张圣华

摘要：主要介绍了某选煤厂不规则钢框架主厂房设计时应注意的问题。在钢结构主厂房设计时，应从结构形式及结构布置上采取措施，即满足了工艺布置要求，又解决钢结构主厂房的振动问题，同时又能使结构安全使用。

ABSTRACT The main building structure design of coal mine of preparation plant is described in this paper.

关键词：钢结构选煤厂 主厂房 设计

KEYWORDSSteel structureCoal mine of preparation plantThe main building Design

中图分类号：TU391 文献标识码： A

1、工程概况

本工程位于山西省大同市山阴县，为某能源有限公司改扩建工程的主厂房，该选煤厂改扩建后设计生产能力后的设计生产能力2200万吨／年。主厂房是煤炭行业选煤厂建筑的核心组成部分，其不但要满足常规厂房建筑的房屋功能外，还必须满足煤炭洗选工艺的使用要求，为大量的选煤设备提供可靠的支承，并保证结构的安全可靠和使用舒适度要求。

本项目主厂房概况：长度84.5m，宽度38m，檐口高度36.4m；上部主要有六个楼层：首层：地面主要是各类设备基础如：各种泵、桶等设备基础；二层主要设备有：刮板机、离心机等；三层主要设备是脱介筛、破碎机和高频筛、浮选机等；四层主要设备是磁选机、旋流器和一条刮板机；五层主要设备原煤分级筛、加压过滤机、主洗浅槽等；六层主要设备：块煤再洗稀介磁选机、两条刮板机及一条皮带机头。主厂房内带一台20t吊车，吊车跨度36.8m。主体结构为钢框架结构，维护结构采用压型钢板+玻璃丝棉现场复合板。

该工程结构设计的主要问题在于：

（1）荷载类型多，选煤厂主厂房结构设计除要考虑常规建筑结构设计的荷载如：永久荷载、可变荷载、风荷载、雪荷载及地震作用外，还需考虑设备荷载及振动设备荷载对结构的影响及设备吊装、检修时的荷载等等。

（2）楼层高度大，建筑平面、立面均极不规则，荷载在平面上位置分布也极为不均匀。一般厂房层高5～7米，内部有大的挑空空间，挑空高度在十几米到二十二米之间，少数抗风柱高达37m，中间无框架梁支撑。

2、设计荷载、结构设计与分析

该工程建筑抗震设防类别为标准设防类。按照该地区设防烈度7 度计算地震作用，抗震措施按照7 度考虑，钢框架抗震等级为四级。设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组，特征周期0.55s。建筑结构安全等级为二级，结构的设计使用年限为50 年，建筑场地类别为Ⅲ类。地基基础设计等级为丙级。

2.1、荷载类型及取值

在选煤厂主厂房结构设计时，除要考虑常规建筑结构设计的荷载如：永久荷载、可变荷载、风荷载、雪荷载及地震作用外，还需考虑常规设备荷载及振动设备荷载对结构的影响及设备吊装、检修时的荷载等。

根据《选煤厂建筑结构设计规范》（GB50583-2010）规定，选煤厂主厂房楼面可变荷载5.0KN/㎡，压滤机附近及设备检修荷载按10.0KN/㎡。提升孔周围的梁，应按本层最大起重量作用在梁上产生的弯矩、剪力影响线的最大值进行计算，但框架计算时可不计入。

主厂房内的主要设备很多，且有些设备荷载很大，在重型设备区域内楼面均布可变荷载在计算中需扣除；在设备等效均布荷载小于4kN/m2的小型设备区域，按楼面可变荷载计算。

2.2结构设计

2.2.1结构布置原则

选煤厂主厂房结构布置应结合工艺设备，根据功能分区、环境条件、荷载分布、材料供应和制作、施工条件等因素，择优选择结构体系和合理布置结构构件及支撑等抗侧力构件，使厂房结构刚度尽量分布均匀和结构受力合理。由于工艺布置等条件限制，选煤厂主厂房的结构平面布置和竖向布置均不规则，荷载在平面上位置也分布不均匀，在平面上很难让质量重心与结构的刚度重心一致或接近，结构竖向布置时也极不规则，有的位置设备布置集中，有的位置没有设备，也就不需要布置结构楼层，导致部分楼层以上只有局部位置有结构楼层，其余部位平面开大洞。结构布置上则需要尽可能使结构受力简单明确，荷载传递路径简捷。

2.2.2 振动设备附近的结构布置

由于本工程中各个设备之间的恒载和振动荷载等相差很大，而且平面荷载分布也不均匀，为了降低平面荷载不均布置对结构扭转的影响，在结构布置时尽量使两个方向的框架梁贯通布置，减少楼板开洞，在设备洞口边设置次梁，减小开洞对楼板水平刚度的影响，并降低设备工作所带来的楼板振动，改善操作人员的工作环境。

选煤厂主厂房内能够引起较大振动的设备有低频类(转数<400rpm)，例如压滤机、重介旋流器等，中频类(转数400rpm~2000rpm)，例如振动筛、离心脱水机等，高频类(转数>2000rpm)，例如电动机、泵等。常用动力设备中影响楼面垂直振动的是中频率机器，影响厂房水平振动的是低频率机器。振动筛、离心脱水机等中频率机器，工作时主要引起楼面的垂直振动，以垂直振动为主的设备应尽量布置在梁的支座和柱子附近，增加次梁数量，减小其旁边楼板板面积，提高楼板的整体刚度，减小楼层的振幅；压滤机、重介旋流器等属于低频率机器，以水平振动为主，梁的跨中部位，并应使扰力沿梁的轴线方向作用,以避免和厂房共振。振动筛下的结构布置等时考虑使其扰力方向与承重结构水平刚度较大的方向一致。当大型设备跨越柱网轴线布置时，设备下的框架梁贯通。

2.2.4柱间支撑

主厂房框架柱间支撑的设置应保证结构体系的稳定，且具有足够的水平抗侧刚度，使水平荷载传递路径短捷和传力明确，并应结合结构体系的形式、刚性楼板、荷载分布和结构计算分析统一考虑。根据主厂房工艺设备布置、荷载分布及结构计算结果，在边跨的~轴之间，沿柱高全范围设置柱间支撑，在厂房两端的第一个柱间的吊车梁牛腿面至柱顶的范围内设置上柱柱间支撑。由于柱截面较大，柱间支撑截面采用双肢截面。

2.2.5地基基础及地基处理

本厂房所处场地为Ⅱ级自重湿陷性黄土场地,土层承载力特征值为110kPa~180kPa。为了提高土层的承载力和消除土层的湿陷性，经综合考虑后，本工程地基处理采用采用孔内深层强夯灰土挤密桩（DDC法施工）消除基底以下粉土的湿陷性并提高地基土承载力，桩长13.0m，桩径400mm，成桩直径550mm，等边三角形布桩，桩间距800 mm，要求处理后地基承载力特征值不小于250kPa，基础采用钢筋混凝土独立基础。

3、结构分析计算

3.1 结构计算模型

厂房主体结构采用PKPM 钢结构模块STS及SATWE程序的计算模型采用三维模型，考虑楼板开有大的洞口，在整体模型计算中设置开洞板和完全弹性板，除考虑楼板变形影响外，更加准确地模拟楼板实际受力状况。模型考虑了重力二阶效应(P-A 效应)，柱子计算长度系数按有侧移计算，层刚度比按弯剪刚度计算，抗震计算考虑偶然偏心和双向地震作用。设备荷载以静力荷载的形式按设备荷载加物料的荷载乘以动力系数后施加。钢柱长细比限值、梁柱板件宽厚比、支撑的构造措施均按照《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的附录H2中规定的要求设置。