輕鋼結構在煤礦地面建筑中的運用

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輕鋼結構是采用軋制或焊接鋼材為主要承重結構，以薄壁型鋼做檁條，以輕質墻體為圍護結構的新型結構體系。具有建筑空間布置靈活、抗震性能好、協調變形能力強、結構安全度高、便于工廠化加工、施工周期短等優點，廣泛應用于煤礦地面建筑。而鋼材、跨度、柱距、檐口高度以及有無吊車等，這些因素對輕結構的使用、安全和造價都有很大影響。下面就輕鋼結構在煤礦地面建筑的合理設計進行簡要探討。

1煤礦地面建筑的特點

煤礦地面建筑生產區的大多數建筑物都具有層數底、跨度大、吊車噸位較小（20t以下）等特點，如做成傳統的混凝土結構會存在結構布置復雜、構件截面尺寸較大、施工困難大、工期長、投資高等缺點。如采用輕鋼結構，完全可以避免以上缺點。煤礦地面建筑可以采用輕鋼結構的建筑單體有：主副井井口房、主副井提升機房、輸煤棧橋、轉卸載點、儲煤棚、通風機房、空壓機房、制氮機房、綜采機修車間、材料庫、水處理車間等。這些建筑中除輸煤棧橋采用鋼桁架外，其余均可以采用門式剛架結構。

2建筑鋼材的選用

鋼材的選取時，起強度控制作用的鋼梁、鋼柱應選用高強度Q345型鋼材，其余撓度和構造等控制的構件如檁條、支撐、系桿等采用Q235型鋼。這樣可以充分發揮高強鋼材的性能，有效的節約鋼材15%~25%。

3剛架跨度的確定

剛架跨度的確定要從工藝尺寸、吊車參數、井架寬度、安全疏散尺寸等因素綜合考慮，其次經過計算比較，門式剛架較經濟的用鋼量跨度約在21~24m之間。當跨度超過30m后，用鋼量的增幅率將明顯增大，門式剛架合理的最大跨度不宜大于36m。所以在方案設計時，在滿足使用功能的情況下，同樣面積的鋼結構建筑通過調跨度尺寸來進行優化，如工藝專業要求的材料庫，建筑面積為945m2，應布置成跨度21m，長度45m而不布置成跨度30m，長度31.5m，這樣可以使跨度最經濟，從而可以降低工程造價。

4剛架柱距的選取

剛架柱距的選取首先要滿足工藝設備、功能等要求，如井口房的柱距應根據暖風道、安全通道、安全出口、井架基礎等因素綜合確定。儲煤棚的柱距應根據運煤棧橋的位置、運煤車輛的尺寸等因素確定。其次要考慮工程造價，選取最優柱距。在工程中柱距的大小決定次結構構件的數量，將直接影響加工、安裝工程量。剛架柱距宜為6~9m，且在此范圍，隨著柱距的增大，剛架的用鋼量是逐漸下降的，但當大于9m時，檁條、吊車梁、墻梁、支撐等構件的用鋼量會隨著柱距的加大而增加。所有在設計時，在滿足功能要求時盡量采用合理較大柱距，減少構件數量。

5檐口高度的確定

不論柱距、跨度及鋼號如何，檐口高度的增加，均會引起總用鋼量的增加。在常用跨度及柱距條件下，檐高由6m增為8m時，總用鋼量的增幅約為12%~16%。在風荷載較大地區，此影響程度會更加大。所以在設計工程中與相關工藝專業提前溝通，在滿足使用的條件下，盡量控制檐口的高度，可以有效控制工程造價。

6建筑內吊車的設置

同樣尺寸的門式剛架，設置吊車和不設吊車的總用鋼量（包括剛架與吊車梁等主次結構）有很大差別。一般在井井口房、綜采機修間、空壓機房、制氮機房、材料庫內需設置吊車，其余建筑內可以不設，所以在具體設計時，要積極和工藝專業溝通并查閱相關規范，對規范明確規定不要求設置吊車的建筑，盡量不要設置。

7鋼梁、柱的設計

鋼梁、鋼柱可采用等截面或變截面，當建筑內設置吊車時鋼柱宜設置成等截面，鋼梁的高度一般可取跨度的1/45~1/30，當跨度大于24m或荷載大于0.5kN/m2時，取大值，否則取小值。最理想的鋼梁鋼柱截面是隨著彎矩做合理調整。

8抗風柱的設計

抗風柱是門式剛架中傳遞縱向風荷載的重要構件。眾所周知，門式剛架中屋面支撐與柱間支撐等共同組成空間不變體系，能增強平面內外穩定性，傳遞水平風荷載。屋面支撐若在抗風柱處不斷開，則水平風荷載會傳力到屋面梁，于是加重了鋼梁的負擔，此時要驗算鋼梁的穩定性。抗風柱若做成懸臂梁，則墻面與柱邊的變形不一致，對墻不利，所以抗風柱與梁應用彈簧板連接，不僅能更好地傳遞水平力，而且豎向荷載不會傳遞到抗風柱。抗風柱基礎若做成剛接，基礎會比較大，做成鉸接更合理。抗風柱位置的設置也要根據建筑的功能做合理的調整，如主、副井井口房抗風柱位置的設計尤其復雜。不僅要從結構本身的合理性考慮，還要根據暖風道、安全通道、管子通道、輸煤棧橋等因素綜合確定。

9輸煤棧橋的鋼桁架

在煤礦地面建筑中，輸煤棧橋作為主要的運煤通道，大多橫跨礦區道路、建筑等，需要做成大跨度鋼結構。當棧橋的底端高度大于20m時、跨度大于10m時做成鋼桁架更合理。鋼桁架棧橋包括普通型鋼棧橋和鋼管空心球節點棧橋，普通型鋼棧橋采用角鋼、工字鋼，H型鋼焊接而成，節點較為復雜，施工較為麻煩，但受力性能很好，不會因某個桿件屈服造成整體垮塌；鋼管空心球節點棧橋采用鋼管和空心球，心對心對接焊，節點較為簡單，施工較為方便，但有一處桿件屈服破壞，整個桁架有可能整體垮塌，且費用高。所以在設計中采用普通型鋼桁架棧橋更安全。

10合理利用建筑的下部結構

水處理車間是為滿足環保要求，對礦井水進行處理的建筑，該建筑的特點是下部是水池，上部是處理車間。如將上部車間和水池分開做，單獨為廠房設置獨立基礎，不僅使廠房面積加大，同時由于新增的基礎會造成很大的浪費。如在設計時能充分的利用下部水池結構，將上部車間鋼柱置于池壁頂，這樣上部傳來的荷載由池壁承擔。經結構計算，抗彎、抗剪、沖切等各項計算指標均滿足要求，此方案完全可行，不僅滿足了功能要求，同時也節省了造價和工期。

11鋼結構的后期維護

由于鋼結構耐火性差，易銹蝕，防火涂料費用較高，目前鋼結構的防火和防銹費用占據工程造價的10%。設計時可以根據建筑物的耐火等級，各構件不同的耐火極限要求，合理選用既能滿足除銹功能又能達到防火要求合二為一的涂層。這樣也可以有效的控制工程的造價。

12基礎的布置

優先選擇天然地基、獨立基礎，這樣傳力路徑短，比較經濟。如建筑物處于地質軟弱又不均勻的場地，采用獨立基礎不能滿足承載力或沉降的要求時，可先進行地基處理，并采用筏板基礎。當荷載大、持力層較深時，應采用樁基礎。但費用較高，這時可以通過加大柱距、減小樁基數量來降低工程造價。根據以上分析，在煤礦地面建筑結構的設計時，可以充分考慮采用輕鋼結構。在鋼結構的具體設計中，應根據生產工藝的要求，建筑功能的特點，選取適宜的材質，合理的跨度、柱距，控制好檐口高度，并結合影響工程造價的其他因素，使得鋼結構設計即美觀適用又經濟合理。

參考文獻

[1]煤炭工業礦井設計規范：GB50215-2015.

[2]煤礦礦井建筑結構設計規范：GB50592-2010.

[3]鋼結構設計標準：GB50017-2017.

[4]門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范：GB51022-2015.

[5]建筑地基基礎設計規范：GB50007-2011.

作者:蘆珍明 單位:山西安煤礦業設計工程有限公司