轻钢结构在煤矿厂房中的设计分析

赵风舟

（中煤西安设计工程有限责任公司，西安710054）

1 工程概述

本工程为某煤矿机修车间，钢架跨度为21m，长67.5m，柱距7.5m，檐口高度9m，屋面坡度1∶15，内设5t 单梁吊车1 台，抗震设防等级7 度，第一组，二类场地，基本风压0.4kN/m2，基本雪压0.25kN/m2。

2 结构形式的确定

2.1 钢结构形式的确定

通长厂房的钢结构主要分别为：门式钢架、钢框架、框排架。轻型门式刚架具有自重轻、跨度大，抗震性好、抗冲击性好、施工周期短、工业模块式快，二次拆卸方便、环保性能高等特点。在设置悬挂吊车时，起重量不适合采用大于3t 的吊车，对3t 以上吊重吊车的厂房，需满足钢结构的侧向刚度，通长采用门式钢架结构较为合理，也可以才采用钢排架结构。钢排架柱的柱顶与屋架的连接可以选择铰接，亦可选择刚接形式。在柱的上下两端选用刚接更为合适，增加结构刚度的同时，还能够节省钢材的用量[1]。

2.2 柱间支撑布置

在设有吊车时，需要在厂房单元中段设置柱间交叉及水平支撑，也需在厂房两端端跨设置柱间交叉及水平支撑。根据当地抗震设防烈度的等级不同，结构单元的长度也需要进行改变。抗震设防烈度小于或等于7 度时，结构纵向长度不宜大于120m；当抗震设防烈度为8 度或9 度时，结构纵向长度不宜大于90m。根据该项工程的设计特点，柱间支撑要在厂房单元的两端端跨设置柱间交叉及水平支撑，在厂房单元中部设置上、下柱间支撑。

2.3 刚接柱脚形式的确定

钢结构柱脚按照结构简化传力方式不同，可划分为铰接柱脚和刚性固定柱脚。铰接柱脚一般仅用来传递竖向荷载和水平荷载，常用在轻型门式钢架结构。刚性固定柱脚除竖向荷载和水平荷载，还应考虑柱脚弯矩，但构造要比铰接柱脚更复杂，一般内设吊车厂房宜采用此方式，使厂房整体刚度明显提高。钢柱柱脚按照构造形式分为：外露式柱脚、埋入式柱脚和全包式柱脚。由此来看，这里选用外包式柱脚更为合适。

3 钢材钢柱的选用以及相关要求

3.1 钢材钢柱的选用

在选取钢材钢柱时要考虑多种因素，如荷载特征、结构形式、连接方法、工作环境和结构的重要性等，还要保证承重结构和承载能力，避免厂房出现脆性损坏。如果设计柱距和跨度都较小时，且屋面为轻型彩板屋面，选用Q235 钢为钢柱钢材。

3.2 对于钢材的要求

对于钢材的要求包括以下几方面：

1）在钢结构设计过程中，要对建筑结构的设计使用年限、连接材料的型号、钢材的牌号和钢材所需要的力学性能进行注明。对于焊缝形式、焊缝质量等级和施工的要求也要进行注明。一些元素会对钢材产生影响，比如，硫会增加钢材的热脆性，磷会增加钢材的冷脆性，还有碳的含量虽然会提高钢材强度，但同时会降低钢材的塑形和可焊性，因此，需要限制有害元素的含量，避免对钢材的塑形和韧性产生破坏。在本工程中要限制采用Q235 沸腾钢的使用。本工程主要选用的的钢材为Q235-B 钢，对于限制采用沸腾钢的要求要明显注明。

2）对钢材强度、塑形和韧性的要求。为保证钢材结构的塑形，对伸长率要有一定的要求。在考虑钢材的强度时，选用屈服强度作为参考标准，抗拉强度控制在屈服强度的90%，是较为安全的选择。冷弯试验的合格保证及对冲击韧性的要求是为了防止结构发生脆性破坏而提出的，须严格执行[2]。

3）设计时明确规定钢材的冲击韧性。本厂房为采暖房屋，有时候就算厂房的采暖系统出现了问题，吊车也要继续工作，所以吊车梁的材质要具有良好的冲击韧性，因此，选用Q345-C 钢。

4 相关设计计算

4.1 设计时所用的计算软件

本项目中的相关计算可以用结构计算软件PKPM，选用模块为STS 中的框排架模块。对强度计算应力比、对应长细比、平面内外稳定应力比等都要满足计算软件的计算结果。同时根据注明数据，比较是否有超过正常限度的项目，如果发现，要立即进行更改，调整到没有超限项目为止。

4.2 整体的设计计算

本工程采用离散型模型和整体模型进行对比，对离散模型而言，风荷载偏大一些，计算结果要更保守。但在进行平面施工图的设计时，不便于整个楼层的绘制，只能手工进行拼图；在绘制梁柱施工图纸时，没有办法完成楼层的合并。对整体模型而言，要把每个结构单元定义成多塔楼，要保证计算阵型取到足够多，使整个系统的有效质量达到相关的规定标准。采用整体模型，在绘制平面施工图、梁柱施工图，以及传递基础荷载等方面都比较方便。根据2 种模型的对比分析，发现计算结果相差并不大，因此，采用了整体模型计算出图。

5 相关注意事项

相关注意事项主要有：

1）设计中明确对钢结构连接材料的要求。为了减少焊缝出现裂缝的可能，焊条在使用前须烘干，焊条烘干时对烘干时间、烘干温度、烘干后使用的时限都有严格的要求，焊缝高度应满足规范的最小及最大要求，焊缝的长度也应满足最短最长要求。

2）对螺栓间距的部分要求。螺栓间距不宜设置过大，否则会导致连接板连接不紧密，有缝隙出现，更严重还会出现锈蚀现象，影响结构的耐久性；如螺栓间距设置过小，则可能会出现连接板被剪断的现象。因此，螺栓间距的设置必须严格按照相关设计的规定。

3）钢结构柱脚会锈蚀，为了满足耐久性的要求，必须用素混凝土包裹。

4）相关防腐的问题。主要是结合厂房所在的环境再依据易被腐蚀的介质会对生产厂房产生的各种作用条件来设计。在众多结构中，主厂房的湿度更大，就需要更强的室内抗腐措施来提高它的耐腐性的能力。生产环境差是导致2 年内厂房的钢构件表面会有不同程度的腐锈现象。要使整个生产线能正常地运行，每隔2 年就需要有固定的工作人员为厂房来一次大型的防腐维修，且维护费用会高达30 万～50 万元。在工程还处于设计阶段时，就需要提前做好防护措施，避免不必要的经济损失。

5）对于振动产生的影响。为了减弱或消除设备振动产生的不利影响，主厂房结构设计首先考虑增大振动梁的刚度，可从减小梁的计算跨度，调整梁的高度，使其频率小于0.7 倍或大于1.3 倍设备震动频率。特别是楼板的刚度，采用压型钢板-钢筋混凝土组合楼板，楼板钢筋宜尽量通长布置，对于设备振动较大处的楼板，正负钢筋均应拉通设置，这样可以增大楼板整体的刚度，减小因振动导致楼板出现开裂的概率。

6 结语

厂房的设计是一项很复杂的工作，它需要结合设计者和煤矿、机制专业的配合，其中的各个环节紧密相扣，有一环出现问题都会导致设计失败，尤其是对主厂房的设计，结构人员在进行初步设计时就要积极地参与到工作中，只有经历每一步骤，详细了解每一环节的真实数据，才能够将结构和工艺相结合。