锈蚀损伤钢桁架栈桥安全性评估与分析

锈蚀损伤钢桁架栈桥安全性评估与分析

韦丹1,胡先鹏2

广州华润热电有限公司 广州，511400

摘要：服役期的输煤栈桥安全性历来受到工程师们的高度关注。通过对某火力发电厂运煤钢桁架廊体检测，发现其结构存在明显锈蚀损伤情况，为评估运煤钢桁架廊体健康状况，实地对其开展环境激励的模态实验，测试结构的自振特性，使用实测损伤杆件替换的方法计算有限元模型的结构响应，将现场实测数据与计算结果对比，评估锈蚀损伤对钢桁架廊体的影响。运用建筑结构抗倒塌设计中拆除构件法，对损伤杆件失效情况下钢桁架廊体进行了安全性分析。结果表明锈蚀损伤使得钢桁架廊体刚度存在明显下降，拆除构件法显示需要对目前锈蚀情况加以重视，而且所用方法对钢桁架安全性评估与分析有一定参考意义。

关键词：钢桁架栈桥 模态试验 有限元 安全性评估

Safety Evaluation and Analysis of Corroded Steel Truss Trestle Bridge

作者英文名字

Guangzhou Huarun Thermal Power Co. , Ltd. Guangzhou，511400

Abstract：The safety of coal handling trestle bridge in service has always been highly concerned by engineers. Through the inspection of the coal transportation steel truss corridor of a thermal power plant, it is found that there is obvious corrosion damage in its structure. To evaluate the health status of the coal transportation steel truss corridor, the modal experiment of environmental excitation is carried out on the spot. Moreover, the natural vibration characteristics of the structure are tested, the structural response of the finite element model is calculated by using the measured damage member replacement method, and the field measured data are compared with the calculated results to evaluate the impact of corrosion damage on the steel truss corridor. The safety of steel truss gallery under the failure of damaged members is analyzed by using the member removal method in the anti-collapse design of building structures. The results show that the corrosion damage significantly reduces the stiffness of the steel truss corridor. The member removal method shows that attention needs to be paid to the current corrosion situation, and the method provides certain reference for the safety evaluation and analysis of the steel truss.

Key word: Steel truss trestle bridge; Modal test ; Finite element ;Safety evaluation

1前言

输煤栈桥是火力发电厂建筑群中的重要组成部分，其中钢桁架廊体由于自重相对轻、施工方便、整体性良好等诸多优点被广泛运用于输煤栈桥中。但服役期的输煤栈桥由于运煤作业长期处于动荷载作用状态，且通常廊体内部环境复杂，氯离子及二氧化硫含量大于外部大气环境，种种原因使得大部分发电厂的钢桁架廊体输煤栈桥处于易锈蚀的环境。锈蚀损伤的钢桁架廊体如果长时间不维护检修，会致使其对运煤作业荷载、风荷载等动荷载作用下更敏感，影响结构动力特性，愈发严重的锈蚀损伤将降低结构刚度和安全储备，甚至引发结构倒塌事故。服役期的输煤栈桥在荷载作用下的安全性历来受到工程师们的高度关注。本文以某火力发电厂已损伤的输煤栈桥现状为工程背景，建立结构整体有限元模型，测试结构动力特性，评估锈蚀损伤对钢桁架廊体的影响。

2工程背景

某火力发电厂输煤系统于2009年11月开始投运，现已经服役多年，出现了钢构件锈蚀病害，结构振动较大等情况，需要对其实际工作状态进行安全性评估与分析工作。该输煤栈桥上部为型钢压板包裹钢桁架形成的钢桁架廊体输共分为7个节段，钢桁架廊体输煤角度13.99°，宽度7.2m，总长度126.484m，如图1所示，下部两端由混凝土牛腿支撑，中段由钢结构立柱支撑，钢桁架廊体所有杆件均采用Q235牌号钢材。

图1输煤栈桥立面图

由于本运输栈桥临靠海边，外部属于近海氯盐环境，输煤栈桥钢桁架廊体长期处于输煤作业中，内部易富积酸性介质，外部和内部腐蚀环境中侵蚀性阴离子Cl-和酸性气体SO2共同存在，当内部循环水经常冲洗外露钢构件后，加快了钢结构锈蚀，严重的锈蚀甚至会降低构件的有效承载力，出现了应力集中点和断裂源，出现实际尺寸减小的现象，对构件的安全性能和使用构成潜在威胁。为了评价锈蚀对钢桁架廊体安全性的影响，测试了每跨钢桁廊体自振特性，利用锈蚀杆件实测尺寸进行有限元建模，建模时采用两种方法进行相互校正和对比，其中第一种方法为局部替换法，将杆件梁单元分割成多段，用杆件锈蚀段实测尺寸替换梁单元中间某段锈蚀位置；第二种方法为整体替换法，用锈蚀杆件实测最小尺寸替换整个梁单元杆件，比较分析两种方法对结构分析的影响。

3现场模态激励试验

3.1测点布置及建模

图2 测试几何模型简图

结构在环境激励作用下，可以产生微幅振动。利用环境激励的模态实验方法不需要任何激励设备，特别适用于测量结构整体的自振特性。实验过程通过超低频速度传感器拾取结构各测量部位的环境振动响应，通过多次移动测量传感器位置得到全桥各跨的振动响应。结构每跨跨径为22.6m，每跨左右线各设定5个测点，依此建立结构的几何模型，共设置测点10个，每个截面两个测点，具体模型如图2，测试模型近似设定为平面结构。几何模型的方向设定为：垂直方向为z向，栈桥纵向为x向，栈桥横向为y方向。由于桥梁纵向振动可以忽略，因此每个测试点的测试z和y两个方向。

3.2现场模态激励试验结果

经过数据处理与分析，得到各跨的功率谱函数，部分功率谱函数见图3-图4所示，得到固有频率及振型识别结果，见表1。

图3 第一跨参考点功率谱函数

图4第二跨参考点功率谱函数

表1  输煤栈桥各跨固有频率实测结果（单位：Hz）

3.3模态计算分析

在现场模态激励测试中，由于下部钢柱柔性高并且同样受到环境激励作用，有限元计算时应该构建各跨钢桁架廊体整体模型计算频率理论值。后续剔除掉以下部柱振动为主的振型，筛选出以上部钢桁架廊体振动为主的振型。下图5-图6给出部分跨钢桁架廊体模型及振型参考，计算结果如表2所示。

图5第1跨一阶振型       图6 第1跨二阶振型

（侧向漂移）              （一阶弯曲）

表2  输煤栈桥各跨频率比较分析（单位：Hz）

比较局部法和整体法所计算得到频率，两者差异不大，差异较大出现在第二跨的第三阶振型，两种方法结果相差2.2%。综合实测值与理论值来看，使用实测杆件尺寸替换中间某段锈蚀位置的局部法更接近实测值。同时，对比输煤栈桥各跨频率的实测值与理论值（局部法和整体法），实测4阶振型与理论计算的振型一致，钢桁廊体杆件、支座存在明显锈蚀，各跨前三阶模态实测频率均小于理论计算频率，结构实际整体刚度均比预测刚度小。

4损伤输煤钢桁架梁安全性分析

结合外观检测与模态试验结构，掌握锈蚀钢桁架廊体目前情况之后，需要进一步分析锈蚀损伤对钢桁架廊体带来的影响，考虑多年钢桁廊体部分杆件继续腐蚀，模拟杆件失效后连续倒塌，分析其安全性能是否还能满足规范要求。

4.1拆除构件法分析

使用构件拆除法选取运煤钢桁架廊体第一跨进行分析，按照外观检测实测杆件尺寸从小到大依次拆除，每一步计算只拆除一根杆件，直至主要受力杆件应力比超限。

第一步，计算第一跨现阶段应力比情况，如下图7所示。各杆件应力状态良好，均小于1，未超过0.5，安全性良好。

第二步，选取实际所测得有效截面面积最小杆件，作为多年不处置情况下失效杆件，再次计算模型应力比如下图8所示。此状态下，各杆件应力状态良好，均小于1，未超过0.5，安全性良好。

第三步，选取实际所测得有效截面面积第二小杆件，作为多年不处置情况下失效杆件，再次计算模型应力比如下图9所示。此状态下，下部纵梁应力比超限，主要受力构件失效，结构将发生破坏。

图7应力比云图

图8第二步失效应力比云图

图9第三步失效应力比云图（应力比1.199）

在外部及内部环境联合作用下，锈蚀损伤将持续发展，多年后将影响钢桁廊体的安全性。通过拆除构件方法进行各跨损伤杆件对钢桁廊体影响模拟分析，表明输煤栈桥钢桁架廊体如果不进行有效维修，常年运营后存在一定安全隐患。

5结论

通过现场检测评估，该发电厂输煤栈桥钢桁架廊体外部环境高盐高湿，酸性气体富集并且因循环水冲洗钢构件，加快了钢桁架各杆件锈蚀进展，钢桁架杆件锈蚀明显。通过对锈蚀钢桁架廊体进行模态试验，并结合有限元分析结果，得出如下结论：

1）实测前3阶振型频率实测值均小于理论计算值，运煤钢桁廊体构件产生的结构锈蚀损伤已导致结构整体刚度下降。对比锈蚀杆件实测尺寸建模采用的两种方法，发现局部法与整体法所计算的频率结果相差较小，不过局部法更加贴近模态试验实测值。

2）针对构件锈蚀，考虑损伤杆件失效情况下，按照建筑结构抗倒塌设计中拆除构件法进一步对钢桁架安全性进行分析，部分严重锈蚀杆件可能因锈蚀发展失效退出工作，将增大运煤钢桁廊体结构整体安全风险。

3）使用现场模态试验与锈蚀杆件替换法进行锈蚀损伤钢桁架廊体安全性评价，和考虑损伤杆件失效下的拆除构件法进行锈蚀损伤钢桁架廊体安全性分析，能够有效了解锈蚀损伤钢桁架目前状态和锈蚀损伤所带来的的影响，对钢桁架整体评价具有重要意义。

参考文献

[1] 孙世民,李延山. 输煤传送带钢桁架腐蚀检测与加固研究[J]. 中州煤炭,2011(7):25-27,56.

[2] 尚鹏. 某大型火电厂输煤栈桥结构的检测鉴定与加固分析[D]. 陕西:西安建筑科技大学,2013.

[3] 崔娟玲,郭昭胜. 输煤通廊焊接球节点空间钢管桁架的锈蚀检测及加固修复[J]. 煤炭工程,2015,47(11):83-86.

[4] 王五平,蒋乔进,宋人心,等. 输煤栈桥钢筋混凝土构件耐久性检测及剩余寿命预测[J]. 建筑技术,2011,42(4):316-318.

[5] 田迎斌. 某矿落煤栈桥受采动影响分析与加固设计方案[J]. 矿山测量,2020,48(4):1-6,14.

[6] 赵忠义. 栈桥钢桁架设计、施工及维护问题探讨[J]. 煤炭工程,2015,47(2):28-30,33.

[7] 林仲瑀. 大跨钢结构运煤走廊腐蚀加固方法研究[D]. 山东:山东科技大学,2020.

[8] 杨珏,郑七振,韩明飞. 某皮带运输通廊钢桁架结构检测和加固处理[J]. 工业建筑,2013,43(3):138-141,124.

[9] 王煜成,张逢伯,许清风. 锈蚀对既有钢结构性能影响研究进展[J]. 施工技术,2020,49(9):34-40.

[10] 李安邦,徐善华. 中性盐雾加速腐蚀钢结构表面形貌分形维数表征[J]. 材料导报,2019,33(20):3502-3507.

[11] 张霰,柳超,刘小清,等. 钢结构耐久性研究现状[J]. 钢结构,2011(11):72-74.

[12]程东辉,杨燕红. 基于拆除构件法的建筑结构抗连续倒塌研究进展[J]. 四川建筑科学研究,2017,43(6):13-18.

[13]周健,崔家春. 结构抗连续倒塌设计规范和方法比较[J]. 建筑结构,2015,45(23):98-105.

[14]卢宇洁. 中车科技文化展示中心连续倒塌分析[D]. 湖南:湖南大学,2017.

[15]姜健,李国强. 建筑钢结构抗连续性倒塌各国规范设计及分析[J]. 解放军理工大学学报（自然科学版）,2014(6):540-551.

[16]江晓峰,陈以一. 建筑结构连续性倒塌及其控制设计的研究现状[J]. 土木工程学报,2008,41(6):1-8.