輕型鋼結(jié)構(gòu)在煤礦廠房中的設(shè)計(jì)分析

王俊華

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

以往由于煤礦建筑對(duì)于結(jié)構(gòu)形式的要求，鋼結(jié)構(gòu)在煤礦建筑中的應(yīng)用不太多。當(dāng)前基于輕型鋼結(jié)構(gòu)鋼材料具有高強(qiáng)度、大承載力、強(qiáng)抗震性的優(yōu)點(diǎn)，其在煤礦建筑及相關(guān)廠房中的應(yīng)用越來(lái)越多。輕型鋼結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用可以有效降低鋼材的使用量，提高建筑施工質(zhì)量，縮短建筑工期，降低建筑物的生產(chǎn)成本，為煤礦的開采和生產(chǎn)提供必要保障。本文以虎龍溝煤礦設(shè)備機(jī)修車間廠房工程為案例，對(duì)輕型鋼結(jié)構(gòu)在煤礦廠房中的設(shè)計(jì)實(shí)踐進(jìn)行應(yīng)用研究。

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)虎龍溝煤礦（全文簡(jiǎn)稱虎龍溝煤礦）位于懷仁縣云中鎮(zhèn)，礦井井田面積為12.2147 km2，礦井保有儲(chǔ)量為14389.8萬(wàn)t，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為13845.7萬(wàn)t，服務(wù)年限為55年。礦井開拓方式為斜井開拓，主要運(yùn)輸方式為帶式輸送機(jī),輔助運(yùn)輸為無(wú)極調(diào)速機(jī)械絞車，礦井生產(chǎn)布局為一井一面,綜采采用走向長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤工作面，工作面頂板管理為全部垮落法。該煤礦機(jī)修車間建設(shè)項(xiàng)目位于礦區(qū)北側(cè)，該項(xiàng)目的開工建設(shè)對(duì)緩解礦區(qū)機(jī)修工作壓力，提高礦區(qū)機(jī)修能力，保障礦井的生產(chǎn)接續(xù)具有里程碑的意義。機(jī)修車間采用輕型鋼結(jié)構(gòu)材料，梯形鋼屋架跨度為24 m，長(zhǎng)度66 m，柱距6 m，屋蓋擬采用鋼結(jié)構(gòu)有檁體系，屋面采用100 mm厚的巖棉彩鋼保溫板，屋面坡度為1∶15，內(nèi)設(shè)20 t雙梁式吊車1臺(tái)，抗震設(shè)防烈度7度，地震分組為第一組，二類場(chǎng)地，基本風(fēng)壓σ0=0.55 kN/m2，基本雪壓σ0=0.25 kN/m2。

2 結(jié)構(gòu)形式的確定

2.1 門式剛架

基于輕型門式剛架結(jié)構(gòu)重量輕、跨度大，抗震性好，二次拆卸方便，環(huán)保性能高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于機(jī)修車間需要懸掛10 t吊車的現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn)，該項(xiàng)目確定選擇輕型門式剛架結(jié)構(gòu)材料建設(shè)廠房。根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（CECS 102—98）4.2.2條的相關(guān)規(guī)定，梯形鋼屋架跨度為18 m和21 m，長(zhǎng)度90 m，柱距7.5 m，屋蓋擬采用鋼結(jié)構(gòu)有檁體系。

2.2 屋面板

屋面板選用YX51-250-750型雙層壓型鋼板，基板厚度為1.5 mm，肋高為51 mm，由三個(gè)波組成，每個(gè)波距為250 mm，有效覆蓋面積750 mm，采用1000 mm的熱鍍鋅鋼板冷壓成型，有效使用率75%。該材料板型合理，強(qiáng)度大，覆蓋率高，表面打起凸包增加與混凝土結(jié)合力，與混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)作彎矩抵抗，性能良好，施工方便快捷、工期短、節(jié)約鋼筋。

2.3 檁條

根據(jù)（CECS102a-a98）6.3設(shè)計(jì)規(guī)定，該項(xiàng)目中檁條采用冷彎薄壁斜卷邊C形鋼?C220×75×20×2.5，屋面坡度為1∶15。采用長(zhǎng)尺復(fù)合屋面板，單坡內(nèi)不需要搭接，水平檁距為1.5 m，檁條跨度為7.5 m。

2.4 吊車梁系統(tǒng)

在該煤礦機(jī)修二車間安裝了10 t雙梁式吊車2臺(tái)，起重為10 t，7.5 m吊車梁為焊接工字形截面，采用Q345-C鋼制作，焊條采用E50型。

2.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系

對(duì)于墻體高度超過(guò)1.2 m的墻體，采用彩色夾芯板，采用自攻螺栓和檁條（屋面檁條或沿墻檁條）連接。同時(shí)在施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)對(duì)門窗與墻體的距離分析來(lái)確定合適的壓力板。

2.6 基礎(chǔ)

該機(jī)修廠房確定采用階梯式剛性獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)墊層使用C10混凝土制成，厚度100 mm，結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20，施工鋼筋直徑為Φ14 mm，鋼筋中心距為200 mm。配備10.9S型高強(qiáng)度螺栓，立柱基礎(chǔ)與地基采用地腳螺栓連接件固定。

3 鋼材鋼柱的選用分析

3.1 鋼材鋼柱的選用

在該機(jī)修廠房的輕型鋼結(jié)構(gòu)材料鋼材鋼柱的選取時(shí)，必須考慮到結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法、鋼材厚度等因素，主要是為保障承重結(jié)構(gòu)的承載力，防止廠房在不同條件下可能出現(xiàn)的脆性損壞事故。基于該輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房柱距和跨度都較小，同時(shí)為輕型彩板屋面，確定鋼柱采用Q235鋼。

3.2 對(duì)于鋼材的要求

對(duì)于鋼材的要求包括：在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，建筑物的應(yīng)用過(guò)程及環(huán)境中的元素會(huì)對(duì)鋼材提出不同的要求，對(duì)于礦區(qū)機(jī)修廠房來(lái)講，必須限制Q235沸騰鋼的使用，采用Q235-B型鋼材；基于鋼材結(jié)構(gòu)的塑形要求，確定鋼材抗拉強(qiáng)度控制在屈服強(qiáng)度的90%；基于機(jī)修機(jī)車的工作性質(zhì)，要保障吊車的正常工作，因此要求廠房鋼材及吊車梁具有較好的沖擊韌性，確定選用Q235-C型鋼。

4 相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 設(shè)計(jì)時(shí)所用的計(jì)算軟件

在該機(jī)修二車間廠房工程項(xiàng)目中，可使用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM中的STS鋼結(jié)構(gòu)模塊中的“框排架”建模計(jì)算二維排架。對(duì)強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比、對(duì)應(yīng)長(zhǎng)細(xì)比、平面內(nèi)外穩(wěn)定應(yīng)力比等都要滿足計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果，如發(fā)現(xiàn)有指標(biāo)超限，必須立即進(jìn)行調(diào)整，做出相應(yīng)的更改，直到無(wú)超限項(xiàng)目為止。

4.2 整體的設(shè)計(jì)計(jì)算

在該項(xiàng)目中采用整體模型計(jì)算進(jìn)行出圖，把每個(gè)結(jié)構(gòu)單元定義成多塔樓，程序采用多塔樓結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算陣型取到足夠多，使整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有效質(zhì)量達(dá)到95%。

5 注意事項(xiàng)分析

1）對(duì)該機(jī)修廠房鋼結(jié)構(gòu)連接材料必須有詳細(xì)的要求。焊條應(yīng)用前必須進(jìn)行烘干工序，焊條烘干的時(shí)間、溫度都按規(guī)范操作，焊條烘干后的使用時(shí)限要明確，盡可能減少焊縫裂縫的出現(xiàn)，同時(shí)對(duì)焊縫高度和長(zhǎng)度也應(yīng)該有明確的要求。

2）螺栓間距必須有嚴(yán)格的要求。螺栓間距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，影響鋼結(jié)構(gòu)的耐久性，增加維護(hù)管理費(fèi)用；螺栓間距過(guò)小會(huì)導(dǎo)致連接板件局部被剪斷。

3）鋼結(jié)構(gòu)柱腳用素混凝土包裹，避免柱腳處由于積水使鋼材嚴(yán)重銹蝕，對(duì)結(jié)構(gòu)存在著安全隱患，提高其耐久性。

4）鋼材的防腐問(wèn)題。該機(jī)修二車間廠房處于礦區(qū)環(huán)境，廠房處于較大濕度和酸度的環(huán)境當(dāng)中，在未來(lái)時(shí)間內(nèi)，廠房的鋼構(gòu)件表面將會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的腐銹現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)階段就必須做好相應(yīng)的鋼材的防腐措施。

5）振動(dòng)產(chǎn)生的不良影響問(wèn)題。在機(jī)修車間，會(huì)有大型煤礦開采動(dòng)力設(shè)備的動(dòng)荷載及其引起的振動(dòng)問(wèn)題，在廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增大振動(dòng)梁及樓板的剛度。

6 結(jié)語(yǔ)

煤礦建筑廠房因處在復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，對(duì)于其設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合礦區(qū)的工況來(lái)進(jìn)行。本文以虎龍溝煤礦機(jī)修二車間廠房工程為案例，采用輕型鋼結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)，掌握設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)及相關(guān)真實(shí)數(shù)據(jù)，將結(jié)構(gòu)和工藝相結(jié)合，完成了該廠房的設(shè)計(jì)，該工程已按時(shí)按質(zhì)完成建設(shè)。輕型鋼結(jié)構(gòu)在虎龍溝煤礦機(jī)修二車間廠房工程中的應(yīng)用是成功合理的，為輕型鋼結(jié)構(gòu)在煤礦廠房中的應(yīng)用提供了成功案例。