劉彥東

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦的井下排水量較大，直接外排本身就有很多困難，而且污染環(huán)境，同時(shí)也造成了水資源的浪費(fèi)[1-3]。近年來，國家環(huán)保政策日趨嚴(yán)格，很多已建的、在建的煤礦都在開展井下水的深度處理項(xiàng)目。該類項(xiàng)目作為煤炭行業(yè)的深度水處理，不僅對(duì)工藝專業(yè)有很高的要求，同時(shí)也要求結(jié)構(gòu)專業(yè)了解工藝流程、掌握水處理構(gòu)筑物的特點(diǎn)，有針對(duì)性的完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為此，結(jié)合中天合創(chuàng)水處理項(xiàng)目的蒸發(fā)結(jié)晶間的工程實(shí)例，探討了該類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司礦井水深度處理工程位于鄂爾多斯市圖克工業(yè)園內(nèi)，處理規(guī)模72 000 m3/d，是迄今為止我國規(guī)模最大的礦井水深度處理項(xiàng)目。蒸發(fā)結(jié)晶間處理規(guī)模為160 m3/h，最終產(chǎn)品為無水硫酸鈉和氯化鈉?？偨ㄖ娣e6 454 m2，建筑高度16.3 m，結(jié)構(gòu)形式采用鋼框架結(jié)構(gòu)，主梁、主柱采用Q345B級(jí)H型鋼，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土杯口基礎(chǔ)，樓板采用非組合鋼筋混凝土樓板。

1 結(jié)構(gòu)選型及布置

井下水處理項(xiàng)目的各工藝段對(duì)結(jié)構(gòu)主體都有防腐要求，特別是蒸發(fā)結(jié)晶段，它是將前段工藝產(chǎn)生的超濃水濃縮成硫酸鈉和氯化鈉，而且在生產(chǎn)過程中會(huì)有拋灑滴漏，樓面也需要沖洗，均要求結(jié)構(gòu)主體具有較好的防腐和耐久性要求，最合理的結(jié)構(gòu)選型是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。但是受工期影響，該項(xiàng)目采用鋼框架結(jié)構(gòu)，冬季工廠加工、現(xiàn)場安裝，壓縮了建設(shè)周期，同時(shí)采取了鋼結(jié)構(gòu)表面刷防腐漆、樓面貼耐酸磚、柱腳包裹、洞口翻沿等措施提高結(jié)構(gòu)主體的抗腐蝕能力和耐久性。

該結(jié)構(gòu)布置以滿足工藝為主，平面軸網(wǎng)尺寸為60 m×62 m，柱網(wǎng)以8 m×8 m為主，設(shè)8 m、16 m兩個(gè)主要樓層。局部3 m、5.5 m、10 m、14 m、17 m設(shè)樓層或屋面，其中16 m既為屋面又為設(shè)備層。設(shè)備繁多，樓層錯(cuò)綜復(fù)雜。

2 基礎(chǔ)及主體設(shè)計(jì)

2.1 地基承載力確定

場地土層分層：場地位于毛烏素沙漠東北邊緣地帶，根據(jù)地勘報(bào)告該場地土層自上而下分為以下4層。①細(xì)砂(Q4eol)—松散，實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)平均值7擊。層厚介于2.1～3.0 m之間，地基承載力特征值為110 kPa；②細(xì)砂(Q4eol)—濕，稍密，實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)平均值11擊。層厚介于1.9～3.0 m之間地基承載力特征值為130 kPa；③細(xì)砂(Q3l)—飽和，中密，實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)平均值24擊。層厚介于4.7～6.4 m之間，地基承載力特征值為160 kPa；④強(qiáng)風(fēng)化砂巖(K1)—強(qiáng)風(fēng)化，該層以泥質(zhì)膠結(jié)為主。本次勘探未揭穿，最大揭露厚度11.2 m。地基承載力特征值為300 kPa?？辈炱陂g屬于枯水期，地下水位相對(duì)高程為1 311.80～1 312.00 m，水位最大變幅約1.5 m。無不良地質(zhì)作用。

地基承載力計(jì)算：基礎(chǔ)埋置深度取3.0 m，持力層為第②細(xì)砂層，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算地基承載力[4]，見式(1)。

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

(1)

式中：fa—修正后的地基承載力特征值，kPa；fak—地基承載力特征值，取130 kPa；ηd—地基深度的地基承載力修正系數(shù)，取1.0(地下水位以下，濕的稍密狀態(tài))；γm—基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，取16 kN/m3；d—基礎(chǔ)的埋置深度，取3.0 m。計(jì)算得fa=130+0+1.0×16×(3.0-1.5)=170。

修正計(jì)算：值得注意的是，未考慮ηbγ(b-3)基礎(chǔ)寬度的修正影響；設(shè)計(jì)時(shí)考慮第②層細(xì)砂土為第四系風(fēng)積砂，稍密，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)為11，且位于地下水位線以下，地下水對(duì)地基土起到水墜密實(shí)作用。經(jīng)公司技術(shù)委員會(huì)研究決定，地基深度的地基承載力修正系數(shù)取2.25，修正后的地基承載力為220 kPa，比規(guī)范計(jì)算提高1.29倍。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)選型：受工期限制，要求工藝提供主要設(shè)備基礎(chǔ)資料后進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及施工。此時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的次梁布置、鋼柱的截面、鋼柱的強(qiáng)弱軸方向及柱底內(nèi)力尚存在一定的不確定性。綜合考慮，基礎(chǔ)形式選用鋼筋混凝土杯口基礎(chǔ)，并適當(dāng)放大杯口的尺寸，有效解決由于后期上部結(jié)構(gòu)的完善設(shè)計(jì)引起的柱腳變化。

鋼柱插入深度的計(jì)算：鋼柱插入杯口的最小深度首先要滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的構(gòu)造要求[5]。在插入式柱腳中，彎矩和剪力的傳遞主要通過混凝土對(duì)鋼柱翼緣的承壓力所產(chǎn)生的抵抗矩承受[6]。假定鋼柱翼緣接觸的混凝土處于彈性狀態(tài)，滿足平截面假定，柱腳受力狀態(tài)如圖1(a)所示，計(jì)算簡圖如圖1(b)所示。

a-受力狀態(tài)；b-計(jì)算簡圖圖1 柱腳的受力狀態(tài)與計(jì)算簡圖

根據(jù)力的平衡條件，可得力矩平衡條件式(2)、力的平衡條件式(3)。

bfxσ(d-x)-M-Vd/2=0

(2)

bf(d-x)σ-bfxσ-V=0

(3)

式中：M—柱腳底部的彎矩，N·mm；V—剪力設(shè)計(jì)值，N；d—柱腳埋深，mm；bf—柱翼緣寬度，mm；σ—混凝土壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值，N/mm2。

由σ小于等于混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc，整理公式得到式(4)。

(4)

取本工程的3種典型柱進(jìn)行計(jì)算，杯口基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C30，具體參數(shù)及結(jié)果見表1。

表1 插入深度計(jì)算

杯口基礎(chǔ)側(cè)壁厚度的計(jì)算：杯壁厚度首先要滿足有關(guān)構(gòu)造要求，在插入式柱腳中，杯壁還應(yīng)滿足抗剪承載力的要求，取一半杯口面積，抗剪計(jì)算簡圖如圖2所示，杯壁抗剪面積如圖3所示。

圖2 杯壁的抗剪計(jì)算簡圖

圖3 杯壁的抗剪面積

由M、V產(chǎn)生的總彎矩

M總=M+Vd/2

(5)

由M總產(chǎn)生的基礎(chǔ)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)

混凝土的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，得出

V0≤ft[B(c+hc/2)-bfhc/2]

(8)

整理公式得到

(9)

(10)

式中：B—杯口基礎(chǔ)的寬度，mm；c—自鋼柱翼緣外表面算起的杯口厚度，含二次澆筑，mm；ft—混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

取本工程的3種典型柱進(jìn)行計(jì)算，杯口基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C30，具體參數(shù)及結(jié)果見表2。

表2 杯壁厚度計(jì)算

2.3 主體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原則和參數(shù)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則和參數(shù)，見表3。

表3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主控參數(shù)

荷載取值：蒸發(fā)結(jié)晶間的樓面活荷載取值[7]：無設(shè)備區(qū)域的操作荷載取2.0 kN/m2，有安裝、檢修的樓面操作區(qū)取4.0 kN/m2，離心機(jī)的周圍(運(yùn)輸、檢修范圍)取5.0 kN/m2，吊裝區(qū)域取10.0 kN/m2。需要考慮與主體共振影響的設(shè)備有離心機(jī)、流化床干燥機(jī)，其設(shè)備永久荷載、活荷載、振動(dòng)頻率等荷載參數(shù)應(yīng)由制造廠提供。蒸發(fā)結(jié)晶間的電動(dòng)機(jī)、各種泵、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、除塵器等設(shè)置于樓、屋面的動(dòng)力設(shè)備都需要考慮其動(dòng)力荷載，其動(dòng)力荷載參數(shù)應(yīng)由制造廠提供。在有充分依據(jù)時(shí)，部分動(dòng)力設(shè)備的重量乘以動(dòng)力系數(shù)后，可等效為靜力荷載。突出屋面的各種罐體需考慮風(fēng)荷載的影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮各種管道懸掛荷載。

應(yīng)力控制：由于蒸發(fā)結(jié)晶間荷載較多，且難免有未考慮的荷載(如一些管線荷載)，在設(shè)計(jì)中鋼梁的應(yīng)力比控制在0.85左右，給予結(jié)構(gòu)一定的富余度。

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)主體(梁、柱、支撐、節(jié)點(diǎn)板)材質(zhì)采用Q345B級(jí)，梁與柱連接采用10.9級(jí)M22高強(qiáng)度螺栓摩擦型剛性單剪連接，噴砂(丸)處理，節(jié)點(diǎn)如圖4所示。次梁與主梁連接采用10.9級(jí)M20高強(qiáng)螺栓與主梁加勁板單面連接，節(jié)點(diǎn)如圖5所示。

圖4 梁與柱連接詳圖

圖5 次梁與主梁的詳圖

樓板設(shè)計(jì)：樓板采用“非組合鋼筋混凝土樓板”，樓板板厚取100 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C30，壓型鋼板采用YJ46-600型，鋼板厚度1.0 mm，壓型鋼板應(yīng)使用熱浸鍍鋅鋼板軋制成型，面鍍鋅量不小于275 g/m2，屈服強(qiáng)度不小于410 MPa，壓型鋼板端面及樓板配筋如圖6所示。

圖6 非組合樓板

支撐設(shè)計(jì)：由于主樓層高度較高，為了增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，在房屋四邊外墻增加鋼支撐，材質(zhì)采用Q345B級(jí)，截面采用方鋼300 mm×200 mm×10 mm，平面內(nèi)高度取200 mm，平面外高度取300 mm。

操作平臺(tái)設(shè)計(jì)：因工藝要求在樓層中設(shè)置多處操作平臺(tái)，所有的平臺(tái)梁、柱均采用方鋼截面，平臺(tái)柱與主體采取鉸接連接，樓面采用鋼格柵板，要求承載力不小于2.5 kPa。

3 結(jié)語

將煤礦的井下排水進(jìn)行深度處理，不僅解決了礦井水的排放問題，還可以有效保護(hù)水資源。結(jié)合中天合創(chuàng)水處理項(xiàng)目的蒸發(fā)結(jié)晶間，對(duì)飽和沙土的地基承載力進(jìn)行了探討，對(duì)鋼筋混凝土杯口基礎(chǔ)的插入深度和杯壁厚度進(jìn)行了理論推導(dǎo)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)選型、荷載取值及應(yīng)力控制、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、樓板設(shè)計(jì)、支撐設(shè)計(jì)、操作平臺(tái)設(shè)計(jì)等都進(jìn)行了闡述，設(shè)計(jì)過程可以為類似的工程項(xiàng)目提供一定參考。