煤炭工业重点设防规模小的建筑结构设计

刘彦东

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

煤矿矿井和选煤厂地面建筑多属于特种建(构)筑物，与一般工业与民用建筑物的设计有很大的区别，其中对于直接危及井下工人的生命、维系井下安全和抗灾抢险、矿山救护及消防系统所属建(构)筑物破坏后可能产生重大灾害后果，安全等级为一级，抗震设防为重点设防乙类，具体有：提升系统(井架、井塔、提升机房、井口房、天轮架)、通风系统(井下通风系统的风井井口房、通风机房、瓦斯抽采泵房)、供配电系统(为井下供电的地面变电所、配电室或为其他生命线工程供电的地面变电所、配电室)、矿井通信系统(通信楼、调度中心)、矿山救护及消防设施(消防队车库、仪器库、装备库、值班用房、通信楼、救灾指挥部、保健急救室、消防站、日用消防水池及泵房、救灾系统压缩空气站)等[1]。

重点设防类建筑要求在地震时使用功能不能中断或需尽快恢复，对结构的计算、构造提出了更高的要求，而对于煤炭工业的重点设防类建筑，有很多规模都很小，在结构设计中，不能仅盯规范中的某一条要求，要将相关规范融会贯通，深入理解规范的本意，总结设计经验，才能对这些建(构)筑物进行更加合理的设计。

1 结构设计要求

重点设防类建筑地震作用按本地区抗震设防烈度确定，按高于本地区设防烈度一度的要求加强其抗震措施[2]，包括抗震构造措施。《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010(2016年版)[3]中一般规定及计算要点中的地震作用效应(内力和位移)调整的规定均属于抗震措施。抗震构造措施是根据抗震概念设计原则，一般不需要计算，而对结构和非结构构件各部分必须采取的各种细部要求，混凝土结构抗震构造措施的主要内容有：竖向构件的轴压比、构件的最小截面尺寸要求、构件的最小配筋率要求、箍筋及加密区要求等。

通过这些要求，提高结构关键部位的设计标准，从而提高整个结构的抗震能力和冗余度，其目的是为了保证结构在地震时不破坏或至少不垮塌，通过简单维修就能快速恢复使用，确保井下的指挥调度、人员运输、供水、供电、抢险等工作能够正常运行。

2 结构方案布置

2.1 规范要求

《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010(2016年版)[3]规定重点设防类建筑不应采用单跨框架结构，但是规模很小如宽度只有6 m、7 m的重点设防类建筑在设计中不适合采用三排柱网，就需要深入理解规范并采取别的加强措施。

《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223—2008[2]规定对于划为重点设防类而规模很小的工业建筑，当改为抗震性能较好的材料且符合抗震设计规范对结构体系的要求时，允许按标准设防类设计。条文说明中进一步说明考虑到小型的工业建筑，如变电站、空压站、水泵房等通常采用砌体结构，设计改为抗震性能较高的材料且结构体系符合《建筑抗震设计规范》第3.5.2条，抗震措施允许按标准类的要求采用。

2.2 典型项目的结构方案布置

重点设防的工业建筑主要是为了保证工艺、设备的正常运行，应有别与医院、学校等人员活动的建筑，特别是工业建筑中一些规模很小的建筑，在设计时应重方案：结构体系合理，有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，应避免因部分结构或构件破坏而导致整体结构丧失抗震能力。

概括起来，对于煤炭工业规模小的重点设防类建筑要求如下：对于2层及以上且宽度不小于8 m的建筑，应满足《建筑抗震设计规范》的要求，不采用单跨结构，按重点设防乙类进行设计。对于单层且宽度小于8 m的建筑，当采用钢筋混凝土框架结构时，可采用单跨结构，抗震设防分类由重点设防乙类改为标准设防丙类进行设计。对于单层但宽度不小于8 m的建筑，当采用钢筋混凝土框架结构时，布置三排柱网，抗震设防分类由重点设防乙类改为标准设防丙类进行设计。

2.2.1 变电站(所)

煤炭工业为井下供电、为其他生命线工程(如矿山救护、消防设施等)供电变电站(所)为重点设防类，单独为选煤厂或行政福利区供电的变电站(所)可按标准设防进行设计。

本次实验研究数据使用SPSS22.0软件进行分析和处理，计量资料采用（±s）表示，实施独立样本t检验，计数资料则使用百分率（%）表示，采用χ2检验，若P＜0.05差异有统计学意义。

重点设防类变电站(所)中主配电室一般为2层，宽度一般为10 m左右，高度在11 m左右。一层一侧为低压配电室，另一侧为辅房和其他功能房间，二层为高压配电室和主控室。低压配电室和高压配电室上下对齐布置，中间不能布置柱。配电室边跨结合二层吊装平台在中间布置柱，在辅房一侧结合楼梯间和房间分隔布置柱网，避免单跨框架结构，配电室区域纵向柱网应避开墙体开洞尽量均匀布置。变电站一层平面如图1所示。

图1 变电站一层平面布置

2.2.2 救护队车库、库房

矿山救护设施包括救护队车库、仪器库、装备库、值班用房、消防站等建筑，为抢险救灾类重点设防建筑。其中救护队车库一般与救护队综合楼联建，如果单建，宽度一般为9 m左右，采用抗震性能更好的钢筋混凝土框架结构，布置三排柱，每个车位宽4.5 m，可按2个车位布置纵向柱网，抗震设防分类由重点设防乙类改为标准设防丙类。救护队车库平面如图2所示。

图2 救护队车库平面布置

矿山救护设施中的库房虽然是重点设防类建筑，但规模很小，一般宽度为6 m左右，长度根据使用功能一般为25 m左右。这类建筑虽然规范规定重点设防，不应采用单跨框架结构，但也符合规模很小的工业建筑，采取钢筋混凝土框架结构，抗震性能良好，受力体系明确，抗震设防分类由重点设防乙类改为标准设防丙类，按单跨框架设计，救护队库房平面如图3所示。

图3 救护队库房平面布置

2.2.3 日用消防水池及泵房

日用消防水池及泵房是为矿区地面建筑进行消防施救的设施，为重点设防类建筑，其中消防水池一般选用标准的半地下水池，与泵房脱开。泵房地下-3 m左右，地上与控制室、值班室等辅房层高一致在5 m左右，宽度一般为7 m左右。泵房地下部分为钢筋混凝土结构，地上部分通常采取砌体结构，而砌体结构对砌体砌筑的质量要求较高，现阶段的设计一般采用抗震性能更好的钢筋混凝土框架结构，由于宽度太小，同2.2.2中救护队库房，按单跨结构设计，抗震设防分类由重点设防乙类改为标准设防丙类。泵房平面如图4所示。

图4 泵房平面布置

3 结构计算

3.1 分区段抗震设防

矿井通信系统的调度中心在平时对全矿井地上、地下进行生产调度指挥协调，在地震发生时，要保证井下通信畅通，为抢险救灾提供保障，为重点设防类建筑。

调度中心宜单独建设，有的矿井选择布置在办公楼内，这时可只提高调度中心相关范围的抗震设防类别，相关范围一般取调度中心外延一跨，调度中心及重点设防区平面示意如图5所示。沿高度方向下部区段的抗震类别不应低于上部区域，在调度中心的本层及以下区域的相关范围提高其设防类别[4-5]。1-1剖面如图6所示。

图5 调度中心及重点设防区平面示意

图6 1-1剖面

3.2 结构重要性系数

4 构造要求

4.1 抗震措施

对于重点设防乙类以及由乙类降到标准设防丙类的单跨框架建筑，为了加强其结构体系，避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力，且具备良好的变形能力和消耗地震能量的能力，抗震措施的抗震等级按高于本地区设防烈度一度的要求加强。

4.2 抗震构造措施

煤炭工业所有重点设防类建筑(含由乙类降到丙类)，抗震构造措施的抗震等级按高于本地区设防烈度一度的要求加强。

4.3 单跨框架结构

单跨框架结构，没有多余约束，只要一根柱出现破坏，结构就会倒塌，在设计时要加强抗震措施(含抗震构造措施)[7-8]，对于此类建筑，除按上述4.1、4.2条加强其抗震措施、抗震构造措施外还要进一步加强结构的冗余度，如：钢筋混凝土梁的纵向底筋不应少于3根钢筋，纵向顶筋不少于2根受力钢筋贯通。楼屋面采用钢筋混凝土现浇楼板，不宜采用装配式结构，屋面双层双向拉通配筋。适当增加柱跨度方向的截面尺寸，加大柱特别是角柱的配筋，加长梁柱节点的锚固长度等，以此来保证结构安全。

5 地基基础

5.1 基础

为了加强基础的整体性和抗震性能，提高抵抗不均匀沉降的能力，基础之间应设基础拉梁，且拉梁布置在独立基础的范围内，不应做在基础的上部只作为承墙梁使用。

5.2 地基处理

这类规模较小的建筑附加应力很小，尽量采用天然地基。

对于蒙陕地区毛乌素沙漠边缘地带，土层基本上以细砂土为主，而且地下水充足，如果基础下持力层较弱，可以采用水坠法施工[9]，当地有丰富的实践经验，不仅能满足承载力的需要，还可以降低投资；对于湿陷性黄土场地，特别是自重湿陷性黄土场地，对于受水浸湿可能性小的单层建筑，层高控制在5 m以内，长高比控制在2.5以内，将建筑的湿陷性类别定义为丁类[10]，可以大大减小处理土层的厚度，减小投资。

6 结语

(1)煤炭工业的重点设防类建筑很多都是小房子，如何保证既满足规范要求、保证结构安全，又能够做到经济合理是值得探讨的问题。文中从结构设计、平面布置、结构计算、构造要求和地基基础等方面阐述了这类建筑的结构设计，为今后相似类型的工业建筑设计提供参考。

(2)煤炭工业的重点设防类建筑种类繁多，根据工艺要求和建筑布置，都不尽相同，在具体的设计中还是应该以概念设计为主，从宏观上选择合理的结构体系、传力路径和地基基础形式[11-14]。并采取强柱弱梁、强节点弱构件、加强锚固等构造措施保证在地震时使用功能不能中断或能尽快恢复。