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

煤矿的井下排水量较大，直接外排本身就有很多困难，而且污染环境，同时也造成了水资源的浪费[1-3]。近年来，国家环保政策日趋严格，很多已建的、在建的煤矿都在开展井下水的深度处理项目。该类项目作为煤炭行业的深度水处理，不仅对工艺专业有很高的要求，同时也要求结构专业了解工艺流程、掌握水处理构筑物的特点，有针对性的完成结构设计。为此，结合中天合创水处理项目的蒸发结晶间的工程实例，探讨了该类项目的设计特点。

中天合创能源有限责任公司矿井水深度处理工程位于鄂尔多斯市图克工业园内，处理规模72 000 m3/d，是迄今为止我国规模最大的矿井水深度处理项目。蒸发结晶间处理规模为160 m3/h，最终产品为无水硫酸钠和氯化钠。总建筑面积6 454 m2，建筑高度16.3 m，结构形式采用钢框架结构，主梁、主柱采用Q345B级H型钢，基础采用钢筋混凝土杯口基础，楼板采用非组合钢筋混凝土楼板。

1 结构选型及布置

井下水处理项目的各工艺段对结构主体都有防腐要求，特别是蒸发结晶段，它是将前段工艺产生的超浓水浓缩成硫酸钠和氯化钠，而且在生产过程中会有抛洒滴漏，楼面也需要冲洗，均要求结构主体具有较好的防腐和耐久性要求，最合理的结构选型是钢筋混凝土框架结构。但是受工期影响，该项目采用钢框架结构，冬季工厂加工、现场安装，压缩了建设周期，同时采取了钢结构表面刷防腐漆、楼面贴耐酸砖、柱脚包裹、洞口翻沿等措施提高结构主体的抗腐蚀能力和耐久性。

该结构布置以满足工艺为主，平面轴网尺寸为60 m×62 m，柱网以8 m×8 m为主，设8 m、16 m两个主要楼层。局部3 m、5.5 m、10 m、14 m、17 m设楼层或屋面，其中16 m既为屋面又为设备层。设备繁多，楼层错综复杂。

2 基础及主体设计

2.1 地基承载力确定

场地土层分层：场地位于毛乌素沙漠东北边缘地带，根据地勘报告该场地土层自上而下分为以下4层。①细砂(Q4eol)—松散，实测标准贯入锤击数平均值7击。层厚介于2.1～3.0 m之间，地基承载力特征值为110 kPa；②细砂(Q4eol)—湿，稍密，实测标准贯入锤击数平均值11击。层厚介于1.9～3.0 m之间地基承载力特征值为130 kPa；③细砂(Q3l)—饱和，中密，实测标准贯入锤击数平均值24击。层厚介于4.7～6.4 m之间，地基承载力特征值为160 kPa；④强风化砂岩(K1)—强风化，该层以泥质胶结为主。本次勘探未揭穿，最大揭露厚度11.2 m。地基承载力特征值为300 kPa。勘察期间属于枯水期，地下水位相对高程为1 311.80～1 312.00 m，水位最大变幅约1.5 m。无不良地质作用。

地基承载力计算：基础埋置深度取3.0 m，持力层为第②细砂层，根据《建筑地基基础设计规范》计算地基承载力[4]，见式(1)。

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

(1)

式中：fa—修正后的地基承载力特征值，kPa；fak—地基承载力特征值，取130 kPa；ηd—地基深度的地基承载力修正系数，取1.0(地下水位以下，湿的稍密状态)；γm—基础底面以上土的加权平均重度，取16 kN/m3；d—基础的埋置深度，取3.0 m。计算得fa=130+0+1.0×16×(3.0-1.5)=170。

修正计算：值得注意的是，未考虑ηbγ(b-3)基础宽度的修正影响；设计时考虑第②层细砂土为第四系风积砂，稍密，标准贯入锤击数为11，且位于地下水位线以下，地下水对地基土起到水坠密实作用。经公司技术委员会研究决定，地基深度的地基承载力修正系数取2.25，修正后的地基承载力为220 kPa，比规范计算提高1.29倍。

2.2 基础设计

基础选型：受工期限制，要求工艺提供主要设备基础资料后进行基础设计及施工。此时，上部结构的次梁布置、钢柱的截面、钢柱的强弱轴方向及柱底内力尚存在一定的不确定性。综合考虑，基础形式选用钢筋混凝土杯口基础，并适当放大杯口的尺寸，有效解决由于后期上部结构的完善设计引起的柱脚变化。

钢柱插入深度的计算：钢柱插入杯口的最小深度首先要满足《钢结构设计标准》的构造要求[5]。在插入式柱脚中，弯矩和剪力的传递主要通过混凝土对钢柱翼缘的承压力所产生的抵抗矩承受[6]。假定钢柱翼缘接触的混凝土处于弹性状态，满足平截面假定，柱脚受力状态如图1(a)所示，计算简图如图1(b)所示。

a-受力状态；b-计算简图图1 柱脚的受力状态与计算简图

根据力的平衡条件，可得力矩平衡条件式(2)、力的平衡条件式(3)。

bfxσ(d-x)-M-Vd/2=0

(2)

bf(d-x)σ-bfxσ-V=0

(3)

式中：M—柱脚底部的弯矩，N·mm；V—剪力设计值，N；d—柱脚埋深，mm；bf—柱翼缘宽度，mm；σ—混凝土压应力设计值，N/mm2。

由σ小于等于混凝土的抗压强度设计值fc，整理公式得到式(4)。

(4)

取本工程的3种典型柱进行计算，杯口基础的混凝土强度等级取C30，具体参数及结果见表1。

表1 插入深度计算

杯口基础侧壁厚度的计算：杯壁厚度首先要满足有关构造要求，在插入式柱脚中，杯壁还应满足抗剪承载力的要求，取一半杯口面积，抗剪计算简图如图2所示，杯壁抗剪面积如图3所示。

图2 杯壁的抗剪计算简图

图3 杯壁的抗剪面积

由M、V产生的总弯矩

M总=M+Vd/2

(5)

由M总产生的基础抵抗剪力

V1=1.5M/d+0.75V

(6)

杯壁的最大抵抗剪力

V0=V1+V=1.5M/d+1.75V

(7)

混凝土的抗剪强度设计值取抗拉强度设计值，得出

V0≤ft[B(c+hc/2)-bfhc/2]

(8)

整理公式得到

(9)

(10)

式中：B—杯口基础的宽度，mm；c—自钢柱翼缘外表面算起的杯口厚度，含二次浇筑，mm；ft—混凝土抗拉强度设计值，N/mm2。

取本工程的3种典型柱进行计算，杯口基础的混凝土强度等级取C30，具体参数及结果见表2。

表2 杯壁厚度计算

2.3 主体设计

设计原则和参数：结构设计的主要原则和参数，见表3。

表3 结构设计主控参数

荷载取值：蒸发结晶间的楼面活荷载取值[7]：无设备区域的操作荷载取2.0 kN/m2，有安装、检修的楼面操作区取4.0 kN/m2，离心机的周围(运输、检修范围)取5.0 kN/m2，吊装区域取10.0 kN/m2。需要考虑与主体共振影响的设备有离心机、流化床干燥机，其设备永久荷载、活荷载、振动频率等荷载参数应由制造厂提供。蒸发结晶间的电动机、各种泵、鼓风机、引风机、除尘器等设置于楼、屋面的动力设备都需要考虑其动力荷载，其动力荷载参数应由制造厂提供。在有充分依据时，部分动力设备的重量乘以动力系数后，可等效为静力荷载。突出屋面的各种罐体需考虑风荷载的影响，结构设计时还需考虑各种管道悬挂荷载。

应力控制：由于蒸发结晶间荷载较多，且难免有未考虑的荷载(如一些管线荷载)，在设计中钢梁的应力比控制在0.85左右，给予结构一定的富余度。

节点设计：结构主体(梁、柱、支撑、节点板)材质采用Q345B级，梁与柱连接采用10.9级M22高强度螺栓摩擦型刚性单剪连接，喷砂(丸)处理，节点如图4所示。次梁与主梁连接采用10.9级M20高强螺栓与主梁加劲板单面连接，节点如图5所示。

图4 梁与柱连接详图

图5 次梁与主梁的详图

楼板设计：楼板采用“非组合钢筋混凝土楼板”，楼板板厚取100 mm，混凝土强度等级取C30，压型钢板采用YJ46-600型，钢板厚度1.0 mm，压型钢板应使用热浸镀锌钢板轧制成型，面镀锌量不小于275 g/m2，屈服强度不小于410 MPa，压型钢板端面及楼板配筋如图6所示。

图6 非组合楼板

支撑设计：由于主楼层高度较高，为了增加结构的整体刚度，在房屋四边外墙增加钢支撑，材质采用Q345B级，截面采用方钢300 mm×200 mm×10 mm，平面内高度取200 mm，平面外高度取300 mm。

操作平台设计：因工艺要求在楼层中设置多处操作平台，所有的平台梁、柱均采用方钢截面，平台柱与主体采取铰接连接，楼面采用钢格栅板，要求承载力不小于2.5 kPa。

3 结语

将煤矿的井下排水进行深度处理，不仅解决了矿井水的排放问题，还可以有效保护水资源。结合中天合创水处理项目的蒸发结晶间，对饱和沙土的地基承载力进行了探讨，对钢筋混凝土杯口基础的插入深度和杯壁厚度进行了理论推导，对主体结构的结构选型、荷载取值及应力控制、节点设计、楼板设计、支撑设计、操作平台设计等都进行了阐述，设计过程可以为类似的工程项目提供一定参考。