輕型鋼結(jié)構(gòu)在煤礦廠房中的設計分析

王俊華

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

以往由于煤礦建筑對于結(jié)構(gòu)形式的要求，鋼結(jié)構(gòu)在煤礦建筑中的應用不太多。當前基于輕型鋼結(jié)構(gòu)鋼材料具有高強度、大承載力、強抗震性的優(yōu)點，其在煤礦建筑及相關廠房中的應用越來越多。輕型鋼結(jié)構(gòu)材料的應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備機修車間廠房工程為案例，對輕型鋼結(jié)構(gòu)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(yè)集團虎龍溝煤礦（全文簡稱虎龍溝煤礦）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(diào)速機械絞車，礦井生產(chǎn)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(qū)北側(cè)，該項目的開工建設對緩解礦區(qū)機修工作壓力，提高礦區(qū)機修能力，保障礦井的生產(chǎn)接續(xù)具有里程碑的意義。機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(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，同時由于機修車間需要懸掛10 t吊車的現(xiàn)場施工特點，該項目確定選擇輕型門式剛架結(jié)構(gòu)材料建設廠房。根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)范》（CECS 102—98）4.2.2條的相關規(guī)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(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(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設計規(guī)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(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(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料鋼材鋼柱的選取時，必須考慮到結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、結(jié)構(gòu)形式、應力狀態(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(jié)構(gòu)設計時，建筑物的應用過程及環(huán)境中的元素會對鋼材提出不同的要求，對于礦區(qū)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(jié)構(gòu)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(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(jié)構(gòu)計算軟件PKPM中的STS鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)外穩(wěn)定應力比等都要滿足計算軟件的計算結(jié)果，如發(fā)現(xiàn)有指標超限，必須立即進行調(diào)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(jié)構(gòu)單元定義成多塔樓，程序采用多塔樓結(jié)構(gòu)計算模型進行設計計算，計算陣型取到足夠多，使整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有效質(zhì)量達到95%。

5 注意事項分析

1）對該機修廠房鋼結(jié)構(gòu)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(guī)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(xiàn)，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(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，影響鋼結(jié)構(gòu)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(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重銹蝕，對結(jié)構(gòu)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(qū)環(huán)境，廠房處于較大濕度和酸度的環(huán)境當中，在未來時間內(nèi)，廠房的鋼構(gòu)件表面將會發(fā)生較為嚴重的腐銹現(xiàn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)設計時應增大振動梁及樓板的剛度。

6 結(jié)語

煤礦建筑廠房因處在復雜的環(huán)境當中，對于其設計應該結(jié)合礦區(qū)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(jié)構(gòu)材料設計，掌握設計的各個環(huán)節(jié)及相關真實數(shù)據(jù)，將結(jié)構(gòu)和工藝相結(jié)合，完成了該廠房的設計，該工程已按時按質(zhì)完成建設。輕型鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在煤礦廠房中的應用提供了成功案例。