煤礦工業(yè)建筑中框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

孫 陽(yáng) 潞安化工集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司計(jì)劃科

1 前言

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合必要的抗震計(jì)算分析和構(gòu)造措施，才能使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能和抗震可靠度，確保框架結(jié)構(gòu)的安全，從而滿足煤礦工業(yè)建筑的使用功能。

2 框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是由梁、柱組成并同時(shí)承受豎向和水平荷載的結(jié)構(gòu)體系，適用于體型規(guī)則、剛度均勻的建筑物。該結(jié)構(gòu)空間分隔靈活，可以形成較大的使用空間；整體性好，設(shè)計(jì)合理，具有良好的抗震、抗風(fēng)、抗爆、抗撞擊和抗振動(dòng)能；與鋼結(jié)構(gòu)相比具有較好的耐久性和耐火性；與砌體結(jié)構(gòu)相比自重較輕；且可模性較好，也便于就地取材。因此，在煤礦工業(yè)建筑中應(yīng)用十分廣泛。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足的要求

建筑結(jié)構(gòu)就是房屋建筑的骨架，通過(guò)一定的連接方式構(gòu)成整體，安全可靠地承受并傳遞各種載荷和間接作用。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最基本的目的是確保建筑物的安全使用，即在有限的使用期限內(nèi)最大限度地滿足人們對(duì)建筑物的各種功能需求。通常情況下，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要滿足的要求包括：（1）確保建筑物在施工過(guò)程中以及使用過(guò)程中的整體穩(wěn)定性，即建筑結(jié)構(gòu)要有較高的承載力和安全性。安全性是建筑工程建設(shè)發(fā)展的靈魂，尤其對(duì)于工業(yè)建筑，若存在安全隱患，會(huì)直接影響工業(yè)生產(chǎn)，甚至威脅使用者的人身安全。（2）隨著時(shí)間的推移，建筑可能會(huì)出現(xiàn)一些病害，要確保在正常的維護(hù)條件下能夠保持較長(zhǎng)的使用年限。（3）保證建筑物的質(zhì)量，使建筑物在有限的使用期限內(nèi)正常發(fā)揮各項(xiàng)功能，滿足人們的生產(chǎn)和生活需求。

4 煤礦工業(yè)建筑中框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

4.1 建造場(chǎng)地

場(chǎng)地條件是決定地震作用的重要因素，選擇合適的場(chǎng)地是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中一項(xiàng)十分有效、可靠又經(jīng)濟(jì)的抗震措施。煤礦工業(yè)場(chǎng)地選址及前期的總平面布局及方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)及時(shí)掌握?qǐng)龅氐匦巍⒌刭|(zhì)構(gòu)造、地基土質(zhì)等信息，并與總圖、工藝專業(yè)溝通協(xié)調(diào)，盡量確保甲、乙類和較重要的丙類建筑所處場(chǎng)地為對(duì)抗震有利或一般地段，避開(kāi)不利地段，嚴(yán)禁危險(xiǎn)地段。

4.2 梁與板件的設(shè)計(jì)

為了保證建筑物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，梁、柱結(jié)構(gòu)的橫截面面積都較大，并且配筋率較大。這雖然解決了工業(yè)建筑的承載問(wèn)題，但給實(shí)際施工帶來(lái)了較多的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中，一些設(shè)計(jì)人員將配筋率提高到2.5%，但由于實(shí)際操作的限制，操作人員很難達(dá)到這樣的標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于鋼筋分布過(guò)密，會(huì)使梁柱結(jié)合處混凝土澆筑困難，探桿無(wú)法深入，造成鋼筋嚴(yán)重位移，給工業(yè)建筑后的安全問(wèn)題留下隱患。

4.3 樓梯的設(shè)計(jì)

在工業(yè)建筑中，計(jì)算機(jī)房、宿舍、辦公室等生活區(qū)的樓梯多為板式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有利于施工。在建筑物的樓梯設(shè)計(jì)中，特別是在建筑物的人口密集區(qū)，樓梯的梯段差不應(yīng)大于20cm，以避免工作人員碰撞和絆倒。在施工過(guò)程中，如果樓梯間板結(jié)構(gòu)跨度大于5m，不能滿足相關(guān)施工條件時(shí)，應(yīng)在施工圖中進(jìn)行特殊說(shuō)明。

4.4 設(shè)計(jì)圖的深度

要保證施工的順利進(jìn)行，必須有科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙。詳細(xì)的建筑圖應(yīng)體現(xiàn)建筑的所有結(jié)構(gòu)并進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

4.5 柱的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)柱網(wǎng)時(shí)，要明確結(jié)構(gòu)傳力體系，滿足結(jié)構(gòu)受力要求，保證間距規(guī)則、適中、整齊；要避免柱網(wǎng)影響煤礦工業(yè)建筑的使用功能，同時(shí)應(yīng)綜合考慮施工的便利性和構(gòu)件尺寸的模數(shù)化與標(biāo)準(zhǔn)化，盡量做到模型簡(jiǎn)單化。同一樓層框架柱的截面尺寸不宜相差過(guò)大，宜具有相同的承載力、剛度和延性，以保證能夠共同受力，避免在地震中因受力懸殊而被各個(gè)擊破，一般可沿豎向分段改變框架柱的截面尺寸與材料強(qiáng)度，尺寸減小與強(qiáng)度降低宜錯(cuò)開(kāi)樓層，避免同層同時(shí)改變。短柱宜發(fā)生脆破壞，應(yīng)盡量避免，當(dāng)因工藝布置需要使結(jié)構(gòu)錯(cuò)層或因布置樓梯形成短柱時(shí)，箍筋應(yīng)全高加密，且應(yīng)控制縱筋不宜過(guò)大。

4.6 可行性

4.6.1 上部承重結(jié)構(gòu)檢查

（1）結(jié)構(gòu)整體性檢查。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土單跨雙向框架結(jié)構(gòu)體系，框架梁縱橫向拉通、對(duì)直，框架柱縱橫向基本對(duì)齊，結(jié)構(gòu)平、立面布置較規(guī)則，梁、柱節(jié)點(diǎn)連接方式正確，形成完整系統(tǒng)，傳力路線明確。（2）鋼筋混凝土構(gòu)件檢查。鋼筋混凝土柱、梁及板構(gòu)件外觀基本完好，無(wú)明顯蜂窩、麻面等外觀缺陷，鋼筋混凝土柱、梁及板工作狀態(tài)正常，未發(fā)現(xiàn)明顯變形，現(xiàn)場(chǎng)敲開(kāi)個(gè)別柱梁節(jié)點(diǎn)粉刷層，未見(jiàn)裂縫。

4.6.2 上部承重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

（1）安全性等級(jí)。結(jié)構(gòu)整體性等級(jí)評(píng)定為B 級(jí)。框架柱、梁及板構(gòu)件承載能力均滿足規(guī)范要求，構(gòu)件截面尺寸、縱向鋼筋配置、箍筋配置、柱軸壓比均符合規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)承載功能等級(jí)評(píng)定為B級(jí)。綜合考慮結(jié)構(gòu)整體性等級(jí)及承載功能等級(jí)的評(píng)定結(jié)果，上部承重結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)評(píng)定為B級(jí)。（2）使用性等級(jí)。框架柱、梁及板構(gòu)件混凝土外觀基本完好，未發(fā)現(xiàn)明顯蜂窩、麻面等外觀缺陷，框架柱、梁及板工作狀態(tài)正常，未發(fā)現(xiàn)明顯變形，現(xiàn)場(chǎng)敲開(kāi)個(gè)別柱梁節(jié)點(diǎn)粉刷層，未見(jiàn)裂縫。按荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合并考慮荷載長(zhǎng)期作用的影響梁撓度可滿足規(guī)范要求。鋼筋混凝土柱、梁及板使用狀況等級(jí)均評(píng)定為B級(jí)。實(shí)測(cè)12個(gè)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的側(cè)向位移中，最大傾斜值為H/31，所測(cè)多數(shù)測(cè)點(diǎn)超過(guò)GB 50144—2019 規(guī)定的混凝土有吊車廠房柱頂點(diǎn)位移的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(Hc/1100)。但觀察吊車運(yùn)行狀況，暫未見(jiàn)異常。綜上，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移等級(jí)評(píng)定為B級(jí)。綜合考慮上部承重結(jié)構(gòu)使用狀況等級(jí)及結(jié)構(gòu)水平位移等級(jí)的評(píng)定結(jié)果，上部承重結(jié)構(gòu)的使用性等級(jí)評(píng)定為B級(jí)。（3）可靠性等級(jí)評(píng)定。根據(jù)上部承重結(jié)構(gòu)的安全性等級(jí)及使用性等級(jí)的評(píng)定結(jié)果，上部承重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性等級(jí)評(píng)定為B級(jí)。

4.7 智慧煤礦工業(yè)建筑建設(shè)框架——工業(yè)控制層

在智慧煤礦工業(yè)建筑中，需要對(duì)整個(gè)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)工業(yè)控制層的建設(shè)能夠使整個(gè)生產(chǎn)控制通過(guò)通信軟件以及PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和生產(chǎn)設(shè)備的控制，最終達(dá)到智能化生產(chǎn)的目的，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和遠(yuǎn)程控制。其中，在工業(yè)控制層在建設(shè)中，應(yīng)做好控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證工業(yè)控制層能夠發(fā)揮管理和控制功能，降低控制難度，使整個(gè)工業(yè)控制層成為智慧煤礦工業(yè)建筑遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)設(shè)備的重要系統(tǒng)。在系統(tǒng)的控制過(guò)程中，需要根據(jù)控制要求和系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)硬件設(shè)施和軟件系統(tǒng)進(jìn)行匹配，保證二者在功能方面滿足控制要求。

4.8 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)工業(yè)企業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求不同，在設(shè)計(jì)輕型鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，需要使用到的結(jié)構(gòu)類型也有很大差異。現(xiàn)階段較為常見(jiàn)的有門式鋼架、箱體式鋼架以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等。以門式鋼架工業(yè)建筑為例，將大量不同尺寸的輕型鋼，按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行拼裝、固定，形成建筑骨架。后期建筑拆除后，這些輕型鋼材料約有80%～90%可以重新回收使用。從結(jié)構(gòu)的細(xì)部組成上來(lái)看，主要有連續(xù)梁框架、邊柱、角柱等組成，連接部位通常采用焊接的方式進(jìn)行固定，也有的使用螺絲固定。門式鋼架結(jié)構(gòu)通常適用于中小型工業(yè)建筑，在大型工業(yè)建筑中，也可以將若干個(gè)門式鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行并聯(lián)，但是需要在連接部位做好定。

4.9 隔熱設(shè)計(jì)

工業(yè)建筑因?yàn)樽鳂I(yè)環(huán)境的特殊性，對(duì)溫度有一定的要求，通常要求恒定在某一個(gè)溫度值。因此在輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮隔熱設(shè)計(jì)。重點(diǎn)從門窗部位、外墻部位著手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在輕型鋼結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)保溫隔熱等具體需求，有選擇性的使用一些輔助材料，例如ALC加氣混凝土板、彩色壓型鋼板等，都可以滿足這一需求。在建筑外墻設(shè)計(jì)上，也可以考慮使用新型高性能的隔熱材料，例如離心玻璃棉等，將這些新型材料鋪貼、固定在輕型鋼結(jié)構(gòu)上，滿足工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)、施工與使用需求。

5 提高工業(yè)建筑中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的策略

5.1 遵守工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)定

隨著我國(guó)現(xiàn)代化工業(yè)建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范也在不斷完善，比如，新的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范在結(jié)構(gòu)可靠性、設(shè)計(jì)計(jì)算、構(gòu)造配筋方面的要求都有更新和補(bǔ)充，一切以建筑的安全性和承載力為基礎(chǔ)。要設(shè)計(jì)出符合建筑承載力和安全性要求的工業(yè)建筑，必須嚴(yán)格按照國(guó)家的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.2 提高安全意識(shí)

在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中可能存在的安全隱患或者結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)進(jìn)行反復(fù)核算，保證結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)先深入分析地質(zhì)勘察資料，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，減少施工過(guò)程中的問(wèn)題；如果建筑物所在區(qū)域是高強(qiáng)度地震地區(qū)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)采取多種抗震設(shè)計(jì)措施，提高建筑物的抗震性能保障建筑的使用安全。

6 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，工業(yè)建筑設(shè)計(jì)極其復(fù)雜，需要堅(jiān)持使用性、安全性以及耐久性等設(shè)計(jì)原則，所以，在對(duì)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須明確國(guó)家針對(duì)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)制定的規(guī)范以及要求，并在掌握影響工業(yè)建筑因素以及所有施工流的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而使工業(yè)建筑能夠達(dá)到術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，這樣國(guó)家工業(yè)建筑將會(huì)具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，在此基礎(chǔ)上，我國(guó)的工業(yè)建筑業(yè)將會(huì)飛速發(fā)展。