李季
（中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京，100120）
【摘 要】本文主要以某选煤厂不规则钢框架主厂房设计时应注意的问题为例来阐述。在钢框架主厂房设计时，应从结构形式及结构布置上考虑，做到既满足工艺布置要求，又解决钢框架主厂房的振动问题，同时又能使结构安全使用。
一、某选煤厂的工程概况
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：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；三层主要设备有:脱介筛、破碎机和高频筛、浮选机等；四层主要设备有：磁选机、旋流器和一条刮板机；五层主要设备有：原煤分级筛、加压过滤机、主洗浅槽等；六层主要设备有：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，维护结构采用混凝土加气块。
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几米之间，少数抗风柱高达37m，中间无框架梁支撑。
二、某选煤厂主厂房设计荷载、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。
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。
2、结构设计
2.1结构布置原则
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 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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。
2.3柱间支撑
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。
三、某选煤厂主厂房结构分析计算
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。
2、计算结果分析
经计算分析，主厂房结构的前两个振型均为平动，其剪重比、刚度及长细比等各项指标均能满足规范要求。
考虑到选煤厂主厂房荷载较大，不可预见荷载因素较多，且有许多振动筛的振动荷载，主厂房结构设计中将主要承重构件的应力比不应太高。对于重型设备，尤其是振动设备周围的梁应力比还应适当降低。
3、梁、柱截面
由于主厂房结构平面及竖向布置复杂，荷载分布不均匀，还有振动筛的振动荷载，因此通常构件的截面变化较大。梁柱的截面形式主要采用热轧H型钢和焊接H型钢，柱间支撑采用槽钢。部分应力比较大的钢柱材质为Q345B钢，其余钢梁、钢柱材质均为Q235B钢。
4、振动梁的设计和构造要求
在选煤厂主厂房中，由于振动筛、离心机等常用大型振动设备的频率在16Hz左右，因此只要将振动梁的自振频率控制在16／0.7≈23 以上，便能满足《选煤厂建筑结构设计规范》（GB50583-2010）第6.3.16条规定的条件：“梁第一频率密集区内最低自振频率计算值大于设备的扰力频率”，即可认为不发生共振，这根振动梁也不需要进行动内力计算，避免了在设备启动和停车时出现与结构共振的情况。在设计确定直接振动梁的固有振动频率时，应根据结构的实际情况来确定计算简图，也就是梁的支座、梁的截面刚度、梁上的荷载等的确定。
综上所述，近年来，随着国家对于提高能源的利用效率及节能减排的要求越来越高，越来越多的煤炭企业进一步加强了对煤炭的精加工力度。主厂房作为选煤厂的核心建筑物，由于工艺流程比较复杂，设备种类繁多，而且有许多设备工作时振动荷载比较大，因此厂房的结构布置比较复杂，结构所受竖向荷载不均匀，需要采取经济合理的结构布置形式来满足工艺的需求和结构的可靠性。对结构复杂的结构体系，不能仅依靠程序的计算结果，而是要根据计算的结果和建筑物的实际工况加以判断，分析计算结果是否符合实际的工作状况，来确保结构设计安全可靠。
参考文献：
[1]《建筑结构荷载设计规范》 GB50009-2012
[2]《煤矿矿井建筑结构设计规范》 GB50592-2010
[3]《火力发电厂土建结构设计技术规程》DL5022-2012
论文作者:李季
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年8月供稿
论文发表时间:2015/12/2
标签：荷载论文; 结构论文; 厂房论文; 设备论文; 厂主论文; 选煤论文; 振动筛论文; 《工程建设标准化》2015年8月供稿论文;