輕鋼結(jié)構(gòu)在煤礦廠房中的設(shè)計分析

趙風(fēng)舟

（中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，西安710054）

1 工程概述

本工程為某煤礦機(jī)修車間，鋼架跨度為21m，長67.5m，柱距7.5m，檐口高度9m，屋面坡度1∶15，內(nèi)設(shè)5t 單梁吊車1 臺，抗震設(shè)防等級7 度，第一組，二類場地，基本風(fēng)壓0.4kN/m2，基本雪壓0.25kN/m2。

2 結(jié)構(gòu)形式的確定

2.1 鋼結(jié)構(gòu)形式的確定

通長廠房的鋼結(jié)構(gòu)主要分別為：門式鋼架、鋼框架、框排架。輕型門式剛架具有自重輕、跨度大，抗震性好、抗沖擊性好、施工周期短、工業(yè)模塊式快，二次拆卸方便、環(huán)保性能高等特點(diǎn)。在設(shè)置懸掛吊車時，起重量不適合采用大于3t 的吊車，對3t 以上吊重吊車的廠房，需滿足鋼結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，通長采用門式鋼架結(jié)構(gòu)較為合理，也可以才采用鋼排架結(jié)構(gòu)。鋼排架柱的柱頂與屋架的連接可以選擇鉸接，亦可選擇剛接形式。在柱的上下兩端選用剛接更為合適，增加結(jié)構(gòu)剛度的同時，還能夠節(jié)省鋼材的用量[1]。

2.2 柱間支撐布置

在設(shè)有吊車時，需要在廠房單元中段設(shè)置柱間交叉及水平支撐，也需在廠房兩端端跨設(shè)置柱間交叉及水平支撐。根據(jù)當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度的等級不同，結(jié)構(gòu)單元的長度也需要進(jìn)行改變?？拐鹪O(shè)防烈度小于或等于7 度時，結(jié)構(gòu)縱向長度不宜大于120m；當(dāng)抗震設(shè)防烈度為8 度或9 度時，結(jié)構(gòu)縱向長度不宜大于90m。根據(jù)該項工程的設(shè)計特點(diǎn)，柱間支撐要在廠房單元的兩端端跨設(shè)置柱間交叉及水平支撐，在廠房單元中部設(shè)置上、下柱間支撐。

2.3 剛接柱腳形式的確定

鋼結(jié)構(gòu)柱腳按照結(jié)構(gòu)簡化傳力方式不同，可劃分為鉸接柱腳和剛性固定柱腳。鉸接柱腳一般僅用來傳遞豎向荷載和水平荷載，常用在輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)。剛性固定柱腳除豎向荷載和水平荷載，還應(yīng)考慮柱腳彎矩，但構(gòu)造要比鉸接柱腳更復(fù)雜，一般內(nèi)設(shè)吊車廠房宜采用此方式，使廠房整體剛度明顯提高。鋼柱柱腳按照構(gòu)造形式分為：外露式柱腳、埋入式柱腳和全包式柱腳。由此來看，這里選用外包式柱腳更為合適。

3 鋼材鋼柱的選用以及相關(guān)要求

3.1 鋼材鋼柱的選用

在選取鋼材鋼柱時要考慮多種因素，如荷載特征、結(jié)構(gòu)形式、連接方法、工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)的重要性等，還要保證承重結(jié)構(gòu)和承載能力，避免廠房出現(xiàn)脆性損壞。如果設(shè)計柱距和跨度都較小時，且屋面為輕型彩板屋面，選用Q235 鋼為鋼柱鋼材。

3.2 對于鋼材的要求

對于鋼材的要求包括以下幾方面：

1）在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限、連接材料的型號、鋼材的牌號和鋼材所需要的力學(xué)性能進(jìn)行注明。對于焊縫形式、焊縫質(zhì)量等級和施工的要求也要進(jìn)行注明。一些元素會對鋼材產(chǎn)生影響，比如，硫會增加鋼材的熱脆性，磷會增加鋼材的冷脆性，還有碳的含量雖然會提高鋼材強(qiáng)度，但同時會降低鋼材的塑形和可焊性，因此，需要限制有害元素的含量，避免對鋼材的塑形和韌性產(chǎn)生破壞。在本工程中要限制采用Q235 沸騰鋼的使用。本工程主要選用的的鋼材為Q235-B 鋼，對于限制采用沸騰鋼的要求要明顯注明。

2）對鋼材強(qiáng)度、塑形和韌性的要求。為保證鋼材結(jié)構(gòu)的塑形，對伸長率要有一定的要求。在考慮鋼材的強(qiáng)度時，選用屈服強(qiáng)度作為參考標(biāo)準(zhǔn)，抗拉強(qiáng)度控制在屈服強(qiáng)度的90%，是較為安全的選擇。冷彎試驗的合格保證及對沖擊韌性的要求是為了防止結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞而提出的，須嚴(yán)格執(zhí)行[2]。

3）設(shè)計時明確規(guī)定鋼材的沖擊韌性。本廠房為采暖房屋，有時候就算廠房的采暖系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，吊車也要繼續(xù)工作，所以吊車梁的材質(zhì)要具有良好的沖擊韌性，因此，選用Q345-C 鋼。

4 相關(guān)設(shè)計計算

4.1 設(shè)計時所用的計算軟件

本項目中的相關(guān)計算可以用結(jié)構(gòu)計算軟件PKPM，選用模塊為STS 中的框排架模塊。對強(qiáng)度計算應(yīng)力比、對應(yīng)長細(xì)比、平面內(nèi)外穩(wěn)定應(yīng)力比等都要滿足計算軟件的計算結(jié)果。同時根據(jù)注明數(shù)據(jù)，比較是否有超過正常限度的項目，如果發(fā)現(xiàn)，要立即進(jìn)行更改，調(diào)整到?jīng)]有超限項目為止。

4.2 整體的設(shè)計計算

本工程采用離散型模型和整體模型進(jìn)行對比，對離散模型而言，風(fēng)荷載偏大一些，計算結(jié)果要更保守。但在進(jìn)行平面施工圖的設(shè)計時，不便于整個樓層的繪制，只能手工進(jìn)行拼圖；在繪制梁柱施工圖紙時，沒有辦法完成樓層的合并。對整體模型而言，要把每個結(jié)構(gòu)單元定義成多塔樓，要保證計算陣型取到足夠多，使整個系統(tǒng)的有效質(zhì)量達(dá)到相關(guān)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。采用整體模型，在繪制平面施工圖、梁柱施工圖，以及傳遞基礎(chǔ)荷載等方面都比較方便。根據(jù)2 種模型的對比分析，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果相差并不大，因此，采用了整體模型計算出圖。

5 相關(guān)注意事項

相關(guān)注意事項主要有：

1）設(shè)計中明確對鋼結(jié)構(gòu)連接材料的要求。為了減少焊縫出現(xiàn)裂縫的可能，焊條在使用前須烘干，焊條烘干時對烘干時間、烘干溫度、烘干后使用的時限都有嚴(yán)格的要求，焊縫高度應(yīng)滿足規(guī)范的最小及最大要求，焊縫的長度也應(yīng)滿足最短最長要求。

2）對螺栓間距的部分要求。螺栓間距不宜設(shè)置過大，否則會導(dǎo)致連接板連接不緊密，有縫隙出現(xiàn)，更嚴(yán)重還會出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)的耐久性；如螺栓間距設(shè)置過小，則可能會出現(xiàn)連接板被剪斷的現(xiàn)象。因此，螺栓間距的設(shè)置必須嚴(yán)格按照相關(guān)設(shè)計的規(guī)定。

3）鋼結(jié)構(gòu)柱腳會銹蝕，為了滿足耐久性的要求，必須用素混凝土包裹。

4）相關(guān)防腐的問題。主要是結(jié)合廠房所在的環(huán)境再依據(jù)易被腐蝕的介質(zhì)會對生產(chǎn)廠房產(chǎn)生的各種作用條件來設(shè)計。在眾多結(jié)構(gòu)中，主廠房的濕度更大，就需要更強(qiáng)的室內(nèi)抗腐措施來提高它的耐腐性的能力。生產(chǎn)環(huán)境差是導(dǎo)致2 年內(nèi)廠房的鋼構(gòu)件表面會有不同程度的腐銹現(xiàn)象。要使整個生產(chǎn)線能正常地運(yùn)行，每隔2 年就需要有固定的工作人員為廠房來一次大型的防腐維修，且維護(hù)費(fèi)用會高達(dá)30 萬～50 萬元。在工程還處于設(shè)計階段時，就需要提前做好防護(hù)措施，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

5）對于振動產(chǎn)生的影響。為了減弱或消除設(shè)備振動產(chǎn)生的不利影響，主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計首先考慮增大振動梁的剛度，可從減小梁的計算跨度，調(diào)整梁的高度，使其頻率小于0.7 倍或大于1.3 倍設(shè)備震動頻率。特別是樓板的剛度，采用壓型鋼板-鋼筋混凝土組合樓板，樓板鋼筋宜盡量通長布置，對于設(shè)備振動較大處的樓板，正負(fù)鋼筋均應(yīng)拉通設(shè)置，這樣可以增大樓板整體的剛度，減小因振動導(dǎo)致樓板出現(xiàn)開裂的概率。

6 結(jié)語

廠房的設(shè)計是一項很復(fù)雜的工作，它需要結(jié)合設(shè)計者和煤礦、機(jī)制專業(yè)的配合，其中的各個環(huán)節(jié)緊密相扣，有一環(huán)出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致設(shè)計失敗，尤其是對主廠房的設(shè)計，結(jié)構(gòu)人員在進(jìn)行初步設(shè)計時就要積極地參與到工作中，只有經(jīng)歷每一步驟，詳細(xì)了解每一環(huán)節(jié)的真實數(shù)據(jù)，才能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)和工藝相結(jié)合。