煤礦工業建筑中框架結構的設計要點分析

孫 陽 潞安化工集團潞寧煤業有限責任公司計劃科

1 前言

對于框架結構的設計，應結合必要的抗震計算分析和構造措施，才能使結構具有良好的抗震性能和抗震可靠度，確保框架結構的安全，從而滿足煤礦工業建筑的使用功能。

2 框架結構的特點

鋼筋混凝土框架結構是由梁、柱組成并同時承受豎向和水平荷載的結構體系，適用于體型規則、剛度均勻的建筑物。該結構空間分隔靈活，可以形成較大的使用空間；整體性好，設計合理，具有良好的抗震、抗風、抗爆、抗撞擊和抗振動能；與鋼結構相比具有較好的耐久性和耐火性；與砌體結構相比自重較輕；且可模性較好，也便于就地取材。因此，在煤礦工業建筑中應用十分廣泛。

3 建筑結構設計需要滿足的要求

建筑結構就是房屋建筑的骨架，通過一定的連接方式構成整體，安全可靠地承受并傳遞各種載荷和間接作用。因此，建筑結構設計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最大限度地滿足人們對建筑物的各種功能需求。通常情況下，建筑結構設計必須要滿足的要求包括：（1）確保建筑物在施工過程中以及使用過程中的整體穩定性，即建筑結構要有較高的承載力和安全性。安全性是建筑工程建設發展的靈魂，尤其對于工業建筑，若存在安全隱患，會直接影響工業生產，甚至威脅使用者的人身安全。（2）隨著時間的推移，建筑可能會出現一些病害，要確保在正常的維護條件下能夠保持較長的使用年限。（3）保證建筑物的質量，使建筑物在有限的使用期限內正常發揮各項功能，滿足人們的生產和生活需求。

4 煤礦工業建筑中框架結構的設計要點分析

4.1 建造場地

場地條件是決定地震作用的重要因素，選擇合適的場地是結構抗震設計中一項十分有效、可靠又經濟的抗震措施。煤礦工業場地選址及前期的總平面布局及方案設計時，應及時掌握場地地形、地質構造、地基土質等信息，并與總圖、工藝專業溝通協調，盡量確保甲、乙類和較重要的丙類建筑所處場地為對抗震有利或一般地段，避開不利地段，嚴禁危險地段。

4.2 梁與板件的設計

為了保證建筑物的結構強度，梁、柱結構的橫截面面積都較大，并且配筋率較大。這雖然解決了工業建筑的承載問題，但給實際施工帶來了較多的問題。在設計中，一些設計人員將配筋率提高到2.5%，但由于實際操作的限制，操作人員很難達到這樣的標準。另外，由于鋼筋分布過密，會使梁柱結合處混凝土澆筑困難，探桿無法深入，造成鋼筋嚴重位移，給工業建筑后的安全問題留下隱患。

4.3 樓梯的設計

在工業建筑中，計算機房、宿舍、辦公室等生活區的樓梯多為板式結構，這種結構的設計有利于施工。在建筑物的樓梯設計中，特別是在建筑物的人口密集區，樓梯的梯段差不應大于20cm，以避免工作人員碰撞和絆倒。在施工過程中，如果樓梯間板結構跨度大于5m，不能滿足相關施工條件時，應在施工圖中進行特殊說明。

4.4 設計圖的深度

要保證施工的順利進行，必須有科學合理的建筑結構設計圖紙。詳細的建筑圖應體現建筑的所有結構并進行詳細的說明。

4.5 柱的設計

設計柱網時，要明確結構傳力體系，滿足結構受力要求，保證間距規則、適中、整齊；要避免柱網影響煤礦工業建筑的使用功能，同時應綜合考慮施工的便利性和構件尺寸的模數化與標準化，盡量做到模型簡單化。同一樓層框架柱的截面尺寸不宜相差過大，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擊破，一般可沿豎向分段改變框架柱的截面尺寸與材料強度，尺寸減小與強度降低宜錯開樓層，避免同層同時改變。短柱宜發生脆破壞，應盡量避免，當因工藝布置需要使結構錯層或因布置樓梯形成短柱時，箍筋應全高加密，且應控制縱筋不宜過大。

4.6 可行性

4.6.1 上部承重結構檢查

（1）結構整體性檢查。上部結構采用現澆鋼筋混凝土單跨雙向框架結構體系，框架梁縱橫向拉通、對直，框架柱縱橫向基本對齊，結構平、立面布置較規則，梁、柱節點連接方式正確，形成完整系統，傳力路線明確。（2）鋼筋混凝土構件檢查。鋼筋混凝土柱、梁及板構件外觀基本完好，無明顯蜂窩、麻面等外觀缺陷，鋼筋混凝土柱、梁及板工作狀態正常，未發現明顯變形，現場敲開個別柱梁節點粉刷層，未見裂縫。

4.6.2 上部承重結構系統

（1）安全性等級。結構整體性等級評定為B 級。框架柱、梁及板構件承載能力均滿足規范要求，構件截面尺寸、縱向鋼筋配置、箍筋配置、柱軸壓比均符合規范要求。結構承載功能等級評定為B級。綜合考慮結構整體性等級及承載功能等級的評定結果，上部承重結構安全性等級評定為B級。（2）使用性等級。框架柱、梁及板構件混凝土外觀基本完好，未發現明顯蜂窩、麻面等外觀缺陷，框架柱、梁及板工作狀態正常，未發現明顯變形，現場敲開個別柱梁節點粉刷層，未見裂縫。按荷載效應的準永久組合并考慮荷載長期作用的影響梁撓度可滿足規范要求。鋼筋混凝土柱、梁及板使用狀況等級均評定為B級。實測12個結構頂點的側向位移中，最大傾斜值為H/31，所測多數測點超過GB 50144—2019 規定的混凝土有吊車廠房柱頂點位移的A級標準限值(Hc/1100)。但觀察吊車運行狀況，暫未見異常。綜上，結構側向位移等級評定為B級。綜合考慮上部承重結構使用狀況等級及結構水平位移等級的評定結果，上部承重結構的使用性等級評定為B級。（3）可靠性等級評定。根據上部承重結構的安全性等級及使用性等級的評定結果，上部承重結構系統的可靠性等級評定為B級。

4.7 智慧煤礦工業建筑建設框架——工業控制層

在智慧煤礦工業建筑中，需要對整個生產狀態進行監控，通過工業控制層的建設能夠使整個生產控制通過通信軟件以及PLC控制系統，實現對數據的采集和生產設備的控制，最終達到智能化生產的目的，實現遠程管理和遠程控制。其中，在工業控制層在建設中，應做好控制結構設計，保證工業控制層能夠發揮管理和控制功能，降低控制難度，使整個工業控制層成為智慧煤礦工業建筑遠程控制生產設備的重要系統。在系統的控制過程中，需要根據控制要求和系統特點，對硬件設施和軟件系統進行匹配，保證二者在功能方面滿足控制要求。

4.8 結構選型

根據工業企業和工業生產的實際需求不同，在設計輕型鋼結構時，需要使用到的結構類型也有很大差異。現階段較為常見的有門式鋼架、箱體式鋼架以及網架結構等。以門式鋼架工業建筑為例，將大量不同尺寸的輕型鋼，按照設計方案進行拼裝、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。從結構的細部組成上來看，主要有連續梁框架、邊柱、角柱等組成，連接部位通常采用焊接的方式進行固定，也有的使用螺絲固定。門式鋼架結構通常適用于中小型工業建筑，在大型工業建筑中，也可以將若干個門式鋼架結構進行并聯，但是需要在連接部位做好定。

4.9 隔熱設計

工業建筑因為作業環境的特殊性，對溫度有一定的要求，通常要求恒定在某一個溫度值。因此在輕型鋼結構建筑設計時，還要考慮隔熱設計。重點從門窗部位、外墻部位著手進行優化設計。在輕型鋼結構框架的基礎上，可以根據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。在建筑外墻設計上，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、固定在輕型鋼結構上，滿足工業建筑的設計、施工與使用需求。

5 提高工業建筑中框架結構設計安全性的策略

5.1 遵守工業建筑結構設計的規定

隨著我國現代化工業建筑行業的發展，建筑結構設計規范也在不斷完善，比如，新的建筑結構設計規范在結構可靠性、設計計算、構造配筋方面的要求都有更新和補充，一切以建筑的安全性和承載力為基礎。要設計出符合建筑承載力和安全性要求的工業建筑，必須嚴格按照國家的相關設計規范和標準進行設計。

5.2 提高安全意識

在建筑結構的設計過程中，對建筑結構中可能存在的安全隱患或者結構關鍵部位應進行反復核算，保證結構的安全性進行設計前，設計人員應先深入分析地質勘察資料，提高結構設計的科學性，減少施工過程中的問題；如果建筑物所在區域是高強度地震地區，設計人員應采取多種抗震設計措施，提高建筑物的抗震性能保障建筑的使用安全。

6 結束語

總而言之，工業建筑設計極其復雜，需要堅持使用性、安全性以及耐久性等設計原則，所以，在對工業建筑結構進行設計時，設計人員必須明確國家針對工業建筑設計制定的規范以及要求，并在掌握影響工業建筑因素以及所有施工流的基礎上，強化建筑結構設計，進而使工業建筑能夠達到術性與經濟性的統一，這樣國家工業建筑將會具有較強的結構設計能力，在此基礎上，我國的工業建筑業將會飛速發展。