輕型鋼結(jié)構(gòu)在煤礦建筑工程中的運(yùn)用

賀麗媛

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦選煤廠，山西太原 033602）

0 引言

在最近幾年中，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷提高，進(jìn)而對煤礦建筑工提出了更多的使用要求，有效推動了我國煤礦建筑行業(yè)的不斷快速發(fā)展。在煤礦建筑工程中常常會需要投入使用很多的鋼材，相應(yīng)地，鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量也是很多的。為加快施工速度，提高鋼結(jié)構(gòu)的安全，保證煤礦建筑工程的整體施工質(zhì)量，在現(xiàn)階段進(jìn)行煤礦建筑工程施工中越來越廣泛使用輕型鋼結(jié)構(gòu)[1]。因此，針對輕型鋼結(jié)構(gòu)在煤礦建筑工程中的運(yùn)用，本文對其進(jìn)行了深入研究，以供大家參考。

1 輕型鋼結(jié)構(gòu)簡析

當(dāng)建筑物不需要承受較大載荷時，常常會選用輕型鋼結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代建筑工程的施工中，越來越青睞于使用多種輕型鋼結(jié)構(gòu)，如門式鋼架結(jié)構(gòu)體系、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系、多層多鋼結(jié)構(gòu)體系、金屬拱形波紋屋蓋結(jié)構(gòu)體系。具體情況如下，即：①多層多鋼結(jié)構(gòu)體系，如果工業(yè)廠房對使用壽命、質(zhì)量等要求不是很高，可以選擇使用這種結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，能夠有效加快施工速度，降低施工成本；②金屬拱形波紋屋蓋結(jié)構(gòu)體系，在該結(jié)構(gòu)體系中不需要設(shè)置梁、凜條，不需要進(jìn)行鎖邊栓焊，具有非常好的防水性能，所以在建設(shè)廠房屋蓋結(jié)構(gòu)過程中，施工單位可以使用這種結(jié)構(gòu)體系；③冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，該體系是通過對鋼板進(jìn)行冷彎、冷壓操作后而形成的，一般呈Z型或者C型，在進(jìn)行墻梁、凜條施工時，常常會選用這種結(jié)構(gòu)體系；④門式鋼架結(jié)構(gòu)體系，主要采用焊接、軋制、變截面、等節(jié)面等方式，并利用輕型H型鋼，制作形成門型鋼架支承，一般情況下，如果建筑的物的平面尺寸比較窄長、跨度為15～35m時，宜選用這種結(jié)構(gòu)體系。

2 煤礦建筑中運(yùn)用輕型鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢

2.1 輕型鋼結(jié)構(gòu)宜制作呈弧線或者曲線的結(jié)構(gòu)形式

在對鋼管混凝土進(jìn)行充分利用以后，通過提高強(qiáng)度能夠有效縮小鋼管混凝土的截面尺寸。與其他類型的混凝土柱相比，輕型鋼結(jié)構(gòu)具有更高的抗壓強(qiáng)度與抗側(cè)彎強(qiáng)度，可以有效擴(kuò)大空間，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時還能夠有效解決過去建筑物中出現(xiàn)的肥梁胖柱問題[2]。而在對輕型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行使用時，盡管需要使用較多的復(fù)合墻體、合金鋼，但是使用輕型結(jié)構(gòu)體系的施工成本要比傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)體系更低6%～15%。

2.2 使用輕型鋼結(jié)構(gòu)能夠靈活布設(shè)煤礦建筑物的空間

在煤礦建筑工程中，通過使用輕型鋼結(jié)構(gòu)，可以更加靈活布設(shè)建筑物的空間，提高美觀性，可以滿足煤礦建筑物工程的各種工藝要求，通過使用非承重墻體，可以靈活改造和分割房間，同時可以選用很多輕質(zhì)的施工材料，能夠獲取更為美觀的建筑效果。此外，在輕型鋼結(jié)構(gòu)中，常常需要使用輕質(zhì)高強(qiáng)的建筑施工材料，所以輕型鋼結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形能力與抗震能力是非常強(qiáng)的，能夠有效提高煤礦建筑結(jié)構(gòu)的安全性[3]。在建筑復(fù)合墻體中通過使用輕質(zhì)材料，能夠具有較強(qiáng)的節(jié)能、隔音、絕熱、防火、防水等性能，與此同時，不但可以使混凝土的重量降低50%，而且還能夠顯著降低煤礦建筑工程的總體質(zhì)量，約75%。

2.3 提高煤礦建筑內(nèi)部組織的彈性，加快施工速度

在煤礦建筑工程中，通過使用材質(zhì)非常均勻的輕型鋼結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高煤礦建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織的彈性。同時，在加工與安裝輕型鋼結(jié)構(gòu)過程中，因?yàn)楣I(yè)化程度非常高，所以施工效率高、工程造價低，能夠顯著降低施工成本[4]。此外，在進(jìn)行輕型鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，主要使用干法這種施工方法，主要在施工現(xiàn)場進(jìn)行裝配施工，可以大量減少鋼筋綁扎等復(fù)雜的施工工藝，進(jìn)而可以顯著加快施工速度。

2.4 輕型鋼結(jié)構(gòu)具有十分強(qiáng)的塑性與韌性

一般來說，對于輕型鋼結(jié)構(gòu)來說，即便其承受的壓力已經(jīng)超出自身的極限承載力，也是不會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。即便發(fā)生地震災(zāi)害，因?yàn)檩p型鋼結(jié)構(gòu)具有十分強(qiáng)的塑性與韌性，所以輕型鋼結(jié)構(gòu)可以有效抵抗地震破力，能夠有效減少受到地震造成的損壞。

3 輕型鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)用

3.1 基礎(chǔ)形式的選用

（1）在煤礦建筑中，比較廣泛使用的是多層多框架的輕型鋼結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系具有多種優(yōu)勢特點(diǎn)，如自重輕、抗震性能高、施工效率高、施工工藝簡單等，同時還可以重復(fù)利用所使用的施工材料，完全符合綠色建筑施工理念。盡管這種結(jié)構(gòu)體系能夠均勻分布剛度，不過它的側(cè)向剛度并不大，極易出現(xiàn)側(cè)向位移現(xiàn)象，所以在使用多層多框架的輕型鋼結(jié)構(gòu)體系過程中，一定要結(jié)合使用剪力墻。

（2）不同的輕型鋼結(jié)構(gòu)體系的適用范圍與條件都是不一樣的。在現(xiàn)階段中進(jìn)行煤礦建筑工程施工過程中，應(yīng)根據(jù)煤礦建筑工程的自身特點(diǎn)與施工現(xiàn)場實(shí)際情況，選取相應(yīng)合適的輕型鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系。例如，在選用多層輕型鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行施工時，常常會選用剛接柱腳，不過因?yàn)榈鼗A(chǔ)的條件比較差，在這種情況下，應(yīng)根據(jù)建筑工程施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，選用片筏基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、十字形基礎(chǔ)等；如果煤礦建筑工程具有比較大的株距，在這種情況下，宜選用框架體系，主要通過在縱向或者橫向中布設(shè)多層剛接框架，以得到空間剛度和承載力；如果煤礦建筑工程的株距比較小，在這種情況下，宜選用柱支承體系，通過利用柱高，在橫向或者縱向中對框架中的梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)置支承，進(jìn)而能夠得到相應(yīng)的空間剛度與承載力。

3.2 支撐體系的選用

一般來說，對于多層多框架的輕型鋼結(jié)構(gòu)，它的側(cè)向剛度是比較弱的，不能承受較大的水平荷載，該結(jié)構(gòu)的抗震能力也是比較差的，所以為提高該結(jié)構(gòu)對水平荷載的承受能力，需要合理設(shè)置支撐體系。在煤礦建筑工程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，合理布設(shè)支撐體系。其中，支撐體系，大致可以劃分為3種形式，即橫向布置形式、縱向布置形式、斜向布置形式。與此同時，還需要根據(jù)煤礦建筑物工程的自身特點(diǎn)來合理選用支撐體系的支撐方式，如倒人字形、單斜桿支撐、偏心支撐、人字形、X形等，如圖1所示。

圖1 輕型鋼結(jié)構(gòu)中常見的支撐方式

3.3 梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式的選用

目前，在進(jìn)行煤礦建筑工程施工過程中，常常會選用剛接、半剛接、鉸接這幾種方式來連接輕型鋼結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)。①剛接，這種連接方式的安裝工藝與結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，其水平承載能力是比較好的，不過選用該連接方式時需要投入較高的制造和安裝成本；②半剛接，與剛接方式相比，半剛接的施工成本與施工難度相對要低一些，同時這種連接方式具有比較強(qiáng)的接受能力，不過很難控制其受力能力；③鉸接，這種連接方式的制造工藝與安裝工藝比較簡單，不過其水平承載能力卻比較差，常常需要通過利用剪切墻，以提高抗側(cè)剛度。在現(xiàn)階段中，剛接與鉸接的使用概率更高一些[5]。在利用剛接方式來連接煤礦建筑梁柱節(jié)點(diǎn)過程中，常常需要同時焊接柱翼緣和梁翼緣，促使其焊成一個整體，然后使用高強(qiáng)度的螺栓，對柱翼緣和梁腹板進(jìn)行連接。

3.4 樓蓋結(jié)構(gòu)的選擇

目前，在進(jìn)行煤礦建筑工程施工過程中，主要選用以下3種樓蓋結(jié)構(gòu)，即現(xiàn)澆鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力薄板結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆混凝土一壓型鋼板組合樓板結(jié)構(gòu)。其中，現(xiàn)澆混凝土一壓型鋼板組合樓板結(jié)構(gòu)是使用頻數(shù)最高的。對于現(xiàn)澆混凝土樓板和梁，當(dāng)其二者之間具有比較可靠的連接時，為提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與承載能力，一般會選用鋼筋混凝土的組合梁形式；在對梁格進(jìn)行設(shè)置過程中，常常會選用主次梁鉸接方式。在澆筑樓蓋過程中，因?yàn)槁菟A(yù)埋的位置、既定的標(biāo)高極易發(fā)生變化，所以煤礦建筑工程施工單位一定要派專門人員對施工現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)察，同時需要及時清理螺栓絲口和預(yù)埋的螺栓干[6]。

4 煤礦建筑工程在運(yùn)用輕型鋼結(jié)構(gòu)時的注意事項

4.1 輕型鋼結(jié)構(gòu)的計算與分析

針對輕型鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)使用彈性方法來計算器的作用效應(yīng)，在輕型鋼結(jié)構(gòu)受到地震的一定影響以后，該結(jié)構(gòu)會進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，此時需要計算器的變形；根據(jù)三維空間結(jié)構(gòu)來深入分析輕型鋼結(jié)構(gòu)，若為支撐結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的平面布置一般都是比較規(guī)整的，所以可以在水平荷載作用下簡化處理該空間結(jié)構(gòu)，也就是說，根據(jù)平面抗側(cè)力體系進(jìn)行深入分析，第一步要合并處理豎向支撐和框架，第二步要進(jìn)行相關(guān)的協(xié)同工作分析[7]。在整個計算過程中，相關(guān)工作人員一定要深入考慮與分析梁、柱在發(fā)生剪切變形、完全變形、軸向變形情況下受到的各種影響。

4.2 輕型鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力

鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力要顯著高于其他材質(zhì)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)大量調(diào)查資料發(fā)現(xiàn)，在很多鋼結(jié)構(gòu)建筑物中，如果抗震設(shè)計不合理，則在遇到地震災(zāi)害時，輕型鋼結(jié)構(gòu)是受損最為嚴(yán)重的，所以在進(jìn)行煤礦建筑工程設(shè)計過程中，為避免出現(xiàn)嚴(yán)重的后果，設(shè)計工作人員還是要高度重視鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力，做好輕型鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，尤其是多層、多框架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系的基本構(gòu)件、工作性能等。

4.3 梁柱的設(shè)計

對于輕型鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)壓彎與受彎構(gòu)件的設(shè)計方案來對梁、柱進(jìn)行設(shè)立設(shè)計。在煤礦建筑工程中，常常會看到工字型截面。在輕型鋼結(jié)構(gòu)中，絕大多數(shù)的彎矩是由翼緣來承擔(dān)的，絕大多數(shù)的剪應(yīng)力是由腹板來承擔(dān)的，通過上調(diào)腹板的高度，便會加大翼緣的抗彎能力，但是這種方法并不經(jīng)濟(jì)，最適合的方法就是允許腹板的局部進(jìn)行屈曲，同時充分利用其屈曲后的強(qiáng)度。

4.4 輕型鋼結(jié)構(gòu)控制方法的運(yùn)用

一般來說，對于多層的輕型鋼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的自振周期比較長，同時抗側(cè)移剛度也不高，所以難以控制該結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。在進(jìn)行煤礦建筑輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，為提高多層輕型鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力與抗風(fēng)荷載能力，應(yīng)選用抗側(cè)力構(gòu)件，但是若利用過多的抗側(cè)力構(gòu)件，盡管能夠顯著提高輕型鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力，但是這種方法并不經(jīng)濟(jì)。在最近幾年中，很多建筑工程結(jié)構(gòu)專家均對結(jié)構(gòu)減振的控制進(jìn)行了深入分析與研究，現(xiàn)已獲得較多的研究成果，其中一個顯著的研究成果就是調(diào)頻液體阻尼器，該設(shè)備具有很多優(yōu)勢特點(diǎn)，如操作簡單、用途多、便于安裝等，具有較強(qiáng)的慣性吸振能力，所以能夠顯著減小結(jié)構(gòu)振蕩響應(yīng)。

5 結(jié)語

綜上所述，因?yàn)檩p型鋼結(jié)構(gòu)具有多種優(yōu)勢特點(diǎn)，進(jìn)而被廣泛運(yùn)用于煤礦建筑工程中。在煤礦建筑工程中通過使用輕型鋼結(jié)構(gòu)，可以加快施工效率與提高施工質(zhì)量，降低施工成本，提升建筑工程結(jié)構(gòu)的美觀性，符合綠色建筑工程理念。本文對輕型鋼結(jié)構(gòu)在煤礦建筑工程中的運(yùn)用進(jìn)行了深入研究，以期對煤礦建筑工程輕型鋼結(jié)構(gòu)的施工起到一定的借鑒作用。