輕鋼結構在煤礦廠房中的設計分析

趙風舟

（中煤西安設計工程有限責任公司，西安710054）

1 工程概述

本工程為某煤礦機修車間，鋼架跨度為21m，長67.5m，柱距7.5m，檐口高度9m，屋面坡度1∶15，內設5t 單梁吊車1 臺，抗震設防等級7 度，第一組，二類場地，基本風壓0.4kN/m2，基本雪壓0.25kN/m2。

2 結構形式的確定

2.1 鋼結構形式的確定

通長廠房的鋼結構主要分別為：門式鋼架、鋼框架、框排架。輕型門式剛架具有自重輕、跨度大，抗震性好、抗沖擊性好、施工周期短、工業模塊式快，二次拆卸方便、環保性能高等特點。在設置懸掛吊車時，起重量不適合采用大于3t 的吊車，對3t 以上吊重吊車的廠房，需滿足鋼結構的側向剛度，通長采用門式鋼架結構較為合理，也可以才采用鋼排架結構。鋼排架柱的柱頂與屋架的連接可以選擇鉸接，亦可選擇剛接形式。在柱的上下兩端選用剛接更為合適，增加結構剛度的同時，還能夠節省鋼材的用量[1]。

2.2 柱間支撐布置

在設有吊車時，需要在廠房單元中段設置柱間交叉及水平支撐，也需在廠房兩端端跨設置柱間交叉及水平支撐。根據當地抗震設防烈度的等級不同，結構單元的長度也需要進行改變。抗震設防烈度小于或等于7 度時，結構縱向長度不宜大于120m；當抗震設防烈度為8 度或9 度時，結構縱向長度不宜大于90m。根據該項工程的設計特點，柱間支撐要在廠房單元的兩端端跨設置柱間交叉及水平支撐，在廠房單元中部設置上、下柱間支撐。

2.3 剛接柱腳形式的確定

鋼結構柱腳按照結構簡化傳力方式不同，可劃分為鉸接柱腳和剛性固定柱腳。鉸接柱腳一般僅用來傳遞豎向荷載和水平荷載，常用在輕型門式鋼架結構。剛性固定柱腳除豎向荷載和水平荷載，還應考慮柱腳彎矩，但構造要比鉸接柱腳更復雜，一般內設吊車廠房宜采用此方式，使廠房整體剛度明顯提高。鋼柱柱腳按照構造形式分為：外露式柱腳、埋入式柱腳和全包式柱腳。由此來看，這里選用外包式柱腳更為合適。

3 鋼材鋼柱的選用以及相關要求

3.1 鋼材鋼柱的選用

在選取鋼材鋼柱時要考慮多種因素，如荷載特征、結構形式、連接方法、工作環境和結構的重要性等，還要保證承重結構和承載能力，避免廠房出現脆性損壞。如果設計柱距和跨度都較小時，且屋面為輕型彩板屋面，選用Q235 鋼為鋼柱鋼材。

3.2 對于鋼材的要求

對于鋼材的要求包括以下幾方面：

1）在鋼結構設計過程中，要對建筑結構的設計使用年限、連接材料的型號、鋼材的牌號和鋼材所需要的力學性能進行注明。對于焊縫形式、焊縫質量等級和施工的要求也要進行注明。一些元素會對鋼材產生影響，比如，硫會增加鋼材的熱脆性，磷會增加鋼材的冷脆性，還有碳的含量雖然會提高鋼材強度，但同時會降低鋼材的塑形和可焊性，因此，需要限制有害元素的含量，避免對鋼材的塑形和韌性產生破壞。在本工程中要限制采用Q235 沸騰鋼的使用。本工程主要選用的的鋼材為Q235-B 鋼，對于限制采用沸騰鋼的要求要明顯注明。

2）對鋼材強度、塑形和韌性的要求。為保證鋼材結構的塑形，對伸長率要有一定的要求。在考慮鋼材的強度時，選用屈服強度作為參考標準，抗拉強度控制在屈服強度的90%，是較為安全的選擇。冷彎試驗的合格保證及對沖擊韌性的要求是為了防止結構發生脆性破壞而提出的，須嚴格執行[2]。

3）設計時明確規定鋼材的沖擊韌性。本廠房為采暖房屋，有時候就算廠房的采暖系統出現了問題，吊車也要繼續工作，所以吊車梁的材質要具有良好的沖擊韌性，因此，選用Q345-C 鋼。

4 相關設計計算

4.1 設計時所用的計算軟件

本項目中的相關計算可以用結構計算軟件PKPM，選用模塊為STS 中的框排架模塊。對強度計算應力比、對應長細比、平面內外穩定應力比等都要滿足計算軟件的計算結果。同時根據注明數據，比較是否有超過正常限度的項目，如果發現，要立即進行更改，調整到沒有超限項目為止。

4.2 整體的設計計算

本工程采用離散型模型和整體模型進行對比，對離散模型而言，風荷載偏大一些，計算結果要更保守。但在進行平面施工圖的設計時，不便于整個樓層的繪制，只能手工進行拼圖；在繪制梁柱施工圖紙時，沒有辦法完成樓層的合并。對整體模型而言，要把每個結構單元定義成多塔樓，要保證計算陣型取到足夠多，使整個系統的有效質量達到相關的規定標準。采用整體模型，在繪制平面施工圖、梁柱施工圖，以及傳遞基礎荷載等方面都比較方便。根據2 種模型的對比分析，發現計算結果相差并不大，因此，采用了整體模型計算出圖。

5 相關注意事項

相關注意事項主要有：

1）設計中明確對鋼結構連接材料的要求。為了減少焊縫出現裂縫的可能，焊條在使用前須烘干，焊條烘干時對烘干時間、烘干溫度、烘干后使用的時限都有嚴格的要求，焊縫高度應滿足規范的最小及最大要求，焊縫的長度也應滿足最短最長要求。

2）對螺栓間距的部分要求。螺栓間距不宜設置過大，否則會導致連接板連接不緊密，有縫隙出現，更嚴重還會出現銹蝕現象，影響結構的耐久性；如螺栓間距設置過小，則可能會出現連接板被剪斷的現象。因此，螺栓間距的設置必須嚴格按照相關設計的規定。

3）鋼結構柱腳會銹蝕，為了滿足耐久性的要求，必須用素混凝土包裹。

4）相關防腐的問題。主要是結合廠房所在的環境再依據易被腐蝕的介質會對生產廠房產生的各種作用條件來設計。在眾多結構中，主廠房的濕度更大，就需要更強的室內抗腐措施來提高它的耐腐性的能力。生產環境差是導致2 年內廠房的鋼構件表面會有不同程度的腐銹現象。要使整個生產線能正常地運行，每隔2 年就需要有固定的工作人員為廠房來一次大型的防腐維修，且維護費用會高達30 萬～50 萬元。在工程還處于設計階段時，就需要提前做好防護措施，避免不必要的經濟損失。

5）對于振動產生的影響。為了減弱或消除設備振動產生的不利影響，主廠房結構設計首先考慮增大振動梁的剛度，可從減小梁的計算跨度，調整梁的高度，使其頻率小于0.7 倍或大于1.3 倍設備震動頻率。特別是樓板的剛度，采用壓型鋼板-鋼筋混凝土組合樓板，樓板鋼筋宜盡量通長布置，對于設備振動較大處的樓板，正負鋼筋均應拉通設置，這樣可以增大樓板整體的剛度，減小因振動導致樓板出現開裂的概率。

6 結語

廠房的設計是一項很復雜的工作，它需要結合設計者和煤礦、機制專業的配合，其中的各個環節緊密相扣，有一環出現問題都會導致設計失敗，尤其是對主廠房的設計，結構人員在進行初步設計時就要積極地參與到工作中，只有經歷每一步驟，詳細了解每一環節的真實數據，才能夠將結構和工藝相結合。