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岩土研究院

【加固纠偏工程案例】采用体外预应力技术加固原煤贮仓

25 2023-08-15 10:12:24

宁夏大武口洗煤厂原煤贮仓建于1969年。贮仓平面为矩形,纵向长96.8m,横向宽38m。贮仓横断面呈六边形,仓顶最高标高14.46m。该贮煤仓贮量2万t,是保证洗煤厂正常生产的重要建筑。

贮煤仓结构形式为单排刚架,沿轴线设置楼面梁,柱间距分别为12m、18m和24m。刚架柱为斜柱,倾角为45。。整个煤仓的结构构件均为预制混凝土构件,楼板为双T形板,仓外壁板为预制槽板,并支撑在毛石挡墙上(轴距6m)。

煤仓上部带窗户的顶楼为砖混结构的皮带输送机通廊。仓下部有地下通道供卸煤用。

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贮煤仓结构现状


1.1、现状

贮煤仓1969年建成,投入使用后不久发现贮仓东西两端部山墙外倾,14.46m标高处柱顶与纵梁脱开导致仓顶、檐口、圈梁和输煤廊楼顶圈梁被拉断。4根山墙柱的柱顶最大位移90mm,贮煤仓其他结构完好。

1971年大武口洗煤厂采用钢格构斜支撑对煤仓进行加固。但效果不理想,加固后并未阻止住山墙柱外倾,更未使柱子复位,最后只得将两端贮煤仓卸空停止使用,贮煤量减少30%。造成柱子外倾的主要原因是山墙部分原设计不当。


1.2、加固方案及加固设计

1991年大武口洗煤厂欲在不停产的前提加固贮煤仓,使空仓恢复使用,以增加精煤产量。为此,对几个加固方案进行了论证,最后选定体外预应力水平拉结加固方案。

加固设计根据以下三方面确定:

(1)预应力钢绞线数量的确定

钢绞线数量由山墙柱复位拉力及复位后仓内煤的侧压力中较大者确定。山墙柱复位拉力计算可视为柱根部固定、上部滑动的弹性体,并考虑到山墙壁板对柱的约束作用,故计算时柱的抗弯刚度增加l倍。柱顶平均位移60mm时,算得复位推力需740kN左右。另外还应加上柱顶与结构搭接处的摩擦阻力等。标高14.46m处的楼板、轨道、大梁及山墙壁板对柱的摩擦阻力约为235kN,砌体与混凝土的摩擦系数为0.7,钢材与混凝土的摩擦系数为0.45,摩擦接触面按70%~80%计算,算得总复位力为975kN。

根据计算,满仓时煤对山墙柱的侧压力约708kN。考虑到卸煤过程的冲击荷载,再乘以1.5的动力系数(此系数偏大,但对加固后的结构有利)。所以在长期使用过程中,柱承受的侧压力不会超过1060kN。最后确定钢绞线数量为14—Uφj15元粘结钢绞线。

为减少钢绞线松弛造成的预应力损失(该工程因工期要求紧故未采用低松弛钢绞线),设计预应力控制强度仅取钢绞线标准强度的50%。较低应力下,1000h的松弛率约降低到3.4%。

(2)锚固位置的确定

预应力钢绞线的水平高度选在11.703~11.800m之间。这里是第11轴斜梁与牛腿之间的夹缝,可容纳一根钢绞线通过,是比较理想的标高。再降低高度,就要增加张拉力,增加钢筋用量,显然是不利的。

锚固位置选在山墙柱外侧,通过承压板锚固在仓外(图9-23-4)。这种体外施加预应力的加固方法要求锚固节点必须安全可靠。为此选用经过许多重点工程考验的B&S系列错具中的Z15一7。

承压板为组合工字型截面的钢梁。通过抗弯、抗剪和局部承压验算后的截面尺寸见图9-23-5。


1.3、钢绞线的防蚀及保护

加固用的钢绞线分4束,每束7根,分别置于山墙柱两侧,纵向穿贮仓而过。为保护钢绞线免遭煤粉的冲刷,采用外包塑料皮的无粘结钢绞线7根,钢绞线外套¢83mm镀钵钢管,张拉后钢管内灌注水泥浆。塑料外套、硬化水泥浆和钢管构成3道防护,阻止煤粉中微酸介质(水分、硫及二氧化碳)的侵蚀。


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预应力施工

2.1、承压板和钢管安装

组合型钢承压板采用分区对称焊接,以减少温度应力变形,并用夹板方式固定在柱外侧。

φ83mm的镀钵钢管每根长6m,预先焊上法兰盘,然后在仓内逐根安装。仓内接管非常危险,又不能影响生产,故难度较大。

施工单位与洗煤厂积极配合,在煤堆到钢管标高附近时,立即集中人力摊平煤堆。派人下仓在煤堆上施工,抓紧夜班不卸煤的时间接管和安装吊杆。

安装后的钢管总长98m,共4道。每隔6m左右用花篮螺栓固定在仓顶上,减少钢管下挠。接管的顺序由仓一端伸向另一端,同时在管内穿过1根通长8号铅丝,以备穿束用。


2.2、预应力筋穿束及锚固

无粘结钢绞线下料长度为100m,每7根一把形成集团束,拖运到仓顶平台上进行穿束。穿束动力由1.5t卷扬机牵引为主,人工推送为辅。穿束用的钢丝绳由钢管孔洞内的8号铅丝带过,并由专用网套与钢绞线束连接。穿束过程宜慢宜稳,人机协调同步。如果穿束钢丝绳与钢绞线脱开就会前功尽弃。

穿束后,应立即将锚具套在外伸的钢绞线上并填入夹片进行预紧。此时预应力钢筋已经受力,整根钢管不会因输煤冲砸而发生折断。


2.3、张拉顺序及效果

该工程预应力张拉采用对称分级循环张拉方式。张拉时用2台YCN-18型千斤顶分别在B、C轴上对称的柱边位置张拉。每束7根钢绞线端部由Z15-7型锚具固定,然后用群锚单根张拉法分四l6级逐根达到设计张拉力。

张拉控制应力为σcon=735MPa,每根钢绞线最大张拉力103kN,每根柱子设计水平拉力为1440kN,钢筋的理论计算伸长值为377mm。在张拉过程中,以油压表控制拉力,并量测实际伸长值。同时在贮仓远处用经纬仪观测柱子的复位情况,随时通报张拉人员,并作记录。

从实际张拉效果看,当拉到第二轮即7、8顺序时,柱顶与梁间缝隙开始慢慢闭合。此时,油压表显示15MPa,每柱受拉力约560kN。这时进行观测,虽然柱顶未完全复位,但被拉开的缝隙基本闭合。为承受贮煤时的侧压力,继续进行第三、四轮张拉,最后每根柱的总拉力约980kN,比理论计算拉力1060kN低8%。因为实际复位效果比预想理想,故未继续张拉到设计值1440kN。此时钢绞线的实际应力约500MPa,对于钢绞线最大控制应力1030MPa有较大富余,故张拉停止。


2.4、灌浆及锚具封堵

在安装镀钵钢管时,每根管共留出4个灌浆排气孔,间距20m左右。灌浆的配比为水:

水泥:细砂=1:2:1。压力灌浆从一端开始,逐段压浆待排气管出浆后,移到下一个注浆口灌浆,依次移过去,最后在贮仓的另一端结束。

为防止贮仓外面的锚具和承压锚板长期在露天环境下锈蚀,张拉完毕后观察7d未发现锚具滑移、承压板变形等问题,于是支模后用不低于C20的细石混凝土将锚具锚板封堵。其保护层厚度不小于50mm。最后拆除钢斜撑,修复输煤廊。

该工程采用体外预应力进行加固并使柱子复位。在超过100m长的结构中应用无粘结筋作为张力元,这种方法理论清晰,计算简单,施工方便(有效工期仅20d),节省费用(钢绞线4t、锚板及吊杆2.5t、钢管4.5t,全部用钢量约11t,比仓内钢梁拉结或仓外钢斜撑加固方法节约钢材几十吨),加固复位效果明显。