(gè)等份點(diǎn)處施焊，焊腳10 mm，焊縫長(zhǎng)120 mm。焊接加固完成后，進(jìn)行除銹，做好防腐工作，最后在加固桿件與上弦桿處采用結(jié)構(gòu)膠密封。

4 結(jié)語(yǔ)

該浮式煤碼頭42 m桁架式鋼引橋皮帶由1 m寬增加至1.2 m，帶速由2 m/s提高到2.5 m/s，生產(chǎn)效率提高近1倍，鋼引橋的荷載發(fā)生相應(yīng)變化。通過(guò)計(jì)算分析，提出了鋼引橋加固補(bǔ)強(qiáng)方案。改造后，該碼頭已運(yùn)行半年，鋼引橋沒(méi)有發(fā)生任何變形，皮帶機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，表明該方案切實(shí)可行，可為類(lèi)似碼頭鋼引橋加固提供參考。