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溫立平1，朱緒平2，張亞英2，袁延強3
（1.防災科技學院，河北三河065201；2.北京工業職業技術學院，北京100042；3.濱州沾農供水有限公司，山東濱州256800）
摘要：以某熱電廠鍋爐鋼結構框架改造為例，利用Midas與盈建科軟件建立計算模型。通過對坍塌鋼框架改造前和改造后模型的分析計算，提出了加固方案。地震和風荷載位移曲線表明，加固后鋼結構性能指標明顯增強。結合實例對鋼結構加固進行的探討和研究，可在鋼框架結構的加固加層設計中借鑒與應用，對鋼結構建筑抗震加固具有參考價值。
0引言
電廠熱力塔通常為鋼框架結構。伴隨電廠的更新、升級工作以及為滿足環保要求進行的脫硝改造，對建筑結構強度和承載能力提出了更高要求，需要對熱力塔進行結構檢測并加固，確保電廠運行安全及功能提升。本文基于一個熱力塔發生倒塌事故后，為避免發生類似事故，對另一個熱力塔進行了鑒定、計算分析和加固處理，最終使其達到規范安全要求。實例中采用的分析方法和加固經驗，在鋼框架結構的加固加層設計中有借鑒參考價值。
1工程事故概況
某熱電廠1#、2#機組鍋爐鋼結構建于2007年，兩組鍋爐用途相同，均為鋼框架結構形式。2014年，電廠業主委托某環保公司對1#、2#機組進行脫硝改造，改造后增加了脫硝設備。由于未對梁柱節點進行有效加固，2015年7月9日中午11點熱電1#機組停機后，省煤器在當日13點左右從30.50m層整體坍塌，導致1#機組主體結構嚴重破壞。為避免發生類似事故，本文對2#機組進行整體計算分析加固，以使其達到規范安全要求。
2安全性鑒定及施工質量檢測
為確保加固改造后的鋼結構具有足夠的安全性并提高抗震性能，多次組織人員到現場檢查鑒定。檢查的主要內容：與原設計圖紙符合情況檢查，材料性能檢測，構件尺寸檢測，外觀損傷檢測。
2.1與原設計圖紙符合情況檢查
發生坍塌事故的結構平面圖如圖1所示。該結構原建部分和加固改造基本符合設計圖紙，但支撐部分缺失。原結構缺失的構件為50.77m處H/B0－B1水平支撐。現脫硝部分缺失的支撐已增補完畢。
2.2材料性能檢測
2#機組鍋爐鋼結構梁柱鋼材選用Q345B。為了確定鋼材的實際力學性能，現場采用里氏硬度計（AL200）測試鋼構件的抗拉強度。不同標高位置主要鋼構件抗拉強度檢測結果見表1。
Q345B鋼材的設計抗拉強度470～630MPa。由表1可知，2#機組鋼構件的實測抗拉強度在506～543MPa，滿足設計要求。
2.3構件尺寸檢測
鋼構件厚度直接影響結構構件的截面積，板厚負偏差超過允許范圍，結構計算需要按實際厚度取值[1]。《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形重量及允許偏差》（GB/T709—2006）要求，15～25mm厚鋼板允許負偏差－1.1mm。采用UL350型超聲測厚儀對鋼構件厚度進行現場抽測，銹蝕部位構件尺寸負偏差在－0.11～－0.39mm，小于允許值。檢測結果表明，結構驗算可以按照原設計厚度取值[2]。
2.4外觀損傷檢測
機組鍋爐鋼結構焊縫未發現明顯的外觀損傷，但普遍存在節點銹蝕現象。部分螺栓節點施工質量存在問題，具體表現為：螺栓存在擴孔現象，節點板螺栓缺失，螺栓梅花頭未擰掉，節點螺栓未擰現象，有的節點螺栓實際為全截面焊接。除節點損傷之外，還有部分樓板開裂。
3結構分析與加固設計
3.1結構基本信息
結構采用盈建科有限元軟件計算。地面粗糙度為B類，地震設防烈度為8度，抗震等級為3級，設計地震分組為第1組，場地類別為Ⅲ類，場地特征周期取0.45s。采用振型分解反應譜法進行地震作用分析。
梁、柱采用Q345B鋼。由于廠房有維護結構，需要進行鋼結構抗風計算，基本風壓0.7kN/㎡。假定柱腳與基礎采用剛性連接，次梁與主梁采用鉸接連接。本模型建模過程中，考慮的荷載類型有恒載、活載、地震荷載、樓板自重、設備荷載、風荷載，采用規范荷載組合。
脫硝改造后，由于改造增加了脫銷設備，結構重量增加，造成1層和2層部分柱子軸壓比超限，多個柱子穩定應力超限以及個別梁的應力超限。部分梁、柱超限情況如圖2所示。
整體計算中，水平方向風荷載作用下的4層最大層間位移角1/90，水平方向最大位移與層平均位移的比值為1.44。
3.2節點的加固補強處理
針對重點部位的節點，應用有限元ANSYS軟件進行節點受力分析。分析表明：在設計組合受力作用下，應力與應變都超限；應力達447MPa，應變達20.8%，需要對節點進行加固。
根據現場檢測結果可知，結構主體施工質量較差，需要對構件截面和節點進行加固[3]。根據《鋼結構加固技術規范》CECS77：96（下文簡稱《規范》）中6.1與6.2內容，構件節點按以下方式進行處理：①缺失螺栓需要補充到位；②對節點處存在的梅花頭未去掉、節點銹蝕、螺栓未擰緊等現象做扭斷梅花頭、防銹、螺栓緊固等處理措施；③部分主梁由于脫硝設備增加造成剪力不足，下面增設抗剪牛腿，主梁下增設牛腿支托；④部分次梁節點由于加工誤差造成螺栓孔徑無法對應，在現場進行擴孔處理，滿足螺栓的強度要求；⑤有的對腹板進行現場拼接焊接，在端部進行角焊縫的焊接，對虛焊進行剔除處理，補充四周圍焊。
3.3加固截面的確定
由于整體計算是部分軸壓比不滿足和較多的穩定應力不滿足，需先根據穩定應力計算加固截面。根據《規范》加大截面法進行加固[4]。
根據式（1），先對截面在x和y方向的慣性矩進行等效計算，根據應力比計算出需要增加的慣性矩；之后在Midas與盈建科軟件里進行整體復核計算，直到各個指標滿足規范要求。各指標信息見表2。
3.4加固方案
根據受力和截面等可變換的加固厚度尺寸[5]，加固方案如圖3所示，黑色部分為加固鋼板，未填充的為原有結構。把各個加固方案構件輸入到Midas與盈建科軟件里進行整體計算，應力比均符合規范要求。
3.5加固前后的結構性能指標對比
由表2可知，整體計算各個工況下，位移角最大為1/478，滿足了鋼結構規范限值1/250的位移角要求；加固后結構性能改善明顯，最小剛度比小于1.0，層間受剪承載力比大于0.8，有效質量系數大于90%；位移比等其余指標均符合規范要求。
由于篇幅限制，現選取地震荷載作用下改造前后x方向和y方向樓層層間位移角曲線圖做對比，如圖4所示。
改造前，地震荷載作用下x方向和y方向樓層位移的最大值分別為33.9mm和86.0mm；改造后分別減小為28.1mm和4.8mm。由于對y方向支撐連接和節點進行了加強，地震作用下其樓層位移曲線圖影響較大。
加固前，風荷載作用下x方向和y方向樓層層間位移角最大值分別為1/191（不滿足鋼結構規范限值1/250）和1/296；加固后分別為1/26684和1/17967，滿足規范限值1/250。
4結論
在工業建筑的結構加固改造設計中，必須結合施工能力與結構現狀，根據實際情況選用合適的加固設計方法。本文的熱電廠脫硝改造實例，通過有限元軟件計算分析，充分運用概念設計的手段，使單個構件的設計與整體設計結合，通過加固補強重要節點和截面、增加合適連接支撐的方法進行加固設計。該方法適用于鋼框架工業結構的加固處理，占用空間較小，對鋼結構建筑抗震加固具有參考價值。
參考文獻
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