煤炭工業重點設防規模小的建筑結構設計

劉彥東

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦礦井和選煤廠地面建筑多屬于特種建(構)筑物，與一般工業與民用建筑物的設計有很大的區別，其中對于直接危及井下工人的生命、維系井下安全和抗災搶險、礦山救護及消防系統所屬建(構)筑物破壞后可能產生重大災害后果，安全等級為一級，抗震設防為重點設防乙類，具體有：提升系統(井架、井塔、提升機房、井口房、天輪架)、通風系統(井下通風系統的風井井口房、通風機房、瓦斯抽采泵房)、供配電系統(為井下供電的地面變電所、配電室或為其他生命線工程供電的地面變電所、配電室)、礦井通信系統(通信樓、調度中心)、礦山救護及消防設施(消防隊車庫、儀器庫、裝備庫、值班用房、通信樓、救災指揮部、保健急救室、消防站、日用消防水池及泵房、救災系統壓縮空氣站)等[1]。

重點設防類建筑要求在地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復，對結構的計算、構造提出了更高的要求，而對于煤炭工業的重點設防類建筑，有很多規模都很小，在結構設計中，不能僅盯規范中的某一條要求，要將相關規范融會貫通，深入理解規范的本意，總結設計經驗，才能對這些建(構)筑物進行更加合理的設計。

1 結構設計要求

重點設防類建筑地震作用按本地區抗震設防烈度確定，按高于本地區設防烈度一度的要求加強其抗震措施[2]，包括抗震構造措施。《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010(2016年版)[3]中一般規定及計算要點中的地震作用效應(內力和位移)調整的規定均屬于抗震措施。抗震構造措施是根據抗震概念設計原則，一般不需要計算，而對結構和非結構構件各部分必須采取的各種細部要求，混凝土結構抗震構造措施的主要內容有：豎向構件的軸壓比、構件的最小截面尺寸要求、構件的最小配筋率要求、箍筋及加密區要求等。

通過這些要求，提高結構關鍵部位的設計標準，從而提高整個結構的抗震能力和冗余度，其目的是為了保證結構在地震時不破壞或至少不垮塌，通過簡單維修就能快速恢復使用，確保井下的指揮調度、人員運輸、供水、供電、搶險等工作能夠正常運行。

2 結構方案布置

2.1 規范要求

《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010(2016年版)[3]規定重點設防類建筑不應采用單跨框架結構，但是規模很小如寬度只有6 m、7 m的重點設防類建筑在設計中不適合采用三排柱網，就需要深入理解規范并采取別的加強措施。

《建筑工程抗震設防分類標準》GB 50223—2008[2]規定對于劃為重點設防類而規模很小的工業建筑，當改為抗震性能較好的材料且符合抗震設計規范對結構體系的要求時，允許按標準設防類設計。條文說明中進一步說明考慮到小型的工業建筑，如變電站、空壓站、水泵房等通常采用砌體結構，設計改為抗震性能較高的材料且結構體系符合《建筑抗震設計規范》第3.5.2條，抗震措施允許按標準類的要求采用。

2.2 典型項目的結構方案布置

重點設防的工業建筑主要是為了保證工藝、設備的正常運行，應有別與醫院、學校等人員活動的建筑，特別是工業建筑中一些規模很小的建筑，在設計時應重方案：結構體系合理，有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，應避免因部分結構或構件破壞而導致整體結構喪失抗震能力。

概括起來，對于煤炭工業規模小的重點設防類建筑要求如下：對于2層及以上且寬度不小于8 m的建筑，應滿足《建筑抗震設計規范》的要求，不采用單跨結構，按重點設防乙類進行設計。對于單層且寬度小于8 m的建筑，當采用鋼筋混凝土框架結構時，可采用單跨結構，抗震設防分類由重點設防乙類改為標準設防丙類進行設計。對于單層但寬度不小于8 m的建筑，當采用鋼筋混凝土框架結構時，布置三排柱網，抗震設防分類由重點設防乙類改為標準設防丙類進行設計。

2.2.1 變電站(所)

煤炭工業為井下供電、為其他生命線工程(如礦山救護、消防設施等)供電變電站(所)為重點設防類，單獨為選煤廠或行政福利區供電的變電站(所)可按標準設防進行設計。

本次實驗研究數據使用SPSS22.0軟件進行分析和處理，計量資料采用（±s）表示，實施獨立樣本t檢驗，計數資料則使用百分率（%）表示，采用χ2檢驗，若P＜0.05差異有統計學意義。

重點設防類變電站(所)中主配電室一般為2層，寬度一般為10 m左右，高度在11 m左右。一層一側為低壓配電室，另一側為輔房和其他功能房間，二層為高壓配電室和主控室。低壓配電室和高壓配電室上下對齊布置，中間不能布置柱。配電室邊跨結合二層吊裝平臺在中間布置柱，在輔房一側結合樓梯間和房間分隔布置柱網，避免單跨框架結構，配電室區域縱向柱網應避開墻體開洞盡量均勻布置。變電站一層平面如圖1所示。

圖1 變電站一層平面布置

2.2.2 救護隊車庫、庫房

礦山救護設施包括救護隊車庫、儀器庫、裝備庫、值班用房、消防站等建筑，為搶險救災類重點設防建筑。其中救護隊車庫一般與救護隊綜合樓聯建，如果單建，寬度一般為9 m左右，采用抗震性能更好的鋼筋混凝土框架結構，布置三排柱，每個車位寬4.5 m，可按2個車位布置縱向柱網，抗震設防分類由重點設防乙類改為標準設防丙類。救護隊車庫平面如圖2所示。

圖2 救護隊車庫平面布置

礦山救護設施中的庫房雖然是重點設防類建筑，但規模很小，一般寬度為6 m左右，長度根據使用功能一般為25 m左右。這類建筑雖然規范規定重點設防，不應采用單跨框架結構，但也符合規模很小的工業建筑，采取鋼筋混凝土框架結構，抗震性能良好，受力體系明確，抗震設防分類由重點設防乙類改為標準設防丙類，按單跨框架設計，救護隊庫房平面如圖3所示。

圖3 救護隊庫房平面布置

2.2.3 日用消防水池及泵房

日用消防水池及泵房是為礦區地面建筑進行消防施救的設施，為重點設防類建筑，其中消防水池一般選用標準的半地下水池，與泵房脫開。泵房地下-3 m左右，地上與控制室、值班室等輔房層高一致在5 m左右，寬度一般為7 m左右。泵房地下部分為鋼筋混凝土結構，地上部分通常采取砌體結構，而砌體結構對砌體砌筑的質量要求較高，現階段的設計一般采用抗震性能更好的鋼筋混凝土框架結構，由于寬度太小，同2.2.2中救護隊庫房，按單跨結構設計，抗震設防分類由重點設防乙類改為標準設防丙類。泵房平面如圖4所示。

圖4 泵房平面布置

3 結構計算

3.1 分區段抗震設防

礦井通信系統的調度中心在平時對全礦井地上、地下進行生產調度指揮協調，在地震發生時，要保證井下通信暢通，為搶險救災提供保障，為重點設防類建筑。

調度中心宜單獨建設，有的礦井選擇布置在辦公樓內，這時可只提高調度中心相關范圍的抗震設防類別，相關范圍一般取調度中心外延一跨，調度中心及重點設防區平面示意如圖5所示。沿高度方向下部區段的抗震類別不應低于上部區域，在調度中心的本層及以下區域的相關范圍提高其設防類別[4-5]。1-1剖面如圖6所示。

圖5 調度中心及重點設防區平面示意

圖6 1-1剖面

3.2 結構重要性系數

4 構造要求

4.1 抗震措施

對于重點設防乙類以及由乙類降到標準設防丙類的單跨框架建筑，為了加強其結構體系，避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力，且具備良好的變形能力和消耗地震能量的能力，抗震措施的抗震等級按高于本地區設防烈度一度的要求加強。

4.2 抗震構造措施

煤炭工業所有重點設防類建筑(含由乙類降到丙類)，抗震構造措施的抗震等級按高于本地區設防烈度一度的要求加強。

4.3 單跨框架結構

單跨框架結構，沒有多余約束，只要一根柱出現破壞，結構就會倒塌，在設計時要加強抗震措施(含抗震構造措施)[7-8]，對于此類建筑，除按上述4.1、4.2條加強其抗震措施、抗震構造措施外還要進一步加強結構的冗余度，如：鋼筋混凝土梁的縱向底筋不應少于3根鋼筋，縱向頂筋不少于2根受力鋼筋貫通。樓屋面采用鋼筋混凝土現澆樓板，不宜采用裝配式結構，屋面雙層雙向拉通配筋。適當增加柱跨度方向的截面尺寸，加大柱特別是角柱的配筋，加長梁柱節點的錨固長度等，以此來保證結構安全。

5 地基基礎

5.1 基礎

為了加強基礎的整體性和抗震性能，提高抵抗不均勻沉降的能力，基礎之間應設基礎拉梁，且拉梁布置在獨立基礎的范圍內，不應做在基礎的上部只作為承墻梁使用。

5.2 地基處理

這類規模較小的建筑附加應力很小，盡量采用天然地基。

對于蒙陜地區毛烏素沙漠邊緣地帶，土層基本上以細砂土為主，而且地下水充足，如果基礎下持力層較弱，可以采用水墜法施工[9]，當地有豐富的實踐經驗，不僅能滿足承載力的需要，還可以降低投資；對于濕陷性黃土場地，特別是自重濕陷性黃土場地，對于受水浸濕可能性小的單層建筑，層高控制在5 m以內，長高比控制在2.5以內，將建筑的濕陷性類別定義為丁類[10]，可以大大減小處理土層的厚度，減小投資。

6 結語

(1)煤炭工業的重點設防類建筑很多都是小房子，如何保證既滿足規范要求、保證結構安全，又能夠做到經濟合理是值得探討的問題。文中從結構設計、平面布置、結構計算、構造要求和地基基礎等方面闡述了這類建筑的結構設計，為今后相似類型的工業建筑設計提供參考。

(2)煤炭工業的重點設防類建筑種類繁多，根據工藝要求和建筑布置，都不盡相同，在具體的設計中還是應該以概念設計為主，從宏觀上選擇合理的結構體系、傳力路徑和地基基礎形式[11-14]。并采取強柱弱梁、強節點弱構件、加強錨固等構造措施保證在地震時使用功能不能中斷或能盡快恢復。