煤矿工业建筑中框架结构的设计要点分析

孙 阳 潞安化工集团潞宁煤业有限责任公司计划科

1 前言

对于框架结构的设计，应结合必要的抗震计算分析和构造措施，才能使结构具有良好的抗震性能和抗震可靠度，确保框架结构的安全，从而满足煤矿工业建筑的使用功能。

2 框架结构的特点

钢筋混凝土框架结构是由梁、柱组成并同时承受竖向和水平荷载的结构体系，适用于体型规则、刚度均匀的建筑物。该结构空间分隔灵活，可以形成较大的使用空间；整体性好，设计合理，具有良好的抗震、抗风、抗爆、抗撞击和抗振动能；与钢结构相比具有较好的耐久性和耐火性；与砌体结构相比自重较轻；且可模性较好，也便于就地取材。因此，在煤矿工业建筑中应用十分广泛。

3 建筑结构设计需要满足的要求

建筑结构就是房屋建筑的骨架，通过一定的连接方式构成整体，安全可靠地承受并传递各种载荷和间接作用。因此，建筑结构设计最基本的目的是确保建筑物的安全使用，即在有限的使用期限内最大限度地满足人们对建筑物的各种功能需求。通常情况下，建筑结构设计必须要满足的要求包括：（1）确保建筑物在施工过程中以及使用过程中的整体稳定性，即建筑结构要有较高的承载力和安全性。安全性是建筑工程建设发展的灵魂，尤其对于工业建筑，若存在安全隐患，会直接影响工业生产，甚至威胁使用者的人身安全。（2）随着时间的推移，建筑可能会出现一些病害，要确保在正常的维护条件下能够保持较长的使用年限。（3）保证建筑物的质量，使建筑物在有限的使用期限内正常发挥各项功能，满足人们的生产和生活需求。

4 煤矿工业建筑中框架结构的设计要点分析

4.1 建造场地

场地条件是决定地震作用的重要因素，选择合适的场地是结构抗震设计中一项十分有效、可靠又经济的抗震措施。煤矿工业场地选址及前期的总平面布局及方案设计时，应及时掌握场地地形、地质构造、地基土质等信息，并与总图、工艺专业沟通协调，尽量确保甲、乙类和较重要的丙类建筑所处场地为对抗震有利或一般地段，避开不利地段，严禁危险地段。

4.2 梁与板件的设计

为了保证建筑物的结构强度，梁、柱结构的横截面面积都较大，并且配筋率较大。这虽然解决了工业建筑的承载问题，但给实际施工带来了较多的问题。在设计中，一些设计人员将配筋率提高到2.5%，但由于实际操作的限制，操作人员很难达到这样的标准。另外，由于钢筋分布过密，会使梁柱结合处混凝土浇筑困难，探杆无法深入，造成钢筋严重位移，给工业建筑后的安全问题留下隐患。

4.3 楼梯的设计

在工业建筑中，计算机房、宿舍、办公室等生活区的楼梯多为板式结构，这种结构的设计有利于施工。在建筑物的楼梯设计中，特别是在建筑物的人口密集区，楼梯的梯段差不应大于20cm，以避免工作人员碰撞和绊倒。在施工过程中，如果楼梯间板结构跨度大于5m，不能满足相关施工条件时，应在施工图中进行特殊说明。

4.4 设计图的深度

要保证施工的顺利进行，必须有科学合理的建筑结构设计图纸。详细的建筑图应体现建筑的所有结构并进行详细的说明。

4.5 柱的设计

设计柱网时，要明确结构传力体系，满足结构受力要求，保证间距规则、适中、整齐；要避免柱网影响煤矿工业建筑的使用功能，同时应综合考虑施工的便利性和构件尺寸的模数化与标准化，尽量做到模型简单化。同一楼层框架柱的截面尺寸不宜相差过大，宜具有相同的承载力、刚度和延性，以保证能够共同受力，避免在地震中因受力悬殊而被各个击破，一般可沿竖向分段改变框架柱的截面尺寸与材料强度，尺寸减小与强度降低宜错开楼层，避免同层同时改变。短柱宜发生脆破坏，应尽量避免，当因工艺布置需要使结构错层或因布置楼梯形成短柱时，箍筋应全高加密，且应控制纵筋不宜过大。

4.6 可行性

4.6.1 上部承重结构检查

（1）结构整体性检查。上部结构采用现浇钢筋混凝土单跨双向框架结构体系，框架梁纵横向拉通、对直，框架柱纵横向基本对齐，结构平、立面布置较规则，梁、柱节点连接方式正确，形成完整系统，传力路线明确。（2）钢筋混凝土构件检查。钢筋混凝土柱、梁及板构件外观基本完好，无明显蜂窝、麻面等外观缺陷，钢筋混凝土柱、梁及板工作状态正常，未发现明显变形，现场敲开个别柱梁节点粉刷层，未见裂缝。

4.6.2 上部承重结构系统

（1）安全性等级。结构整体性等级评定为B 级。框架柱、梁及板构件承载能力均满足规范要求，构件截面尺寸、纵向钢筋配置、箍筋配置、柱轴压比均符合规范要求。结构承载功能等级评定为B级。综合考虑结构整体性等级及承载功能等级的评定结果，上部承重结构安全性等级评定为B级。（2）使用性等级。框架柱、梁及板构件混凝土外观基本完好，未发现明显蜂窝、麻面等外观缺陷，框架柱、梁及板工作状态正常，未发现明显变形，现场敲开个别柱梁节点粉刷层，未见裂缝。按荷载效应的准永久组合并考虑荷载长期作用的影响梁挠度可满足规范要求。钢筋混凝土柱、梁及板使用状况等级均评定为B级。实测12个结构顶点的侧向位移中，最大倾斜值为H/31，所测多数测点超过GB 50144—2019 规定的混凝土有吊车厂房柱顶点位移的A级标准限值(Hc/1100)。但观察吊车运行状况，暂未见异常。综上，结构侧向位移等级评定为B级。综合考虑上部承重结构使用状况等级及结构水平位移等级的评定结果，上部承重结构的使用性等级评定为B级。（3）可靠性等级评定。根据上部承重结构的安全性等级及使用性等级的评定结果，上部承重结构系统的可靠性等级评定为B级。

4.7 智慧煤矿工业建筑建设框架——工业控制层

在智慧煤矿工业建筑中，需要对整个生产状态进行监控，通过工业控制层的建设能够使整个生产控制通过通信软件以及PLC控制系统，实现对数据的采集和生产设备的控制，最终达到智能化生产的目的，实现远程管理和远程控制。其中，在工业控制层在建设中，应做好控制结构设计，保证工业控制层能够发挥管理和控制功能，降低控制难度，使整个工业控制层成为智慧煤矿工业建筑远程控制生产设备的重要系统。在系统的控制过程中，需要根据控制要求和系统特点，对硬件设施和软件系统进行匹配，保证二者在功能方面满足控制要求。

4.8 结构选型

根据工业企业和工业生产的实际需求不同，在设计轻型钢结构时，需要使用到的结构类型也有很大差异。现阶段较为常见的有门式钢架、箱体式钢架以及网架结构等。以门式钢架工业建筑为例，将大量不同尺寸的轻型钢，按照设计方案进行拼装、固定，形成建筑骨架。后期建筑拆除后，这些轻型钢材料约有80%～90%可以重新回收使用。从结构的细部组成上来看，主要有连续梁框架、边柱、角柱等组成，连接部位通常采用焊接的方式进行固定，也有的使用螺丝固定。门式钢架结构通常适用于中小型工业建筑，在大型工业建筑中，也可以将若干个门式钢架结构进行并联，但是需要在连接部位做好定。

4.9 隔热设计

工业建筑因为作业环境的特殊性，对温度有一定的要求，通常要求恒定在某一个温度值。因此在轻型钢结构建筑设计时，还要考虑隔热设计。重点从门窗部位、外墙部位着手进行优化设计。在轻型钢结构框架的基础上，可以根据保温隔热等具体需求，有选择性的使用一些辅助材料，例如ALC加气混凝土板、彩色压型钢板等，都可以满足这一需求。在建筑外墙设计上，也可以考虑使用新型高性能的隔热材料，例如离心玻璃棉等，将这些新型材料铺贴、固定在轻型钢结构上，满足工业建筑的设计、施工与使用需求。

5 提高工业建筑中框架结构设计安全性的策略

5.1 遵守工业建筑结构设计的规定

随着我国现代化工业建筑行业的发展，建筑结构设计规范也在不断完善，比如，新的建筑结构设计规范在结构可靠性、设计计算、构造配筋方面的要求都有更新和补充，一切以建筑的安全性和承载力为基础。要设计出符合建筑承载力和安全性要求的工业建筑，必须严格按照国家的相关设计规范和标准进行设计。

5.2 提高安全意识

在建筑结构的设计过程中，对建筑结构中可能存在的安全隐患或者结构关键部位应进行反复核算，保证结构的安全性进行设计前，设计人员应先深入分析地质勘察资料，提高结构设计的科学性，减少施工过程中的问题；如果建筑物所在区域是高强度地震地区，设计人员应采取多种抗震设计措施，提高建筑物的抗震性能保障建筑的使用安全。

6 结束语

总而言之，工业建筑设计极其复杂，需要坚持使用性、安全性以及耐久性等设计原则，所以，在对工业建筑结构进行设计时，设计人员必须明确国家针对工业建筑设计制定的规范以及要求，并在掌握影响工业建筑因素以及所有施工流的基础上，强化建筑结构设计，进而使工业建筑能够达到术性与经济性的统一，这样国家工业建筑将会具有较强的结构设计能力，在此基础上，我国的工业建筑业将会飞速发展。