吳曉龍, 張 淵, 王玲玲（.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司， 北京 00043；.北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司工程總承包二部， 北京 004）

現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)，不再僅以工業(yè)廠房、機械設(shè)備、噪聲粉塵等元素著稱，而是增加了宿舍、食堂、綠化等更多的人文元素。在園區(qū)內(nèi)工作的人們，同樣可以在其中獲得一定的生活體驗[1-2]。對于傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)的改造，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級、綠色發(fā)展的需要，同時也是改善大氣環(huán)境質(zhì)量、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的要求[3]。因此，對傳統(tǒng)工業(yè)構(gòu)筑物的封閉改造成為當(dāng)下迫在眉睫的要求。隨著國內(nèi)各大露天料場的封閉[4]，對用于傳輸物料的皮帶運輸機也隨之進(jìn)行相應(yīng)的封閉改造。

皮帶運輸機（后文簡稱“皮帶機”）一般根據(jù)物料的去向進(jìn)行布置，可位于地面以下、地面以上以及空中。位于地面以下的皮帶機一般設(shè)置于混凝土管廊的內(nèi)部，位于地面上的皮帶機則通過設(shè)置基礎(chǔ)直接支承,而位于空中的皮帶機則需要根據(jù)其跨越的距離支承于鋼梁或者鋼桁架上[5]。露天的皮帶機會導(dǎo)致煤粉、礦粉、焦炭等物料在皮帶運輸?shù)倪^程中產(chǎn)生粉塵，對環(huán)境造成污染，已經(jīng)無法滿足《關(guān)于推進(jìn)實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》（環(huán)大氣〔2019〕35 號）中關(guān)于“物料輸送要采用封閉輸送形式”的要求，久而久之也會導(dǎo)致大量物料的流失。因此，對露天皮帶機的封閉改造刻不容緩。目前國內(nèi)外對傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)內(nèi)皮帶機封閉改造方案的研究相對較少。

基于以上背景，助力唐山某公司創(chuàng)建“環(huán)境績效評價 A 類企業(yè)”，結(jié)合實際工程項目—首鋼某公司供料作業(yè)部水運皮帶系統(tǒng)封閉改造項目，針對不同形式的露天皮帶機支承體系，提出了 4 種封閉改造方案。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點采用不同的加固方法，并對復(fù)雜結(jié)構(gòu)及節(jié)點進(jìn)行有限元分析，使得封閉改造后的結(jié)構(gòu)既能滿足受力要求，也能滿足正常使用及外觀上的需求。

1 露天皮帶機封閉改造方案簡介

露天皮帶封閉改造需要對皮帶機進(jìn)行全封閉，主結(jié)構(gòu)一般采用門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)，維護(hù)結(jié)構(gòu)采用壓型鋼板輕鋼維護(hù)結(jié)構(gòu)，確保封閉后結(jié)構(gòu)附加重量較小，因此不會對原有結(jié)構(gòu)造成較大的影響。為保證封閉后結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行正常的安裝及檢修工作，皮帶機兩側(cè)應(yīng)預(yù)留出檢修通道。檢修通道寬度一般為 1 m，門式剛架跨度為皮帶機寬度加上 2 倍檢修通道寬度，檢修通道處凈高度應(yīng) ＞ 2.2 m，保證人員正常通行。另外，為確保門式剛架平面外的穩(wěn)定，沿皮帶機縱向，門式剛架之間應(yīng)該設(shè)置系桿、縱向支撐、水平支撐等支撐系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù) GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》、GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[6]等設(shè)計。之后根據(jù)業(yè)主及工藝專業(yè)的要求安裝屋面檁條、墻面檁條、彩鋼板、陽光板、通風(fēng)帽、窗戶等附屬結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)皮帶機的全封閉，滿足正常使用的要求。

2 落地式皮帶機封閉改造方案

落地式露天皮帶機封閉改造方案參考普通鋼結(jié)構(gòu)通廊，皮帶機支架基礎(chǔ)位于地面，封閉方案相對容易，即在皮帶機兩側(cè)新建基礎(chǔ)。新建門式剛架直接坐于基礎(chǔ)上，之后安裝檁條、彩板等完成皮帶機通廊封閉。需要注意的是，新建基礎(chǔ)要避免與皮帶機基礎(chǔ)、既有管線相碰，新建門式剛架應(yīng)避開工藝設(shè)備（斗輪機外伸臂）的作業(yè)面。另外，當(dāng)皮帶機較長時，基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)應(yīng)沿縱向設(shè)置伸縮縫。

3 下承式鋼桁架皮帶機封閉方案

3.1 封閉方案簡介

下承式鋼桁架皮帶機平臺上的荷載通過支承于桁架上弦桿上的橫梁將荷載傳至鋼桁架，再通過鋼桁架將荷載傳至兩端的支架或者轉(zhuǎn)運站，最后傳至地面基礎(chǔ)。選取項目中代表性的一跨作為研究對象，皮帶機封閉方案立面如圖 1 所示。在舊有桁架上部新增門式剛架 GJ-1、GJ-2 以及縱向支撐系統(tǒng)。

圖 1 皮帶機封閉方案立面圖

GJ-1 立面如圖 2 所示。由于既有欄桿與電纜橋架的影響，同時為保證檢修通道的寬度，GJ-1 的立柱沒有落腳點。因此，在既有橫梁兩端拼接加固梁(JGL)。其型號與既有橫梁相同，上下翼緣的連接采用等強度單邊剖口焊縫，腹板采用對接焊縫，兩側(cè)設(shè)置拼接板。由于 JGL 端部懸挑長度較大，無法滿足受力及撓度的要求，因此在既有桁架下弦桿與 JGL 之間布置斜撐（XC）形成傳力相對明確的結(jié)構(gòu)形式。

圖 2 GJ-1 立面圖

GJ-2 加固方法類似于 GJ-1，但由于 JGL 下方?jīng)]有與之對應(yīng)的桁架，舊有固定支架立柱與 GJ-2 也不在一個平面內(nèi)，為了不讓舊有固定支架立柱（弱軸）受到橫向集中力的影響，無法像 GJ-1 一樣增設(shè)斜撐（XC），因此在 JGL 下端倒貼 T 型鋼，并將 T 型鋼端部與桁架上弦桿的進(jìn)行焊接，共同抵御 GJ-2 上部新增立柱所傳來的集中力。

由于 JGL 在平面外為懸挑構(gòu)件，因此在每榀門式剛架柱腳間增加縱向系桿 XG-2（雙槽鋼 12.6）。該做法能保證 JGL 在平面外的穩(wěn)定。另外，XG-2 可作為新增蓋板一側(cè)的支點，新增蓋板另一側(cè)則搭接于舊有鋼板之上，并采用焊接連接。這樣新增鋼蓋板也可作為 JGL 在平面外的一個補強構(gòu)造措施，同時也滿足了平臺底部封閉的要求。

3.2 結(jié)構(gòu)有限元建模分析

露天皮帶機封閉改造前，荷載主要包括皮帶機支架荷載、皮帶機平臺的恒荷載、活荷載以及結(jié)構(gòu)重力。既有支架與鋼桁架為鏤空的結(jié)構(gòu)體系，一般不考慮風(fēng)荷載。采用門式剛架封閉后，需要額外考慮以下荷載。

（1）屋面/墻面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.20 kN/m2。

（2）屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.50 kN/m2。

（3）風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.40 kN/m2。

（4）雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.40 kN/m2。

建模時選取代表性的一段作為結(jié)構(gòu)分析單元。根據(jù)原有結(jié)構(gòu)圖紙的結(jié)構(gòu)尺寸、桿件型號，采用 MIDAS 軟件建立有限元模型，再根據(jù)桿件實際的連接狀態(tài)，定義桿件的節(jié)點連接（剛接/鉸接/彈性連接），最后輸入荷載并進(jìn)行計算。皮帶機封閉改造前后主要構(gòu)件應(yīng)力比變化如表1 所示。由表1 可知，桁架及支架等桿件應(yīng)力比增幅均在 0.2 以內(nèi)，且未超過 1.0。

表1 構(gòu)件應(yīng)力比對比

荷載作用下，封閉改造前后舊有橫梁彎矩發(fā)生變化。GJ-1 中，因 XC 的支撐作用，橫梁由原來的彎剪構(gòu)件轉(zhuǎn)化為拉彎剪構(gòu)件，因此橫梁在桁架上弦桿支承點處彎矩減小。GJ-2 中，由于 JGL 端部新增門式剛架，產(chǎn)生附加集中力，造成橫梁在桁架上弦桿支承點處彎矩增加，舊有橫梁跨中產(chǎn)生負(fù)彎矩。由此可見，不同加固方式，使舊有橫梁的受力狀態(tài)發(fā)生了不同的改變。

GJ-2 中橫梁（HN 350 mm×175 mm ×7 mm×11 mm）在桁架上弦桿支承處彎矩較大，加固后橫梁左右截面彎矩發(fā)生突變，節(jié)點受力狀態(tài)較為復(fù)雜。為研究該節(jié)點受力狀態(tài)，采用 MIDAS（邁達(dá)斯）軟件建立模型，運用多尺度有限元分析法，根據(jù)實際支承情況，建立節(jié)點的精細(xì)化實體單元模型，導(dǎo)入到整體模型當(dāng)中，并采用節(jié)點耦合與整體模型中的桿件進(jìn)行連接?？紤]所有工況，計算出該節(jié)點復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。算得節(jié)點最大應(yīng)力為 214.6 MPa，位于支座加勁肋（18 mm 厚）底部，略超過 Q235B 鋼材的屈服強度 205 MPa。因此，在底部加勁肋兩側(cè)貼焊接 8 mm 厚鋼板進(jìn)行加固，其余構(gòu)件最大應(yīng)力均在 160.0 MPa 以內(nèi)，受力滿足要求。

根據(jù)計算，封閉后舊有支架構(gòu)件應(yīng)力比均＜1.0，滿足要求。支架柱腳原來采用 4 M 36 螺栓，封閉后的皮帶機通廊自重較大，在最不利風(fēng)荷載組合作用下，支架柱腳未出現(xiàn)拉力，柱腳螺栓無須進(jìn)行抗拔驗算。另外，原有柱腳設(shè)置了抗剪鍵，也滿足抗剪要求。封閉前，算得桁架下弦桿撓度為 56 mm；封閉后，算得桁架下弦桿撓度為 71 mm，仍滿足規(guī)范要求。根據(jù)現(xiàn)場實測，撓度最大為 63 mm，滿足剛度要求。

4 下承式鋼梁皮帶機封閉方案

4.1 封閉方案簡介

當(dāng)皮帶機跨度（9 m）較小時，采用鋼梁即可滿足受力要求，其封閉改造方案類似于下承式鋼桁架皮帶機中的 GJ-2。在 JGL 下方倒貼 T 型鋼，上部新增門式剛架的做法同 CJ-1。

4.2 結(jié)構(gòu)有限元建模分析

類似于下承式鋼桁架封閉方案，建立下承式鋼梁封閉方案有限元模型并進(jìn)行分析，鋼梁應(yīng)力比計算結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，鋼梁應(yīng)力均在 1.0 以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

表2 構(gòu)件應(yīng)力比對比

封閉后，算得既有縱梁（跨度 9 m）最大撓度由 13 mm 增加至 20 mm，剛度滿足規(guī)范要求。此外，新增橫梁可作為既有橫梁的側(cè)向支撐，橫向風(fēng)荷載對既有縱梁弱軸方向的位移影響較小，因此既有縱梁之間無須加設(shè)水平交叉撐。

5 中承式鋼桁架皮帶機封閉方案

5.1 封閉方案簡介

中承式鋼桁架皮帶機，設(shè)置于桁架中部，皮帶機平臺位于由桁架下弦桿支承的橫梁上，類似于未封閉的鋼桁架通廊。因此，在舊有鋼桁架頂面和側(cè)面增設(shè)檁條和彩板等圍護(hù)構(gòu)件，即可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)封閉。文中選取項目中最大跨度（44.8 m）鋼桁架進(jìn)行分析。

中承式鋼桁架封閉改造方案中 GJ-3 如圖 3 所示，封閉后橫向風(fēng)荷載會使剛架產(chǎn)生側(cè)移。對于端部剛架，原結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點剛接且截面較大，可以抵抗側(cè)移的影響，經(jīng)核算無須進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。GJ-3 舊有橫梁與桁架豎桿連接較弱且截面較小，無法形成剛架，不能承受橫向風(fēng)荷載，因此在梁柱節(jié)點處增設(shè)構(gòu)造斜撐（角鋼 63 mm×6 mm）；此外，舊有橫梁截面（HM 194 mm×150 mm×6 mm×9 mm）小，跨度大，經(jīng)核算，封閉后的舊有橫梁無法承受屋面荷載，因此將 T 型鋼（TN 200 mm×200 mm×8 mm×13 mm）焊接于舊有橫梁上翼緣處，增加截面抵抗矩，使得結(jié)構(gòu)的強度和剛度均能滿足規(guī)范要求。

圖 3 GJ-3 立面圖

5.2 結(jié)構(gòu)有限元建模分析

經(jīng)有限元建模計算，皮帶機封閉前后結(jié)構(gòu)應(yīng)力比增幅均在 0.2 以內(nèi)，且未超過 1.0。此外，算得桁架最大撓度由 61 mm 增加到 75 mm，撓度（75 mm）與跨度（44 800 mm）之比為 1/557 ＜ 規(guī)范要求的 1/400，剛度滿足規(guī)范要求。舊有橫梁經(jīng)加固后，強度和剛度均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié) 語

（1） 針對不同形式的皮帶機支承體系，選用合理的封閉改造方案。因地制宜，根據(jù)舊有結(jié)構(gòu)的特點，確保新舊結(jié)構(gòu)整體能夠形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。

（2）露天皮帶機封閉盡可能采用輕型屋面，封閉改造后舊有結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加較小，但是仍需核算附加荷載對桁架、梁、支架、牛腿、支座、基礎(chǔ)等舊有結(jié)構(gòu)的影響。

（3）確定皮帶機封閉改造方案后，若舊有結(jié)構(gòu)不滿足強度或者剛度要求，應(yīng)對不滿足規(guī)范的構(gòu)件制定相應(yīng)的加固措施（包括焊縫長度），并重新計算，確保結(jié)構(gòu)的安全。

（4）對于復(fù)雜的改造加固節(jié)點，應(yīng)進(jìn)行節(jié)點驗算，必要時采用試驗方法予以保障。