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某高炉超长主皮带通廊钢结构性能评价

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某高炉超长主皮带通廊钢结构性能评价 曾滨  许庆 亓玉台 中冶建筑研究总院有限公司

曾滨, 许庆, 亓玉台. 某高炉超长主皮带通廊钢结构性能评价[J]. 工业建筑, 2019, 49(2): 179-183.  doi: 10.13204/j.gyjz201902033

国家自然科学基金面上项目(51578558) 十三国家重点研发计划资助项目(2018YFF0300206)

某高炉主皮带通廊结构形式为钢桁架,总长度为 210 米,修建于 2011 年,结构共 8 跨,采用八字墩钢管,结构分 3 个温度应力区段,桁架横截面呈矩形。高炉上料系统设有 TS102 上料主胶带机 1 条,用于向高炉炉顶输送槽下炉料,在主胶带机上设有 1 个受料点,主要受料为矿石和焦炭。然而,建成使用半年后,发现局部变形较大:高炉端的高处第一段通廊跨中发生平面外变形,上、下弦最大变形处为 230mm。对于建筑物的破坏,特别是钢结构的破坏往往是从变形开始的,但并不是所有的变形都是建筑物危险的征兆,只有那些影响结构承载能力、稳定性、刚度以及节点连接可靠性等的变形才可能危及建筑物的使用安全。因此,各类变形对建筑物的危害是不同的,对各类结构变形的处理应有区别。所以准确鉴别不同类型的变形成因、程度及危害是十分重要的。
为此,首先对通廊结构从材料、结构构造以及结构体系方面进行检测,对变形等进行重点测绘,其次,对现场荷载进行了调查,在此基础上对结构进行了现场监测,获得了温度荷载、风荷载作用下的变化规律以及不同部位钢结构截面的应力分布规律。最后,依据调查所得到的结构荷载,采用 Midas/Gen软件分析温度荷载、传送带荷载、积灰荷载、风荷载和制动荷载作用下的结构变形规律,然后与现场监测值进行对比,分析造成结构变形的关键因素。
01
结构现场调查
现场检查未发现材料、结构构造、螺栓安装以及结构体系方面存在明显的问题,通廊结构下弦局部变形见表 1。

表 1 通廊结构桁架下弦侧向变形 Table 1 Lateral deformation of lower chords ofthe corridor structure mm

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根据 GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》规定,桁架的侧向弯曲矢高允许值为 L/1000(L 为桁架长度)和限值 10mm。由表 1 可知,结构现状不满足 GB 50205—2001 的要求。
02
荷载及钢结构应力现场监测
结构监测是在对工程施工或运营过程中结构状态的全过程实时跟踪(图 1)。由于结构受力复杂且多具有唯一性,结构构件传力具有不确定性,因而,该结构的控制关键因素由结构方案所导致的关键部位(危险部位)的应力和变形组成。结构的关键部位根据施工力学或有限元模拟分析的方法来确定。监测内容包括应力和变形两个方面。
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图 1 监测系统组成 Fig.1 Schematic diagram of structure monitoring system
2.1  监测内容

通廊结构剖面呈矩形,如图 2 所示。使用过程中发现局部变形较大,在高炉上部有明显弯曲变形。综合分析,造成该结构变形的可能因素较多,有必要对各影响因素进行现场测试和排查,拟定对结构外因,包括环境温度、风压、启动制动变形、应力变化等进行监测,提供结构计算参数和分析对比使用。现场监测主要内容有:桁架下弦跨中、立柱应力监测、内外温度监测和不同高层风速测试。
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图 2 主皮带通廊结构示意 Fig.2  Schematic diagram of the main belt corridor structure

2.2  监测仪器布置及测试

传感器布置如图 3 所示:1)在下弦杆和竖杆上布置钢弦应变计 25 个,其中有效应变计 18 个;2)温度传感器 5 个,采集仪 1 台。3)根据第一组钢柱施工监测结果初步分析,第 2、3 根柱子可不进行温度场测试,故不在钢柱内部布置测点,仅测钢箱应变和变形。
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a—监测断面立面;b—监测断面测点布置;c—测点编号。 图 3 应变及温度测点布置 Fig.3 Layout of the temperature and strain monitoring points
钢结构应变采用 JMZX-212 智能弦式数码应变计进行测量,它是一种表贴式应变计,由安装座、应变计、保护罩组成,适用于各种钢结构和混凝土结构表面应变测量。将安装座焊接在钢结构表面,或用膨胀螺钉固定在混凝土结构表面时,适应长期监测和自动化测量。采用 JMT-36B 温度传感器进行温度量测。
03
现场试验结果分析

3.1  结构温度测试结果

测试阶段,通廊外部温度区间为 20~26 ℃,各测点温度相差不大,靠近高炉段和最下段温度略高于中间测段,温度场分布呈两端高中间低的特点;但是由于温度梯度很小,即整个通廊为同一温度场,在计算时只考虑通廊结构整体的升、降温,不考虑场区温度梯度。具体测试结果见图 4。
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图 4 不同监测断面的温度变化规律 Fig.4 Changing laws of temperatures at different monitoring sections

3.2  结构应力测试结果分析

图 5 为结构的应力测试结果,分析可知: 1)从测量的温度-应变曲线可以看出,结构应变与温度基本呈线性关系,在目前的温度区间(20~27 ℃)内,主结构为弹性变形。 2)在温度作用下,结构温度应力最大增量为 5~6 MPa,升温幅度 7 ℃。 3)布置在靠近高炉跨段内测点 YLB-01、YLB-02、YLB-03、YLB-04,应力变化大于其他跨段应力增量,即该区域温度对其应力影响较大。
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a—监测断面 A 侧;b—监测断面 B 侧。 图 5 结构应力变化规律 Fig.5 Changing laws of structure stress

04
变形原因分析

4.1  计算模型

根据设计图纸,选取上部温度段计算,结构力学模型为 3 段断开钢桁架,其中上下弦断开,桁架端部固定于钢墩冠梁上,计算中不考虑钢板、外墙檩条等围护次要受力构件。其中端部采用 3 个钢柱形成固定约束,而跨中采用高墩铰接柱,在内力作用下产生摇摆变形释放内力。结构的计算模型见图 6。
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图 6 计算模型 Fig.6 Calculation model
单元数:1 039 个,结点数:397 个;上下弦、墩:空间梁单元;腹杆、撑杆:桁架单元;截面数:22 种。结构自重荷载由程序自动计入; 运输荷载:运输量,矿石 1400t/h;运输速度 2m/s。计算得到,实际每延米运输荷载为 1.94kN/m;设计荷载为 2.0kN/m2;积灰荷载 0.3~1.0kN/m2;温度升温 40℃;风荷载为 0.58~0.72 kN/m2;架空构件体型系数 1.2。

4.2  皮带荷载作用下变形分析

根据设计给定的图纸计算得到皮带荷载作用下的变形,结构变形呈现简支梁受力特性,其变形与跨度有关,最大变形位于第 3 跨,竖向变形值为 43.28 mm,见图 7。
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图 7 皮带荷载作用下的结构变形 mm Fig.7 Structure deformation under the conveyor belt load

4.3  积灰荷载作用下变形分析

在积灰荷载作用下,结构下挠度变形为 9.68mm,结构变形呈现简支梁受力特性,结构在面外变形很小,见图 8。
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图 8 积灰荷载作用下的结构变形 mm Fig.8 Structure deformation under dust load

4.4  风荷载作用下变形分析

在风荷载作用下,桁架结构出现整体漂移的变形特征,其中最大位移为 10.98mm,发生在第 3 跨,见图 9。
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图 9 风荷载作用下的结构变形 mm Fig.9 Structure deformation under wind load

4.5  启动制动荷载作用下变形分析

启动时间预估为 1.0s,考虑启动瞬间冲击力,根据冲量给出了图 10 所示的冲击时程曲线。
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图 10 制动时程曲线 Fig.10 Braking time-history curve
在冲击荷载作用下,结构冲击变形约 1.5mm,冲击变形较小(图 11)。
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图 11 冲击荷载作用下最大变形 Fig.11 The maximum deformation under impact load

4.6  温度荷载作用下变形分析

根据实测温度场分析,该区域梯度温差最大值在 2 ℃以内,温度梯度对结构受力影响较小,可不计入。结构主要温度为季节性的温度差异,根据当地气象资料和施工合龙温度,采用系统温差 40 ℃计算。
温度荷载作用下的计算结果见图 12、图 13,图 14 为结构变形的现场实测值。分析计算结果,并与现场实测值进行对比分析可知:
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图 12 温度荷载作用下的结构应力 MPa Fig.12 Structure stress under temperature load
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图 13 温度荷载作用下的计算变形(Y 方向) mm Fig.13 Calculation deformation under temperature load (Y-direction)
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图 14 结构变形现场实测值 mm Fig.14 The measured values of the structure
1)根据实测温度场及变化,计算得到在发生侧向变形段的温度应力增量为 4.345 MPa,与实测值 5 MPa 吻合良好。表明计算模型能反映结构温度受力状态。
2)计算显示,在同样温度增量下,靠近高炉跨温度应力大于其他跨度,即在同样的温度作用下,发生侧向变形段受温度荷载作用影响较大,该区域对温度荷载敏感。
3)从计算分析可看出:在温度荷载及其他荷载组合作用下,一方面结构变形与结构现状变形形态吻合;另一方面,通过应力计算,结构下弦杆进入材料屈服阶段,结构实测变形较计算值明显偏大,说明结构已进入塑性阶段;结合应力和变形两方面计算,可以推断在端部约束条件下,温度是造成现状的主要因素。
05
结束语
通过现场检测、监测及结构分析,该通廊桁架上、下弦局部平面外变形成因如下:由于端部钢楼梯与通廊端部结构焊接且顶紧,在此形成了较强端部约束,在温度荷载(升温)作用下,通廊桁架结构在局部发生挤压,上下弦杆发生出平面弯曲变形,随着变形的增大,构件进入了塑性阶段,变形不可恢复。因此温度荷载和结构末端约束条件的变化是导致该通廊钢结构发生侧向水平变形的直接原因。

基于此结论,对该结构进行了如下处理:1)将端部约束去掉;2)对发生塑性变形的杆件进行加固处理。此通廊结构诊治后现已使用 2 年以上,结构状况良好。
本文转自公众号“钢结构”作者:曾滨,许庆,亓玉台(如有侵权,请联系删除)


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