輕型鋼結構在煤礦廠房中的設計分析

王俊華

（晉能控股煤業集團虎龍溝煤業有限公司，山西 朔州 038300）

以往由于煤礦建筑對于結構形式的要求，鋼結構在煤礦建筑中的應用不太多。當前基于輕型鋼結構鋼材料具有高強度、大承載力、強抗震性的優點，其在煤礦建筑及相關廠房中的應用越來越多。輕型鋼結構材料的應用可以有效降低鋼材的使用量，提高建筑施工質量，縮短建筑工期，降低建筑物的生產成本，為煤礦的開采和生產提供必要保障。本文以虎龍溝煤礦設備機修車間廠房工程為案例，對輕型鋼結構在煤礦廠房中的設計實踐進行應用研究。

1 工程概況

晉能控股煤業集團虎龍溝煤礦（全文簡稱虎龍溝煤礦）位于懷仁縣云中鎮，礦井井田面積為12.2147 km2，礦井保有儲量為14389.8萬t，設計可采儲量為13845.7萬t，服務年限為55年。礦井開拓方式為斜井開拓，主要運輸方式為帶式輸送機,輔助運輸為無極調速機械絞車，礦井生產布局為一井一面,綜采采用走向長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。該煤礦機修車間建設項目位于礦區北側，該項目的開工建設對緩解礦區機修工作壓力，提高礦區機修能力，保障礦井的生產接續具有里程碑的意義。機修車間采用輕型鋼結構材料，梯形鋼屋架跨度為24 m，長度66 m，柱距6 m，屋蓋擬采用鋼結構有檁體系，屋面采用100 mm厚的巖棉彩鋼保溫板，屋面坡度為1∶15，內設20 t雙梁式吊車1臺，抗震設防烈度7度，地震分組為第一組，二類場地，基本風壓σ0=0.55 kN/m2，基本雪壓σ0=0.25 kN/m2。

2 結構形式的確定

2.1 門式剛架

基于輕型門式剛架結構重量輕、跨度大，抗震性好，二次拆卸方便，環保性能高等優點，同時由于機修車間需要懸掛10 t吊車的現場施工特點，該項目確定選擇輕型門式剛架結構材料建設廠房。根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（CECS 102—98）4.2.2條的相關規定，梯形鋼屋架跨度為18 m和21 m，長度90 m，柱距7.5 m，屋蓋擬采用鋼結構有檁體系。

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，由三個波組成，每個波距為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，強度大，覆蓋率高，表面打起凸包增加與混凝土結合力，與混凝土鋼筋結構作彎矩抵抗，性能良好，施工方便快捷、工期短、節約鋼筋。

2.3 檁條

根據（CECS102a-a98）6.3設計規定，該項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。采用長尺復合屋面板，單坡內不需要搭接，水平檁距為1.5 m，檁條跨度為7.5 m。

2.4 吊車梁系統

在該煤礦機修二車間安裝了10 t雙梁式吊車2臺，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 圍護結構體系

對于墻體高度超過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。同時在施工現場，通過對門窗與墻體的距離分析來確定合適的壓力板。

2.6 基礎

該機修廠房確定采用階梯式剛性獨立基礎，基礎墊層使用C10混凝土制成，厚度100 mm，結構混凝土強度等級不應低于C20，施工鋼筋直徑為Φ14 mm，鋼筋中心距為200 mm。配備10.9S型高強度螺栓，立柱基礎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

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

3.2 對于鋼材的要求

對于鋼材的要求包括：在鋼結構設計時，建筑物的應用過程及環境中的元素會對鋼材提出不同的要求，對于礦區機修廠房來講，必須限制Q235沸騰鋼的使用，采用Q235-B型鋼材；基于鋼材結構的塑形要求，確定鋼材抗拉強度控制在屈服強度的90%；基于機修機車的工作性質，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 相關設計計算

4.1 設計時所用的計算軟件

在該機修二車間廠房工程項目中，可使用結構計算軟件PKPM中的STS鋼結構模塊中的“框排架”建模計算二維排架。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，如發現有指標超限，必須立即進行調整，做出相應的更改，直到無超限項目為止。

4.2 整體的設計計算

在該項目中采用整體模型計算進行出圖，把每個結構單元定義成多塔樓，程序采用多塔樓結構計算模型進行設計計算，計算陣型取到足夠多，使整個結構系統的有效質量達到95%。

5 注意事項分析

1）對該機修廠房鋼結構連接材料必須有詳細的要求。焊條應用前必須進行烘干工序，焊條烘干的時間、溫度都按規范操作，焊條烘干后的使用時限要明確，盡可能減少焊縫裂縫的出現，同時對焊縫高度和長度也應該有明確的要求。

2）螺栓間距必須有嚴格的要求。螺栓間距過大會導致出現銹蝕現象，影響鋼結構的耐久性，增加維護管理費用；螺栓間距過小會導致連接板件局部被剪斷。

3）鋼結構柱腳用素混凝土包裹，避免柱腳處由于積水使鋼材嚴重銹蝕，對結構存在著安全隱患，提高其耐久性。

4）鋼材的防腐問題。該機修二車間廠房處于礦區環境，廠房處于較大濕度和酸度的環境當中，在未來時間內，廠房的鋼構件表面將會發生較為嚴重的腐銹現象，因此在設計階段就必須做好相應的鋼材的防腐措施。

5）振動產生的不良影響問題。在機修車間，會有大型煤礦開采動力設備的動荷載及其引起的振動問題，在廠房結構設計時應增大振動梁及樓板的剛度。

6 結語

煤礦建筑廠房因處在復雜的環境當中，對于其設計應該結合礦區的工況來進行。本文以虎龍溝煤礦機修二車間廠房工程為案例，采用輕型鋼結構材料設計，掌握設計的各個環節及相關真實數據，將結構和工藝相結合，完成了該廠房的設計，該工程已按時按質完成建設。輕型鋼結構在虎龍溝煤礦機修二車間廠房工程中的應用是成功合理的，為輕型鋼結構在煤礦廠房中的應用提供了成功案例。