刘健康

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

随着社会对能源、基础建设需求的日益增加，煤炭仍为各行业所需的主要资源，如果煤炭露天堆放，将产生大量的煤尘污染环境，影响人们的身体健康，浪费资源[1]，同时还将受到环保部门的处罚，甚至勒令停产。为减少环境污染，节约资源，需建设封闭储煤棚进行覆盖。本文以山西乡宁焦煤集团台头前湾煤业有限公司的储煤场封闭改造为实际背景，对封闭储煤棚的建筑外观、结构体系、地基基础三方面进行了详细设计。建筑外观设计兼顾考虑了储煤棚的通风，结构体系设计充分运用了钢结构的支撑系统，地基基础设计采用桩基跨越法成功避开了储煤场下的过水涵洞。该储煤棚的设计解决了建设方露天储煤的难题，同时也为类似工程的设计提供了参考依据。

1 工程概况

因环境保护需要，现需在山西乡宁焦煤集团台头前湾煤业有限公司的储煤场地内设置封闭储煤棚一座，储煤容量为20000t，经计算储煤棚跨度需45m，长度需70m。储煤棚设计拟采用两种方案，方案一为主体钢排架+屋面钢网架方案，方案二为主体钢排架+屋面钢屋架方案。方案一的屋面钢网架从受力上分析属于空间结构体系，计算时要考虑整体受力和空间变形，使用在45m×70m平面尺寸的储煤棚中不经济，发挥不了网架空架结构的作用[1，2]，同时钢网架安装时需大量搭设脚手架，储煤场地内的运煤车辆将无法通行，从而影响煤炭的运输和销售，故放弃方案一。方案二的屋面钢屋架从受力上分析属于单向受力结构，仅需计算平面内的强度和稳定，平面外的稳定主要依靠支撑和系杆来承担，且能满足荷载的横向传递，经济合理[3-6]，同时钢屋架安装时可以分榀吊装，能保证运煤车辆的通行，不影响煤炭的运输和销售，故采用方案二。

2 建筑设计

2.1 地形特点、挡煤墙与墙体围护

储煤场地的北侧有一条宽约6m的地下排水涵洞从场地内通过，涵洞为拱形断面，为料石砌筑，东部埋深约2m，西部埋深约1m。由于储煤场地南侧倚山，北侧靠近乡台公路，场地有限，无法避开排水涵洞，需在后续设计时考虑储煤棚的基础避开涵洞。该储煤棚钢排架共设10榀，两端钢排架间距为7m，其余每榀间距为8m。储煤棚设计需将西侧现有的卸煤溜槽罩入其中，故根据卸煤溜槽的高度确定储煤棚的檐口高度为22.5m。

储煤棚内侧需设置挡煤墙，根据储煤容量及堆煤的自然倾角计算出所需挡煤墙高度为2m，挡煤墙为矩形断面，采用当地的毛料石进行砌筑，宽度为0.8m，挡煤墙与钢排架柱脱开。储煤棚墙体标高2.3m以上采用单层压型钢板墙体围护，标高2.3m以下不围护，标高2.3m以下部位可由储煤棚内侧的挡煤墙围护。挡煤墙顶部考虑消防人员通行和疏散，在挡煤墙顶部设安全防护栏杆，每隔一定距离，在挡煤墙内外侧设上下挡煤墙的爬梯。储煤棚标高2.3m以下部位无围护墙体的设计优点在于：一是设在挡煤墙外侧的爬梯方便人员疏散通行；二是储煤中产生的瓦斯等气体可以进行自然排放，不易集聚；三是利用挡煤墙兼做围护，在节省围护材料的同时满足了环保要求，可谓一举三得。

2.2 采光设置及屋面排水

参考《煤矿矿井建筑结构设计规范》[7]3.2.1条，该储煤棚的采光等级为Ⅴ级。根据《建筑采光设计标准》[8]，采光等级为Ⅴ级时，侧面采光窗地面积比为1/10，顶部采光窗地面积比为1/23。由于该储煤棚跨度较大，需采用侧面开窗和屋面设采光带结合的采光方案。

根据《屋面工程技术规范》[9]，该储煤棚的排水方式为有组织内排水，屋面两侧找坡，坡度为1/15，不小于规范中金属板屋面设计时排水坡度不小于5%的要求。由于该储煤棚位于山区，降雨量较多，屋面落水管按屋面面积每150 ～180m2设一个，即每个钢柱位置处各设一个。

2.3 安全疏散及防火

该储煤棚为单层厂房，储煤棚内的堆煤为原煤，根据《煤矿矿井建筑结构设计规范》该储煤棚的生产类别为丙类，建筑耐火等级为二级。储煤棚总建筑面积为3208m2，根据《建筑设计防火规范》[10]表3.3.1，按一个防火分区考虑。根据《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)表3.7.4，储煤棚内任一点至最近安全出口的直线距离不大于80m。结合车辆运煤要求，在储煤棚的西侧设一个车辆出入出口，在东侧设两个车辆出入出口。考虑到储煤棚内堆满煤发生火灾险情时人员不便疏散，又在四周的挡煤墙内外侧每隔一段距离设有爬梯，以更快的方便人员疏散。

根据《建筑设计防火规范》3.2.1、3.2.10条规定，采用刷(喷)薄涂型防火涂料的方法使储煤棚的钢梁、钢柱、钢屋架等屋顶承重构件的耐火极限分别达到1.5h、2.0h、1.0h。储煤棚平面及剖面如图1所示。

图1 储煤棚平面及剖面图(mm)

3 结构设计

3.1 设计资料

该储煤棚所在地的抗震设防烈度为7度，第三组，设计基本地震加速度值为0.15g，场地类别为Ⅱ类。该储煤棚的抗震设防类别为丙类，按7度抗震设防。

该煤矿剩余服务年限为3～5a，储煤棚的设计使用年限应与煤矿的剩余服务年限相适应，考虑到服务年限期满后该储煤棚改为其他用途房屋的可能性，储煤棚的设计使用年限取为25a，安全等级为二级。

3.2 单榀钢排架计算分析

该储煤棚的钢屋架设计为梯形，按钢桁架进行受力分析，桁架中上下弦杆和腹杆均为铰接连接。梯形钢屋架支座端设在钢排架柱顶，与排架柱铰接连接。铰接连接可保证钢屋架支座端不给排架柱顶传递弯矩，减小排架柱的断面尺寸，排架柱下部与基础刚接，单榀钢排架计算如图2所示。

图2 单榀钢排架计算简图(mm)

3.2.1 荷载取值

屋面恒荷载：0.5kN/m2(含檩条)；屋面活荷载：0.30kN/m2(不上人屋面)；基本雪压：0.15kN/m2(重现期R=10a)；0.25kN/m2(重现期R=50a)；基本风压：0.25kN/m2(重现期R=10a)；0.40kN/m2(重现期R=50a)；积灰荷载：0.50kN/m2，地面粗糙度类别为B类；地震作用：仅计算水平地震作用，不考虑竖向地震作用。

本煤棚的设计使用年限为25a，基本雪压近似按内插计算取为0.19kN/m2(重现期R=25a)，基本风压近似按内插计算取为0.31kN/m2(重现期R=25a)。根据《建筑结构荷载规范》[11]屋面活荷载与风荷载(风荷载与雪荷载的大值)组合；积灰荷载与屋面活荷载(雪荷载与活荷载的大值)组合。

3.2.2 计算模型

根据单榀钢排架计算简图，采用中国建筑科学研究院编制的PKPM-STS软件(2010 V2.2版本)进行单榀整体建模计算分析。钢排架柱的平面外计算长度需根据柱间刚性系杆的间距进行修改，平面外稳定如不满足，需减少柱间刚性系杆的间距。通过计算，钢排架柱所需截面尺寸为H850mm×400mm×10mm×20mm，梯形钢屋架的上、下弦杆均为双角钢组合2L200mm×125mm×14mm，支座附近的斜腹杆为双角钢组合 2L100mm×10mm，其余竖腹杆为双角钢组合2L70mm×7mm，钢材型号均为Q235B。

3.3 屋架支撑

屋架支撑包括上、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、垂直支撑和水平系杆[12]。

3.3.1 上、下弦横向水平支撑

为了保证屋架上弦杆在平面外的稳定和屋盖纵向水平刚度，同时还作为山墙抗风柱顶端的水平支座，承受由山墙传来的风荷载和其他纵向水平荷载，并将其传向储煤棚的纵向柱列，需设置上弦横向水平支撑。下弦横向水平支撑设置的作用同样是将山墙传来的风荷载及纵向水平荷载传至纵向柱列，同时还防止屋架下弦有侧向振动的发生。

该储煤棚在结构单元两端第一柱间屋架上、下弦各设一道横向支撑，由于储煤棚为70m的较长结构单元，在储煤棚的中部屋架上、下弦增设一道横向支撑。上、下弦横向水平支撑均设置在同一柱间，以形成空间桁架体系。

3.3.2 下弦纵向水平支撑

为了加强屋盖的横向水平刚度，需在屋架下弦的第一节间设置纵向水平支撑。下弦纵向水平支撑和下弦横向水平支撑形成了封闭的水平支撑系统，保证了储煤棚的空间刚度。

3.3.3 垂直支撑和水平系杆

垂直支撑的作用是保证屋架承受荷载后在平面外的稳定并传递纵向水平力，与下弦横向水平支撑布置在同一柱间内。水平系杆分为上、下弦水平系杆。上弦水平系杆可保证屋架上弦的侧向稳定，下弦水平系杆可防止屋架有水平振动时下弦发生侧向颤动。在未设置垂直支撑的屋架间，在相应于垂直支撑平面内的屋架上、下弦节点处，设置通长的水平系杆。设在屋架上、下弦端部节点的系杆、屋架上弦跨中屋脊节点的系杆以及横向支撑中的系杆均采用刚性系杆，其余系杆为柔性系杆。屋架支撑布置如图3所示。

图3 屋架支撑布置图(mm)

3.4 柱间支撑及抗风柱

柱间支撑是该纵向平面钢排架柱中的最主要抗侧力构件，其作用是承受由抗风柱和屋盖横向水平支撑传来的山墙风载，由屋盖结构传来的纵向水平地震作用，并将它们传给基础。另外，柱间支撑还能提高厂房结构的纵向刚度。考虑到该储煤棚的排架柱高度较高，为保证排架柱的平面外稳定，在每个柱间设置三道刚性系杆。

抗风柱将山墙分成几个区段，山墙受到的风荷载，一部分(靠近纵向柱列区段)直接传给纵向柱列，另一部分经抗风柱下端传给基础和经抗风柱上端通过屋盖系统传至纵向柱列。

抗风柱上端同时与屋架上、下弦铰接，为防止抗风柱与屋架沉降不均匀时产生不利影响，上端铰接处采用竖向可以移动、水平方向有较大刚度的弹簧板连接。考虑到抗风柱的高度同样较高，抗风柱下端与基础铰接，同时为保证抗风柱的平面外稳定，在抗风柱间也设置刚性系杆和柱间支撑。柱间支撑及抗风柱布置如图4所示。

图4 柱间支撑及抗风柱布置图(mm)

4 基础设计

4.1 土层情况

根据岩土工程勘察报告，该储煤棚所在地土层自上而下依次为：①杂填土：含有大量煤渣、煤矸石，含有少量碎石块，填埋时间十五年左右，工程地质性质差，该层层厚0.40～4.60m；②混合土：细粒混合土土质以粉质粘土为主，粗粒土中以砂岩碎石为主，层厚10.50～14.9m。地基承载力特征值fak=130kPa，极限侧阻力标准值qsik=60kPa；③泥岩：强风化，岩体破碎，岩心呈块状、短柱状。层厚0.70～7.40m，极限侧阻力标准值qsik=120kPa，极限端阻力标准值qpk=1000kPa；④砂岩：强风化，岩体较破碎，岩心呈短柱状，该层未揭露层底。极限侧阻力标准值qsik=150kPa，极限端阻力标准值qpk=1200kPa。

该工程在勘探深度范围内无地下水分布，本区为季节性冻土地区，场地土的标准冻结深度为0.63m。

4.2 地基处理

由于储煤棚长度及跨度较大，如采用独立基础，则地基持力层多为②层混合土，部分处于①层杂填土，厚度不均、变化较大，若采用全部开挖后换填垫层处理则增加了施工难度和工程造价，且影响了施工工期，同时独立基础将无法避开场地北侧的过水涵洞。经综合分析，采用桩基处理，要求桩端嵌入④层砂岩内的深度不小于1.0m。对于未影响过水涵洞的基础采用两桩+承台，对于影响过水涵洞的基础采用三桩+承台调整或四桩+承台跨越法处理，抗风柱下采用单桩处理即可，对于设置柱间支撑部位的柱下承台之间设承台拉梁。桩基承台布置如图5所示。

图5 桩基承台布置图(mm)

5 结 语

该储煤棚目前已建设完成并投入使用，使用效果良好。设计过程中严格按照规范要求，注重概念设计，充分做到与现场实际的结合，成功避开了基础对过水涵洞的影响，为建设方解决了技术难题，对以后类似大跨度储煤棚工程的设计有一定的指导和借鉴意义。