轻型钢结构在煤矿厂房中的设计分析

王俊华

（晋能控股煤业集团虎龙沟煤业有限公司，山西 朔州 038300）

以往由于煤矿建筑对于结构形式的要求，钢结构在煤矿建筑中的应用不太多。当前基于轻型钢结构钢材料具有高强度、大承载力、强抗震性的优点，其在煤矿建筑及相关厂房中的应用越来越多。轻型钢结构材料的应用可以有效降低钢材的使用量，提高建筑施工质量，缩短建筑工期，降低建筑物的生产成本，为煤矿的开采和生产提供必要保障。本文以虎龙沟煤矿设备机修车间厂房工程为案例，对轻型钢结构在煤矿厂房中的设计实践进行应用研究。

1 工程概况

晋能控股煤业集团虎龙沟煤矿（全文简称虎龙沟煤矿）位于怀仁县云中镇，矿井井田面积为12.2147 km2，矿井保有储量为14389.8万t，设计可采储量为13845.7万t，服务年限为55年。矿井开拓方式为斜井开拓，主要运输方式为带式输送机,辅助运输为无极调速机械绞车，矿井生产布局为一井一面,综采采用走向长壁后退式综采放顶煤工作面，工作面顶板管理为全部垮落法。该煤矿机修车间建设项目位于矿区北侧，该项目的开工建设对缓解矿区机修工作压力，提高矿区机修能力，保障矿井的生产接续具有里程碑的意义。机修车间采用轻型钢结构材料，梯形钢屋架跨度为24 m，长度66 m，柱距6 m，屋盖拟采用钢结构有檩体系，屋面采用100 mm厚的岩棉彩钢保温板，屋面坡度为1∶15，内设20 t双梁式吊车1台，抗震设防烈度7度，地震分组为第一组，二类场地，基本风压σ0=0.55 kN/m2，基本雪压σ0=0.25 kN/m2。

2 结构形式的确定

2.1 门式刚架

基于轻型门式刚架结构重量轻、跨度大，抗震性好，二次拆卸方便，环保性能高等优点，同时由于机修车间需要悬挂10 t吊车的现场施工特点，该项目确定选择轻型门式刚架结构材料建设厂房。根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（CECS 102—98）4.2.2条的相关规定，梯形钢屋架跨度为18 m和21 m，长度90 m，柱距7.5 m，屋盖拟采用钢结构有檩体系。

2.2 屋面板

屋面板选用YX51-250-750型双层压型钢板，基板厚度为1.5 mm，肋高为51 mm，由三个波组成，每个波距为250 mm，有效覆盖面积750 mm，采用1000 mm的热镀锌钢板冷压成型，有效使用率75%。该材料板型合理，强度大，覆盖率高，表面打起凸包增加与混凝土结合力，与混凝土钢筋结构作弯矩抵抗，性能良好，施工方便快捷、工期短、节约钢筋。

2.3 檩条

根据（CECS102a-a98）6.3设计规定，该项目中檩条采用冷弯薄壁斜卷边C形钢?C220×75×20×2.5，屋面坡度为1∶15。采用长尺复合屋面板，单坡内不需要搭接，水平檩距为1.5 m，檩条跨度为7.5 m。

2.4 吊车梁系统

在该煤矿机修二车间安装了10 t双梁式吊车2台，起重为10 t，7.5 m吊车梁为焊接工字形截面，采用Q345-C钢制作，焊条采用E50型。

2.5 围护结构体系

对于墙体高度超过1.2 m的墙体，采用彩色夹芯板，采用自攻螺栓和檩条（屋面檩条或沿墙檩条）连接。同时在施工现场，通过对门窗与墙体的距离分析来确定合适的压力板。

2.6 基础

该机修厂房确定采用阶梯式刚性独立基础，基础垫层使用C10混凝土制成，厚度100 mm，结构混凝土强度等级不应低于C20，施工钢筋直径为Φ14 mm，钢筋中心距为200 mm。配备10.9S型高强度螺栓，立柱基础与地基采用地脚螺栓连接件固定。

3 钢材钢柱的选用分析

3.1 钢材钢柱的选用

在该机修厂房的轻型钢结构材料钢材钢柱的选取时，必须考虑到结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度等因素，主要是为保障承重结构的承载力，防止厂房在不同条件下可能出现的脆性损坏事故。基于该轻型钢结构厂房柱距和跨度都较小，同时为轻型彩板屋面，确定钢柱采用Q235钢。

3.2 对于钢材的要求

对于钢材的要求包括：在钢结构设计时，建筑物的应用过程及环境中的元素会对钢材提出不同的要求，对于矿区机修厂房来讲，必须限制Q235沸腾钢的使用，采用Q235-B型钢材；基于钢材结构的塑形要求，确定钢材抗拉强度控制在屈服强度的90%；基于机修机车的工作性质，要保障吊车的正常工作，因此要求厂房钢材及吊车梁具有较好的冲击韧性，确定选用Q235-C型钢。

4 相关设计计算

4.1 设计时所用的计算软件

在该机修二车间厂房工程项目中，可使用结构计算软件PKPM中的STS钢结构模块中的“框排架”建模计算二维排架。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，如发现有指标超限，必须立即进行调整，做出相应的更改，直到无超限项目为止。

4.2 整体的设计计算

在该项目中采用整体模型计算进行出图，把每个结构单元定义成多塔楼，程序采用多塔楼结构计算模型进行设计计算，计算阵型取到足够多，使整个结构系统的有效质量达到95%。

5 注意事项分析

1）对该机修厂房钢结构连接材料必须有详细的要求。焊条应用前必须进行烘干工序，焊条烘干的时间、温度都按规范操作，焊条烘干后的使用时限要明确，尽可能减少焊缝裂缝的出现，同时对焊缝高度和长度也应该有明确的要求。

2）螺栓间距必须有严格的要求。螺栓间距过大会导致出现锈蚀现象，影响钢结构的耐久性，增加维护管理费用；螺栓间距过小会导致连接板件局部被剪断。

3）钢结构柱脚用素混凝土包裹，避免柱脚处由于积水使钢材严重锈蚀，对结构存在着安全隐患，提高其耐久性。

4）钢材的防腐问题。该机修二车间厂房处于矿区环境，厂房处于较大湿度和酸度的环境当中，在未来时间内，厂房的钢构件表面将会发生较为严重的腐锈现象，因此在设计阶段就必须做好相应的钢材的防腐措施。

5）振动产生的不良影响问题。在机修车间，会有大型煤矿开采动力设备的动荷载及其引起的振动问题，在厂房结构设计时应增大振动梁及楼板的刚度。

6 结语

煤矿建筑厂房因处在复杂的环境当中，对于其设计应该结合矿区的工况来进行。本文以虎龙沟煤矿机修二车间厂房工程为案例，采用轻型钢结构材料设计，掌握设计的各个环节及相关真实数据，将结构和工艺相结合，完成了该厂房的设计，该工程已按时按质完成建设。轻型钢结构在虎龙沟煤矿机修二车间厂房工程中的应用是成功合理的，为轻型钢结构在煤矿厂房中的应用提供了成功案例。