选煤是减少大气污染、降低固废、节约资源的重要手段，对煤炭清洁高效利用和资源配置优化具有关键作用。但选煤厂设备种类多、数量大、布置集中，转载运输和筛分等选煤过程中存在振动问题。此类振动不仅影响生产效率、损害劳动者健康，甚至会危及结构安全。
选煤厂工业厂房在相关设备激励下，混凝土楼面出现竖向振动，并引起底部横向及纵向承重结构振动（图2），在跨度较大位置出现共振放大，振动沿竖向钢结构传递至下层，结构振动响应过大，会对操作人员健康与舒适性、设备稳定运行及维护成本造成不利影响，亟需对工业厂房进行振动控制加固。在解决选煤设备导致的结构振动问题中，核心策略在于提高结构整体刚度，改变结构固有频率，使其有效避开设备的激励频率范围。传统加固方法主要包括增设钢支撑、构件截面扩大以及浇筑增厚混凝土楼板等。然而，本项目受施工条件及未来适配需求的制约：
❶设备不可移动且生产不能中断，不能在楼板面层采用湿作业浇筑工艺
❷需在不停产前提下大幅压缩工期，实现快速加固
❸加固体系需具备调节能力，以覆盖潜在频率变动区间
图2 设备振动引起连接楼板振动
某选煤厂主体结构为钢框架结构及门式钢架结构。钢框架结构共设5层，包括4层现浇组合混凝土板（自上而下标高分别为35.38m、29.38m、21.68m和16.68m）及1层钢格板层（标高38.23m）；门式钢架结构主要设3层现浇组合混凝土板（自上而下标高为26.18m、21.68m和16.68m）。
厂房内位于35.38m楼面共有原煤分级筛4台、位于29.38m楼面共有块煤脱泥筛4台，以及位于21.68m楼面有矸石脱介筛、精煤脱介筛和高频筛各2台。通过分别在不同楼层的楼板布置速度传感器对其振动进行测试，结果表明，部分测点速度值高出《机器动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规范（YSJ009-1990）限值（3.2mm/s）3倍以上，需尽快治理。
胡黎俐副教授前期提出了预应力纤维增强复合材料（FRP）顶撑加固技术[1-5]（示意图见图3），该技术能够有效突破施工条件与动态适配的双重制约。在本项目中，课题组进一步深化了该技术的施工工艺与设计方法，并采用高性能FRP材料及配套锚具，为钢结构振动控制提供了新的技术路径。该技术利用FRP材料线弹性大应变的特点，有效提升钢构件刚度。其综合优势主要体现在以下层面：
▎施工与运维层面
构件轻质高强，运输安装便捷；现场无需湿作业，可在不停产条件下快速完成加固，大幅缩短工期；加固材料耐腐蚀性强，服役寿命长，后期维护成本低。
▎性能与适应层面
预应力体系可主动调控钢构件刚度，有效改变钢结构固有频率以避开设备激励频段；不额外占用钢结构空间，且加固过程对原结构基本无损伤，保障既有结构完整性。此外，可通过更换FRP材料规格或调整预应力大小，适配未来设备更新或转速变化引起的激振频率变化，满足长期动态服役需求。
图3 预应力FRP顶撑加固技术
对于钢梁，加固构造为：将碳纤维增强复合材料（CFRP）板通过锚具及螺栓固定于钢梁翼缘下端，同时在下翼缘跨中中部焊接顶撑，最后通过同时同向旋转螺杆使移动钢板远离固定钢板对CFRP板施加预应力，完成对钢梁的加固（施工图见图4）。预应力CFRP板顶撑加固改善楼板振动的工作原理如下：通过对CFRP板施加预应力，使其对钢梁产生反拱效应，从而在楼面承受振动荷载时，使混凝土楼板与钢梁更有效地协同受力，提升结构整体的抗弯刚度和承载能力。对于预应力CFRP板加固钢梁构件，经过有限元计算其加固效果可较纯钢梁刚度提升约10%–20%，抗弯承载力提升约30%–50%。
图4 预应力CFRP板顶撑加固钢梁施工图
对于钢柱，加固构造为：将CFRP板通过锚具及螺栓固定于钢柱腹板两侧，同时在腹板中部两侧焊接顶撑，最后通过移动钢板远离固定钢板同时对两侧CFRP板施加预应力，完成对钢柱的加固（施工图见图5）。通过预应力CFRP板顶撑加固，可整体提升钢柱的刚度，从而减弱由上层楼板向下传递的振动。对于预应力CFRP板顶撑加固钢柱，经过有限元计算其刚度和承载能力可较纯钢柱提升2倍以上。
图5 预应力CFRP板顶撑加固钢柱施工图
预应力CFRP板加固方案重点在35.38m、29.38m、26.9m、21.68m楼层下方机器周围和大跨度楼板下方的钢梁和钢柱进行加固，共加固81根钢梁和2根钢柱。预应力CFRP板加固钢柱和钢梁按以下流程化作业顺序施工：放线定位→梁/柱打孔→CFRP板下料→CFRP板与楔块粘贴固化→楔块与锚头固定→CFRP板安装→顶撑推出对CFRP板施加预应力。钢梁和钢柱加固现场施工过程分别见图6和图7。单根构件（除去打孔）加固约30分钟。预应力FRP顶撑加固钢构件的现场照片见图8。
图6 预应力CFRP板顶撑加固钢梁过程
图7 预应力CFRP板顶撑加固钢柱过程
（a）预应力CFRP板顶撑加固钢柱1
（b）预应力CFRP板顶撑加固钢柱2
(c) 预应力CFRP板顶撑加固钢梁
(d) 锚具端部图
（e）CFRP板
在加固效果方面，预应力CFRP板顶撑加固技术能有效降低机器周围洞口附近及薄弱楼板的振动速率，所有测点振动值均已控制在YSJ009-1990规范规定的限值以内，其中部分测点的速率降幅超过67%，楼板振动改善效果明显，顺利通过选煤厂业主验收。
在施工效率方面，由于加固相关产品预制，现场进行拼装，在不停产、不停工的前提下，20天内完成81根钢梁和2根钢柱的加固施工，迅速解决了因设备振动引起的速度超限问题，充分体现了该技术的高效性与实用性。
在经济效益方面，该加固方法相较传统技术可节约成本50%以上，具备突出的经济优势。
预应力FRP顶撑加固实现了在全球范围内工业厂房振动加固领域的首次应用，具有显著的环保效益与社会价值，为工业厂房振动治理提供了可推广的技术参考
[1] Hu LL, Feng P. Prestressed CFRP-reinforced steel columns under axial and eccentric compression. Composite Structures, 2021, 268: 113940.
[2] Feng P, Hu LL. Steel columns strengthened/reinforced by prestressed CFRP strips: Concepts and behaviors under axial compressive loads[J]. Composite Structures, 2019, 217: 150–164.
[3] Hu LL, Feng P, Gao WY, Wang YH. Flexural behavior of light steel purlins reinforced by prestressed CFRP laminates. Thin-Walled Structures, 2022, 174: 109125.
[4] 冯鹏，胡黎俐.轻钢受弯构件加固组件.ZL 2018 20504621.7.
[5] 冯鹏，胡黎俐.CFRP板多点支撑预应力加固的结构组件. ZL 2017 21709154.3.
来源：北京科技大学 Liii Hu 课题组
