轻钢结构在煤矿地面建筑中的运用

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轻钢结构是采用轧制或焊接钢材为主要承重结构，以薄壁型钢做檩条，以轻质墙体为围护结构的新型结构体系。具有建筑空间布置灵活、抗震性能好、协调变形能力强、结构安全度高、便于工厂化加工、施工周期短等优点，广泛应用于煤矿地面建筑。而钢材、跨度、柱距、檐口高度以及有无吊车等，这些因素对轻结构的使用、安全和造价都有很大影响。下面就轻钢结构在煤矿地面建筑的合理设计进行简要探讨。

1煤矿地面建筑的特点

煤矿地面建筑生产区的大多数建筑物都具有层数底、跨度大、吊车吨位较小（20t以下）等特点，如做成传统的混凝土结构会存在结构布置复杂、构件截面尺寸较大、施工困难大、工期长、投资高等缺点。如采用轻钢结构，完全可以避免以上缺点。煤矿地面建筑可以采用轻钢结构的建筑单体有：主副井井口房、主副井提升机房、输煤栈桥、转卸载点、储煤棚、通风机房、空压机房、制氮机房、综采机修车间、材料库、水处理车间等。这些建筑中除输煤栈桥采用钢桁架外，其余均可以采用门式刚架结构。

2建筑钢材的选用

钢材的选取时，起强度控制作用的钢梁、钢柱应选用高强度Q345型钢材，其余挠度和构造等控制的构件如檩条、支撑、系杆等采用Q235型钢。这样可以充分发挥高强钢材的性能，有效的节约钢材15%~25%。

3刚架跨度的确定

刚架跨度的确定要从工艺尺寸、吊车参数、井架宽度、安全疏散尺寸等因素综合考虑，其次经过计算比较，门式刚架较经济的用钢量跨度约在21~24m之间。当跨度超过30m后，用钢量的增幅率将明显增大，门式刚架合理的最大跨度不宜大于36m。所以在方案设计时，在满足使用功能的情况下，同样面积的钢结构建筑通过调跨度尺寸来进行优化，如工艺专业要求的材料库，建筑面积为945m2，应布置成跨度21m，长度45m而不布置成跨度30m，长度31.5m，这样可以使跨度最经济，从而可以降低工程造价。

4刚架柱距的选取

刚架柱距的选取首先要满足工艺设备、功能等要求，如井口房的柱距应根据暖风道、安全通道、安全出口、井架基础等因素综合确定。储煤棚的柱距应根据运煤栈桥的位置、运煤车辆的尺寸等因素确定。其次要考虑工程造价，选取最优柱距。在工程中柱距的大小决定次结构构件的数量，将直接影响加工、安装工程量。刚架柱距宜为6~9m，且在此范围，随着柱距的增大，刚架的用钢量是逐渐下降的，但当大于9m时，檩条、吊车梁、墙梁、支撑等构件的用钢量会随着柱距的加大而增加。所有在设计时，在满足功能要求时尽量采用合理较大柱距，减少构件数量。

5檐口高度的确定

不论柱距、跨度及钢号如何，檐口高度的增加，均会引起总用钢量的增加。在常用跨度及柱距条件下，檐高由6m增为8m时，总用钢量的增幅约为12%~16%。在风荷载较大地区，此影响程度会更加大。所以在设计工程中与相关工艺专业提前沟通，在满足使用的条件下，尽量控制檐口的高度，可以有效控制工程造价。

6建筑内吊车的设置

同样尺寸的门式刚架，设置吊车和不设吊车的总用钢量（包括刚架与吊车梁等主次结构）有很大差别。一般在井井口房、综采机修间、空压机房、制氮机房、材料库内需设置吊车，其余建筑内可以不设，所以在具体设计时，要积极和工艺专业沟通并查阅相关规范，对规范明确规定不要求设置吊车的建筑，尽量不要设置。

7钢梁、柱的设计

钢梁、钢柱可采用等截面或变截面，当建筑内设置吊车时钢柱宜设置成等截面，钢梁的高度一般可取跨度的1/45~1/30，当跨度大于24m或荷载大于0.5kN/m2时，取大值，否则取小值。最理想的钢梁钢柱截面是随着弯矩做合理调整。

8抗风柱的设计

抗风柱是门式刚架中传递纵向风荷载的重要构件。众所周知，门式刚架中屋面支撑与柱间支撑等共同组成空间不变体系，能增强平面内外稳定性，传递水平风荷载。屋面支撑若在抗风柱处不断开，则水平风荷载会传力到屋面梁，于是加重了钢梁的负担，此时要验算钢梁的稳定性。抗风柱若做成悬臂梁，则墙面与柱边的变形不一致，对墙不利，所以抗风柱与梁应用弹簧板连接，不仅能更好地传递水平力，而且竖向荷载不会传递到抗风柱。抗风柱基础若做成刚接，基础会比较大，做成铰接更合理。抗风柱位置的设置也要根据建筑的功能做合理的调整，如主、副井井口房抗风柱位置的设计尤其复杂。不仅要从结构本身的合理性考虑，还要根据暖风道、安全通道、管子通道、输煤栈桥等因素综合确定。

9输煤栈桥的钢桁架

在煤矿地面建筑中，输煤栈桥作为主要的运煤通道，大多横跨矿区道路、建筑等，需要做成大跨度钢结构。当栈桥的底端高度大于20m时、跨度大于10m时做成钢桁架更合理。钢桁架栈桥包括普通型钢栈桥和钢管空心球节点栈桥，普通型钢栈桥采用角钢、工字钢，H型钢焊接而成，节点较为复杂，施工较为麻烦，但受力性能很好，不会因某个杆件屈服造成整体垮塌；钢管空心球节点栈桥采用钢管和空心球，心对心对接焊，节点较为简单，施工较为方便，但有一处杆件屈服破坏，整个桁架有可能整体垮塌，且费用高。所以在设计中采用普通型钢桁架栈桥更安全。

10合理利用建筑的下部结构

水处理车间是为满足环保要求，对矿井水进行处理的建筑，该建筑的特点是下部是水池，上部是处理车间。如将上部车间和水池分开做，单独为厂房设置独立基础，不仅使厂房面积加大，同时由于新增的基础会造成很大的浪费。如在设计时能充分的利用下部水池结构，将上部车间钢柱置于池壁顶，这样上部传来的荷载由池壁承担。经结构计算，抗弯、抗剪、冲切等各项计算指标均满足要求，此方案完全可行，不仅满足了功能要求，同时也节省了造价和工期。

11钢结构的后期维护

由于钢结构耐火性差，易锈蚀，防火涂料费用较高，目前钢结构的防火和防锈费用占据工程造价的10%。设计时可以根据建筑物的耐火等级，各构件不同的耐火极限要求，合理选用既能满足除锈功能又能达到防火要求合二为一的涂层。这样也可以有效的控制工程的造价。

12基础的布置

优先选择天然地基、独立基础，这样传力路径短，比较经济。如建筑物处于地质软弱又不均匀的场地，采用独立基础不能满足承载力或沉降的要求时，可先进行地基处理，并采用筏板基础。当荷载大、持力层较深时，应采用桩基础。但费用较高，这时可以通过加大柱距、减小桩基数量来降低工程造价。根据以上分析，在煤矿地面建筑结构的设计时，可以充分考虑采用轻钢结构。在钢结构的具体设计中，应根据生产工艺的要求，建筑功能的特点，选取适宜的材质，合理的跨度、柱距，控制好檐口高度，并结合影响工程造价的其他因素，使得钢结构设计即美观适用又经济合理。

参考文献

[1]煤炭工业矿井设计规范：GB50215-2015.

[2]煤矿矿井建筑结构设计规范：GB50592-2010.

[3]钢结构设计标准：GB50017-2017.

[4]门式刚架轻型房屋钢结构技术规范：GB51022-2015.

[5]建筑地基基础设计规范：GB50007-2011.

作者:芦珍明 单位:山西安煤矿业设计工程有限公司