45m跨度鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤棚設(shè)計(jì)探討

劉健康

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

隨著社會(huì)對(duì)能源、基礎(chǔ)建設(shè)需求的日益增加，煤炭仍為各行業(yè)所需的主要資源，如果煤炭露天堆放，將產(chǎn)生大量的煤塵污染環(huán)境，影響人們的身體健康，浪費(fèi)資源[1]，同時(shí)還將受到環(huán)保部門的處罰，甚至勒令停產(chǎn)。為減少環(huán)境污染，節(jié)約資源，需建設(shè)封閉儲(chǔ)煤棚進(jìn)行覆蓋。本文以山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭前灣煤業(yè)有限公司的儲(chǔ)煤場(chǎng)封閉改造為實(shí)際背景，對(duì)封閉儲(chǔ)煤棚的建筑外觀、結(jié)構(gòu)體系、地基基礎(chǔ)三方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。建筑外觀設(shè)計(jì)兼顧考慮了儲(chǔ)煤棚的通風(fēng)，結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)充分運(yùn)用了鋼結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用樁基跨越法成功避開了儲(chǔ)煤場(chǎng)下的過水涵洞。該儲(chǔ)煤棚的設(shè)計(jì)解決了建設(shè)方露天儲(chǔ)煤的難題，同時(shí)也為類似工程的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

因環(huán)境保護(hù)需要，現(xiàn)需在山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭前灣煤業(yè)有限公司的儲(chǔ)煤場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置封閉儲(chǔ)煤棚一座，儲(chǔ)煤容量為20000t，經(jīng)計(jì)算儲(chǔ)煤棚跨度需45m，長度需70m。儲(chǔ)煤棚設(shè)計(jì)擬采用兩種方案，方案一為主體鋼排架+屋面鋼網(wǎng)架方案，方案二為主體鋼排架+屋面鋼屋架方案。方案一的屋面鋼網(wǎng)架從受力上分析屬于空間結(jié)構(gòu)體系，計(jì)算時(shí)要考慮整體受力和空間變形，使用在45m×70m平面尺寸的儲(chǔ)煤棚中不經(jīng)濟(jì)，發(fā)揮不了網(wǎng)架空架結(jié)構(gòu)的作用[1，2]，同時(shí)鋼網(wǎng)架安裝時(shí)需大量搭設(shè)腳手架，儲(chǔ)煤場(chǎng)地內(nèi)的運(yùn)煤車輛將無法通行，從而影響煤炭的運(yùn)輸和銷售，故放棄方案一。方案二的屋面鋼屋架從受力上分析屬于單向受力結(jié)構(gòu)，僅需計(jì)算平面內(nèi)的強(qiáng)度和穩(wěn)定，平面外的穩(wěn)定主要依靠支撐和系桿來承擔(dān)，且能滿足荷載的橫向傳遞，經(jīng)濟(jì)合理[3-6]，同時(shí)鋼屋架安裝時(shí)可以分榀吊裝，能保證運(yùn)煤車輛的通行，不影響煤炭的運(yùn)輸和銷售，故采用方案二。

2 建筑設(shè)計(jì)

2.1 地形特點(diǎn)、擋煤墻與墻體圍護(hù)

儲(chǔ)煤場(chǎng)地的北側(cè)有一條寬約6m的地下排水涵洞從場(chǎng)地內(nèi)通過，涵洞為拱形斷面，為料石砌筑，東部埋深約2m，西部埋深約1m。由于儲(chǔ)煤場(chǎng)地南側(cè)倚山，北側(cè)靠近鄉(xiāng)臺(tái)公路，場(chǎng)地有限，無法避開排水涵洞，需在后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)考慮儲(chǔ)煤棚的基礎(chǔ)避開涵洞。該儲(chǔ)煤棚鋼排架共設(shè)10榀，兩端鋼排架間距為7m，其余每榀間距為8m。儲(chǔ)煤棚設(shè)計(jì)需將西側(cè)現(xiàn)有的卸煤溜槽罩入其中，故根據(jù)卸煤溜槽的高度確定儲(chǔ)煤棚的檐口高度為22.5m。

儲(chǔ)煤棚內(nèi)側(cè)需設(shè)置擋煤墻，根據(jù)儲(chǔ)煤容量及堆煤的自然傾角計(jì)算出所需擋煤墻高度為2m，擋煤墻為矩形斷面，采用當(dāng)?shù)氐拿鲜M(jìn)行砌筑，寬度為0.8m，擋煤墻與鋼排架柱脫開。儲(chǔ)煤棚墻體標(biāo)高2.3m以上采用單層壓型鋼板墻體圍護(hù)，標(biāo)高2.3m以下不圍護(hù)，標(biāo)高2.3m以下部位可由儲(chǔ)煤棚內(nèi)側(cè)的擋煤墻圍護(hù)。擋煤墻頂部考慮消防人員通行和疏散，在擋煤墻頂部設(shè)安全防護(hù)欄桿，每隔一定距離，在擋煤墻內(nèi)外側(cè)設(shè)上下?lián)趺簤Φ呐捞?。?chǔ)煤棚標(biāo)高2.3m以下部位無圍護(hù)墻體的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于：一是設(shè)在擋煤墻外側(cè)的爬梯方便人員疏散通行；二是儲(chǔ)煤中產(chǎn)生的瓦斯等氣體可以進(jìn)行自然排放，不易集聚；三是利用擋煤墻兼做圍護(hù)，在節(jié)省圍護(hù)材料的同時(shí)滿足了環(huán)保要求，可謂一舉三得。

2.2 采光設(shè)置及屋面排水

參考《煤礦礦井建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]3.2.1條，該儲(chǔ)煤棚的采光等級(jí)為Ⅴ級(jí)。根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8]，采光等級(jí)為Ⅴ級(jí)時(shí)，側(cè)面采光窗地面積比為1/10，頂部采光窗地面積比為1/23。由于該儲(chǔ)煤棚跨度較大，需采用側(cè)面開窗和屋面設(shè)采光帶結(jié)合的采光方案。

根據(jù)《屋面工程技術(shù)規(guī)范》[9]，該儲(chǔ)煤棚的排水方式為有組織內(nèi)排水，屋面兩側(cè)找坡，坡度為1/15，不小于規(guī)范中金屬板屋面設(shè)計(jì)時(shí)排水坡度不小于5%的要求。由于該儲(chǔ)煤棚位于山區(qū)，降雨量較多，屋面落水管按屋面面積每150 ～180m2設(shè)一個(gè)，即每個(gè)鋼柱位置處各設(shè)一個(gè)。

2.3 安全疏散及防火

該儲(chǔ)煤棚為單層廠房，儲(chǔ)煤棚內(nèi)的堆煤為原煤，根據(jù)《煤礦礦井建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》該儲(chǔ)煤棚的生產(chǎn)類別為丙類，建筑耐火等級(jí)為二級(jí)。儲(chǔ)煤棚總建筑面積為3208m2，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[10]表3.3.1，按一個(gè)防火分區(qū)考慮。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)表3.7.4，儲(chǔ)煤棚內(nèi)任一點(diǎn)至最近安全出口的直線距離不大于80m。結(jié)合車輛運(yùn)煤要求，在儲(chǔ)煤棚的西側(cè)設(shè)一個(gè)車輛出入出口，在東側(cè)設(shè)兩個(gè)車輛出入出口。考慮到儲(chǔ)煤棚內(nèi)堆滿煤發(fā)生火災(zāi)險(xiǎn)情時(shí)人員不便疏散，又在四周的擋煤墻內(nèi)外側(cè)每隔一段距離設(shè)有爬梯，以更快的方便人員疏散。

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》3.2.1、3.2.10條規(guī)定，采用刷(噴)薄涂型防火涂料的方法使儲(chǔ)煤棚的鋼梁、鋼柱、鋼屋架等屋頂承重構(gòu)件的耐火極限分別達(dá)到1.5h、2.0h、1.0h。儲(chǔ)煤棚平面及剖面如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)煤棚平面及剖面圖(mm)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)資料

該儲(chǔ)煤棚所在地的抗震設(shè)防烈度為7度，第三組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。該儲(chǔ)煤棚的抗震設(shè)防類別為丙類，按7度抗震設(shè)防。

該煤礦剩余服務(wù)年限為3～5a，儲(chǔ)煤棚的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)與煤礦的剩余服務(wù)年限相適應(yīng)，考慮到服務(wù)年限期滿后該儲(chǔ)煤棚改為其他用途房屋的可能性，儲(chǔ)煤棚的設(shè)計(jì)使用年限取為25a，安全等級(jí)為二級(jí)。

3.2 單榀鋼排架計(jì)算分析

該儲(chǔ)煤棚的鋼屋架設(shè)計(jì)為梯形，按鋼桁架進(jìn)行受力分析，桁架中上下弦桿和腹桿均為鉸接連接。梯形鋼屋架支座端設(shè)在鋼排架柱頂，與排架柱鉸接連接。鉸接連接可保證鋼屋架支座端不給排架柱頂傳遞彎矩，減小排架柱的斷面尺寸，排架柱下部與基礎(chǔ)剛接，單榀鋼排架計(jì)算如圖2所示。

圖2 單榀鋼排架計(jì)算簡圖(mm)

3.2.1 荷載取值

屋面恒荷載：0.5kN/m2(含檁條)；屋面活荷載：0.30kN/m2(不上人屋面)；基本雪壓：0.15kN/m2(重現(xiàn)期R=10a)；0.25kN/m2(重現(xiàn)期R=50a)；基本風(fēng)壓：0.25kN/m2(重現(xiàn)期R=10a)；0.40kN/m2(重現(xiàn)期R=50a)；積灰荷載：0.50kN/m2，地面粗糙度類別為B類；地震作用：僅計(jì)算水平地震作用，不考慮豎向地震作用。

本煤棚的設(shè)計(jì)使用年限為25a，基本雪壓近似按內(nèi)插計(jì)算取為0.19kN/m2(重現(xiàn)期R=25a)，基本風(fēng)壓近似按內(nèi)插計(jì)算取為0.31kN/m2(重現(xiàn)期R=25a)。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[11]屋面活荷載與風(fēng)荷載(風(fēng)荷載與雪荷載的大值)組合；積灰荷載與屋面活荷載(雪荷載與活荷載的大值)組合。

3.2.2 計(jì)算模型

根據(jù)單榀鋼排架計(jì)算簡圖，采用中國建筑科學(xué)研究院編制的PKPM-STS軟件(2010 V2.2版本)進(jìn)行單榀整體建模計(jì)算分析。鋼排架柱的平面外計(jì)算長度需根據(jù)柱間剛性系桿的間距進(jìn)行修改，平面外穩(wěn)定如不滿足，需減少柱間剛性系桿的間距。通過計(jì)算，鋼排架柱所需截面尺寸為H850mm×400mm×10mm×20mm，梯形鋼屋架的上、下弦桿均為雙角鋼組合2L200mm×125mm×14mm，支座附近的斜腹桿為雙角鋼組合 2L100mm×10mm，其余豎腹桿為雙角鋼組合2L70mm×7mm，鋼材型號(hào)均為Q235B。

3.3 屋架支撐

屋架支撐包括上、下弦橫向水平支撐、下弦縱向水平支撐、垂直支撐和水平系桿[12]。

3.3.1 上、下弦橫向水平支撐

為了保證屋架上弦桿在平面外的穩(wěn)定和屋蓋縱向水平剛度，同時(shí)還作為山墻抗風(fēng)柱頂端的水平支座，承受由山墻傳來的風(fēng)荷載和其他縱向水平荷載，并將其傳向儲(chǔ)煤棚的縱向柱列，需設(shè)置上弦橫向水平支撐。下弦橫向水平支撐設(shè)置的作用同樣是將山墻傳來的風(fēng)荷載及縱向水平荷載傳至縱向柱列，同時(shí)還防止屋架下弦有側(cè)向振動(dòng)的發(fā)生。

該儲(chǔ)煤棚在結(jié)構(gòu)單元兩端第一柱間屋架上、下弦各設(shè)一道橫向支撐，由于儲(chǔ)煤棚為70m的較長結(jié)構(gòu)單元，在儲(chǔ)煤棚的中部屋架上、下弦增設(shè)一道橫向支撐。上、下弦橫向水平支撐均設(shè)置在同一柱間，以形成空間桁架體系。

3.3.2 下弦縱向水平支撐

為了加強(qiáng)屋蓋的橫向水平剛度，需在屋架下弦的第一節(jié)間設(shè)置縱向水平支撐。下弦縱向水平支撐和下弦橫向水平支撐形成了封閉的水平支撐系統(tǒng)，保證了儲(chǔ)煤棚的空間剛度。

3.3.3 垂直支撐和水平系桿

垂直支撐的作用是保證屋架承受荷載后在平面外的穩(wěn)定并傳遞縱向水平力，與下弦橫向水平支撐布置在同一柱間內(nèi)。水平系桿分為上、下弦水平系桿。上弦水平系桿可保證屋架上弦的側(cè)向穩(wěn)定，下弦水平系桿可防止屋架有水平振動(dòng)時(shí)下弦發(fā)生側(cè)向顫動(dòng)。在未設(shè)置垂直支撐的屋架間，在相應(yīng)于垂直支撐平面內(nèi)的屋架上、下弦節(jié)點(diǎn)處，設(shè)置通長的水平系桿。設(shè)在屋架上、下弦端部節(jié)點(diǎn)的系桿、屋架上弦跨中屋脊節(jié)點(diǎn)的系桿以及橫向支撐中的系桿均采用剛性系桿，其余系桿為柔性系桿。屋架支撐布置如圖3所示。

圖3 屋架支撐布置圖(mm)

3.4 柱間支撐及抗風(fēng)柱

柱間支撐是該縱向平面鋼排架柱中的最主要抗側(cè)力構(gòu)件，其作用是承受由抗風(fēng)柱和屋蓋橫向水平支撐傳來的山墻風(fēng)載，由屋蓋結(jié)構(gòu)傳來的縱向水平地震作用，并將它們傳給基礎(chǔ)。另外，柱間支撐還能提高廠房結(jié)構(gòu)的縱向剛度?？紤]到該儲(chǔ)煤棚的排架柱高度較高，為保證排架柱的平面外穩(wěn)定，在每個(gè)柱間設(shè)置三道剛性系桿。

抗風(fēng)柱將山墻分成幾個(gè)區(qū)段，山墻受到的風(fēng)荷載，一部分(靠近縱向柱列區(qū)段)直接傳給縱向柱列，另一部分經(jīng)抗風(fēng)柱下端傳給基礎(chǔ)和經(jīng)抗風(fēng)柱上端通過屋蓋系統(tǒng)傳至縱向柱列。

抗風(fēng)柱上端同時(shí)與屋架上、下弦鉸接，為防止抗風(fēng)柱與屋架沉降不均勻時(shí)產(chǎn)生不利影響，上端鉸接處采用豎向可以移動(dòng)、水平方向有較大剛度的彈簧板連接?？紤]到抗風(fēng)柱的高度同樣較高，抗風(fēng)柱下端與基礎(chǔ)鉸接，同時(shí)為保證抗風(fēng)柱的平面外穩(wěn)定，在抗風(fēng)柱間也設(shè)置剛性系桿和柱間支撐。柱間支撐及抗風(fēng)柱布置如圖4所示。

圖4 柱間支撐及抗風(fēng)柱布置圖(mm)

4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.1 土層情況

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，該儲(chǔ)煤棚所在地土層自上而下依次為：①雜填土：含有大量煤渣、煤矸石，含有少量碎石塊，填埋時(shí)間十五年左右，工程地質(zhì)性質(zhì)差，該層層厚0.40～4.60m；②混合土：細(xì)?；旌贤镣临|(zhì)以粉質(zhì)粘土為主，粗粒土中以砂巖碎石為主，層厚10.50～14.9m。地基承載力特征值fak=130kPa，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=60kPa；③泥巖：強(qiáng)風(fēng)化，巖體破碎，巖心呈塊狀、短柱狀。層厚0.70～7.40m，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=120kPa，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=1000kPa；④砂巖：強(qiáng)風(fēng)化，巖體較破碎，巖心呈短柱狀，該層未揭露層底。極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=150kPa，極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=1200kPa。

該工程在勘探深度范圍內(nèi)無地下水分布，本區(qū)為季節(jié)性凍土地區(qū)，場(chǎng)地土的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為0.63m。

4.2 地基處理

由于儲(chǔ)煤棚長度及跨度較大，如采用獨(dú)立基礎(chǔ)，則地基持力層多為②層混合土，部分處于①層雜填土，厚度不均、變化較大，若采用全部開挖后換填墊層處理則增加了施工難度和工程造價(jià)，且影響了施工工期，同時(shí)獨(dú)立基礎(chǔ)將無法避開場(chǎng)地北側(cè)的過水涵洞。經(jīng)綜合分析，采用樁基處理，要求樁端嵌入④層砂巖內(nèi)的深度不小于1.0m。對(duì)于未影響過水涵洞的基礎(chǔ)采用兩樁+承臺(tái)，對(duì)于影響過水涵洞的基礎(chǔ)采用三樁+承臺(tái)調(diào)整或四樁+承臺(tái)跨越法處理，抗風(fēng)柱下采用單樁處理即可，對(duì)于設(shè)置柱間支撐部位的柱下承臺(tái)之間設(shè)承臺(tái)拉梁。樁基承臺(tái)布置如圖5所示。

圖5 樁基承臺(tái)布置圖(mm)

5 結(jié) 語

該儲(chǔ)煤棚目前已建設(shè)完成并投入使用，使用效果良好。設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格按照規(guī)范要求，注重概念設(shè)計(jì)，充分做到與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的結(jié)合，成功避開了基礎(chǔ)對(duì)過水涵洞的影響，為建設(shè)方解決了技術(shù)難題，對(duì)以后類似大跨度儲(chǔ)煤棚工程的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。