粉煤灰环境下某皮带通廊结构安全性调查研究★

王 瑞

(甘肃省建材科研设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730020)

1 概述

中华人民共和国建国以来，随着国家四个现代化建设目标的实现，我国国民经济取得了快速发展，工业在GDP中占的比重越来越大，胶带机通廊是矿山、煤炭、焦化等企业中常用的一种特种构筑物，其自动化程度越高，冶金、能源、化工等领域内的生产效率越高。我国长沙矿山设计院土建科技术组率先研究了胶带机通廊的钢筋混凝土支架的两种形式[1]，并于1967年开始，先后在国内12个工程设计中进行了实际应用并推广。

山东大学曹玮等通过对结构通廊钢桁架结构的设计研究分析发现对于胶带机支撑结构，采用钢桁架通廊是比较合理的，钢桁架通廊能满足工艺的要求，受力模型也容易建立，绝大多数构件的主要受力特性均为轴向力[2]。归衡石通过考虑由于胶带机运行中提升材料时的运行阻力等造成的纵向拉力和由于地震产生的纵向地震力对胶带机通廊支架的影响进行了研究[3]。牟洪、贾丽伟通过将土建结构作为设备运行基础的传统钢结构通廊设计理念，以司家营胶带运输系统为背景采用复合式钢结构通廊，实现了节约2/3投资的良好效果[4]。李欣、王燕通过唐山某钢铁有限公司120万t钢技改工程高炉项目矿石上料系统中胶带机通廊的结构设计，对钢结构通廊的受力特点及注意事项进行了研究[5]。张锡兵通过对某矿业公司选矿厂磨矿仓皮带通廊胶带机钢桁架进行检测鉴定，找出产生隐患的根源，并根据存在的安全隐患提出了加固处理方案并进行处理[6]。周维娟以某工程设计实例为背景，给出了采用空间整体概念进行地震作用下胶带输送机通廊支架的计算方法[7]。季海峰以山西省原平市某铝厂地下皮带廊为背景，对该皮带廊结构的检测鉴定进行了研究[8]，并根据检测鉴定结果存在的问题提出了相应加固方法。孙健通过将空间管桁架作为架空皮带的承重体系研究发现：受力合理、经济安全，并给出合理优化杆件截面设计建议[9]。汪过兵等以祁连山水泥有限公司长期超高温环境下的某既有超大坡度曹氏胶带机通廊廊身钢桁架结构为背景进行静载试验研究，通过研究发现该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构的挠度最大试验值为3.064 mm，理论最大值为3.362 mm。张家康等通过考虑皮带廊长期处于动力环境下结构持续的疲劳损伤影响，其皮带通廊廊身结构的加固计算应取1.1的动力系数[10]。谢海舰、吕恒林等以1996年设计的徐州某煤矿地生产系统胶带机通廊为背景研究了采用增大截面法和用碳纤维加强材料法对加固混凝土支承框架的受力机理，同时分析了增大截面和用碳纤维加强材料法即采用玻璃纤维加强材料、用碳纤维加强材料及增设钢支撑法对钢筋混凝土支承框架增强作用。

综上所述，目前对于长期粉煤灰环境情况下的胶带机通廊廊身安全性性能的研究目前还尚未见报道，因此本课题组以祁连山水泥有限公司长期粉煤灰环境下某既有跨越铁路的大跨度皮带通廊廊身钢桁架结构为背景进行研究分析，研究成果为既有胶带机通廊廊身结构的检测鉴定加固和设计提供科学依据。

2 工程概况

祁连山水泥有限公司某既有工业胶带机通廊廊身结构为7跨简支结构，全部位于地上，其中1跨、2跨、3跨、4跨为型钢梁结构，5跨、6跨为钢桁架结构，7跨为钢筋混凝土结构，该皮带通廊廊身结构与水平地面夹角为7°13′。2003年建成投入使用，皮带廊长期处于煤粉中，目前正常使用。本文以第5跨铁路大跨度钢桁架结构为背景进行研究，廊身结构由竖直钢桁架(主梁)、横梁、支撑、通道、梁支座、铺板及围护结构组成，皮带廊廊身布置图如图1所示，该皮带通廊廊身横截面为上承式(全封闭)形式，皮带廊胶带机下部设置落料挡板，剖面图如图2所示，皮带廊外观如图3所示，TD75B650×160.7 m皮带输送机如图4所示。

3 历史情况调查研究

该既有工业胶带机通廊廊身结构自2003年建成后投入使用以来，作为矿料输送设备，一直处于煤粉中，目前正常使用；使用期间未改变用途、未做过任何检修和相关试验等。该既有胶带机通廊采用1台TD75B650×160.7 m皮带输送机进行原料输送；现场实地调查发现在廊道口位置为了给皮带上降温，经常喷淋，高温雾化产生的水蒸气在廊道内框架上固化，并对桁架造成腐蚀，目前该胶带机通廊廊身钢桁架结构的原设计图纸已经丢失。

4 廊身结构使用现状现场调查研究

经过前面该既有胶带机通廊廊身结构的历史情况调查研究结果发现该既有胶带机通廊廊身结构的勘察、设计、施工等建设资料已经丢失，为了全面分析该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构的可靠性，针对工作现状对该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构进行全面深入调查研究，即包括既有胶带机通廊廊身结构的竖直钢桁架(主梁)、横梁、支撑、通道、梁支座、铺板、围护结构等结构构件的历史情况、尺寸、锈蚀、强度、连接方式、支座情况、节点现状及维护情况。

4.1 廊身结构构件尺寸现场调查研究

经现场调查，该既有工业胶带机通廊钢桁架廊身主体结构钢桁架主要由等边角钢组成，现场根据既有胶带机通廊廊身钢桁架结构构件的实际组成和布置情况进行全面记录并绘制成结构图，如图5所示；通过现场对该既有胶带机通廊廊身结构构件的组成和布置形式调查统计，发现该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构共由163个构件组成，对其中8个下弦杆件、10个腹杆竖杆、11个上弦杆件构件的尺寸采用千分尺、钢尺进行了详细量测，调查研究结果如图6所示。

4.2 廊身结构构件锈蚀程度现场调查研究

现场检测发现皮带廊廊身结构长期处于焦炭环境中，钢构件全部锈蚀，防锈漆部分脱落，调查研究结果如表1所示，通过研究分析结果发现粉煤灰环境对结构承载力有影响。

表1 钢构件检测统计表

4.3 廊身结构构件强度现场调查研究

该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构构件强度采用里氏硬度计进行表面硬度调查试验。表面硬度法是根据金属材料的极限强度与其硬度存在一定相关性的原理建立起来的一种非破损试验方法。在现场检测中，常用里氏硬度计法，按标准GB/T 17394.1—2014金属材料里氏硬度试验第一部分：试验方法进行。里氏硬度计是一种动态硬度试验法，试验时用一定直径的碳化钨球冲头，在一定试验力作用下冲击试件表面，测量距试件表面1 mm处的冲击速度与回跳速度，利用电磁原理，感应出与速度成正比的电压，然后根据冲击体回跳速度与冲击速度通过公式计算里氏硬度值，再换算成钢材极限抗拉强度。

应用里氏硬度计现场对该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构部分构件强度进行了现场试验，如图7所示，通过对试验数据统计结果计算分析推定出该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构构件强度，如表2所示，根据表2统计结果发现该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构构件的代表值均为Q235B。

表2 皮带廊廊身结构构件强度数据分析结果 MPa

4.4 廊身结构构件涂层厚度现场调查研究

采用涂层厚度仪对部分构件涂层厚度进行试验。首先用标准测试卡对测厚仪进行调零校准；在被测试件表面选定测点的位置，一般钢结构构件在内外表面各均匀选取9个点；用测厚仪探头直接点击各测点读取厚度值并记录。取测试面9个点的平均值作为该油漆漆膜厚度值，现场试验如图8所示，胶带机通廊廊身结构构件涂层厚度分析结果详见表3，根据表3统计结果发现胶带机通廊廊身结构构件涂层厚度不满足规范要求。一般设计要求涂两遍防锈漆、两遍面漆，每一遍油漆的漆膜厚度是25 μm～30 μm，成品漆膜总厚度为100 μm～120 μm。

表3 皮带廊廊身结构构件涂层厚度数据分析结果 μm

5 既有胶带机通廊支座现状调查研究

既有胶带机通廊廊身钢桁架结构(跨铁路)通过支座将荷载传给竖向构件，支座工作状况是否安全对结构的运行安全至关重要。因此对该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构的支座工作状态逐一进行了调查和分析，其结果发现全部支座无防落梁装置，支座对梁没有足够的保护措施，同时由于长期处于粉煤灰中，链接处钢构件防锈漆脱落，链接钢构件出现不同程度的腐蚀，因此在地震作用下，该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构存在变形过大而掉落的安全隐患，实际情况如图9所示。

6 廊身构件连接节点现状调查研究

根据一些工程事故的统计分析发现，因既有胶带机通廊廊身钢桁架结构构件连接节点引发的事故占主要百分比，高达90%以上。根据调查研究结果分析该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构构件节点连接形式是否合理，其结果同时为既有胶带机通廊廊身钢桁架结构的有限模型的建立提供实际资料，该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构节点实际状况如图10所示。同时由于该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构长期处于焦炭环境中，节点链接处钢构件防锈漆脱落，节点链接钢构件腐蚀，因此在地震作用下，该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构节点连接处首先可能由于承载能力不够而屈服、破坏，使结构存在较大安全隐患。

7 结论

本文以祁连山水泥有限公司长期粉煤灰环境下某既有跨越铁路的大跨度皮带通廊廊身钢桁架结构为背景对长期粉煤灰环境下既有胶带机廊身钢桁架结构的安全性进行研究分析，得出以下主要结论：

1)通过针对该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构以及其组成构件的使用现状现场试验调查研究分析发现：粉煤灰环境对该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构构件的损伤和锈蚀情况有一定影响，研究结果发现该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构构件材料屈服强度为235 MPa。

2)粉煤灰环境加速了该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构构件的连接节点防锈漆脱落，使链接钢构件出现不同程度的腐蚀，这是结 构的一大安全隐患。

3)支座廊无防落梁装置，地震时，该既有胶带机通廊廊身钢桁架结构节点连接处首先可能由于承载能力不够而屈服、破坏，使结构存在较大安全隐患。