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

煤礦礦井和選煤廠地面建筑多屬于特種建(構(gòu))筑物，與一般工業(yè)與民用建筑物的設(shè)計(jì)有很大的區(qū)別，其中對(duì)于直接危及井下工人的生命、維系井下安全和抗災(zāi)搶險(xiǎn)、礦山救護(hù)及消防系統(tǒng)所屬建(構(gòu))筑物破壞后可能產(chǎn)生重大災(zāi)害后果，安全等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防為重點(diǎn)設(shè)防乙類，具體有：提升系統(tǒng)(井架、井塔、提升機(jī)房、井口房、天輪架)、通風(fēng)系統(tǒng)(井下通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)井井口房、通風(fēng)機(jī)房、瓦斯抽采泵房)、供配電系統(tǒng)(為井下供電的地面變電所、配電室或?yàn)槠渌€工程供電的地面變電所、配電室)、礦井通信系統(tǒng)(通信樓、調(diào)度中心)、礦山救護(hù)及消防設(shè)施(消防隊(duì)車庫(kù)、儀器庫(kù)、裝備庫(kù)、值班用房、通信樓、救災(zāi)指揮部、保健急救室、消防站、日用消防水池及泵房、救災(zāi)系統(tǒng)壓縮空氣站)等[1]。

重點(diǎn)設(shè)防類建筑要求在地震時(shí)使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算、構(gòu)造提出了更高的要求，而對(duì)于煤炭工業(yè)的重點(diǎn)設(shè)防類建筑，有很多規(guī)模都很小，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不能僅盯規(guī)范中的某一條要求，要將相關(guān)規(guī)范融會(huì)貫通，深入理解規(guī)范的本意，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，才能對(duì)這些建(構(gòu))筑物進(jìn)行更加合理的設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

重點(diǎn)設(shè)防類建筑地震作用按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定，按高于本地區(qū)設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)其抗震措施[2]，包括抗震構(gòu)造措施?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010(2016年版)[3]中一般規(guī)定及計(jì)算要點(diǎn)中的地震作用效應(yīng)(內(nèi)力和位移)調(diào)整的規(guī)定均屬于抗震措施?？拐饦?gòu)造措施是根據(jù)抗震概念設(shè)計(jì)原則，一般不需要計(jì)算，而對(duì)結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件各部分必須采取的各種細(xì)部要求，混凝土結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施的主要內(nèi)容有：豎向構(gòu)件的軸壓比、構(gòu)件的最小截面尺寸要求、構(gòu)件的最小配筋率要求、箍筋及加密區(qū)要求等。

通過(guò)這些要求，提高結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震能力和冗余度，其目的是為了保證結(jié)構(gòu)在地震時(shí)不破壞或至少不垮塌，通過(guò)簡(jiǎn)單維修就能快速恢復(fù)使用，確保井下的指揮調(diào)度、人員運(yùn)輸、供水、供電、搶險(xiǎn)等工作能夠正常運(yùn)行。

2 結(jié)構(gòu)方案布置

2.1 規(guī)范要求

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010(2016年版)[3]規(guī)定重點(diǎn)設(shè)防類建筑不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)，但是規(guī)模很小如寬度只有6 m、7 m的重點(diǎn)設(shè)防類建筑在設(shè)計(jì)中不適合采用三排柱網(wǎng)，就需要深入理解規(guī)范并采取別的加強(qiáng)措施。

《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB 50223—2008[2]規(guī)定對(duì)于劃為重點(diǎn)設(shè)防類而規(guī)模很小的工業(yè)建筑，當(dāng)改為抗震性能較好的材料且符合抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)體系的要求時(shí)，允許按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類設(shè)計(jì)。條文說(shuō)明中進(jìn)一步說(shuō)明考慮到小型的工業(yè)建筑，如變電站、空壓站、水泵房等通常采用砌體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)改為抗震性能較高的材料且結(jié)構(gòu)體系符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.5.2條，抗震措施允許按標(biāo)準(zhǔn)類的要求采用。

2.2 典型項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)方案布置

重點(diǎn)設(shè)防的工業(yè)建筑主要是為了保證工藝、設(shè)備的正常運(yùn)行，應(yīng)有別與醫(yī)院、學(xué)校等人員活動(dòng)的建筑，特別是工業(yè)建筑中一些規(guī)模很小的建筑，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重方案：結(jié)構(gòu)體系合理，有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑，應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)喪失抗震能力。

概括起來(lái)，對(duì)于煤炭工業(yè)規(guī)模小的重點(diǎn)設(shè)防類建筑要求如下：對(duì)于2層及以上且寬度不小于8 m的建筑，應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，不采用單跨結(jié)構(gòu)，按重點(diǎn)設(shè)防乙類進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于單層且寬度小于8 m的建筑，當(dāng)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用單跨結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防分類由重點(diǎn)設(shè)防乙類改為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防丙類進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于單層但寬度不小于8 m的建筑，當(dāng)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)時(shí)，布置三排柱網(wǎng)，抗震設(shè)防分類由重點(diǎn)設(shè)防乙類改為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防丙類進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1 變電站(所)

煤炭工業(yè)為井下供電、為其他生命線工程(如礦山救護(hù)、消防設(shè)施等)供電變電站(所)為重點(diǎn)設(shè)防類，單獨(dú)為選煤廠或行政福利區(qū)供電的變電站(所)可按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本次實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)使用SPSS22.0軟件進(jìn)行分析和處理，計(jì)量資料采用（±s）表示，實(shí)施獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料則使用百分率（%）表示，采用χ2檢驗(yàn)，若P＜0.05差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

重點(diǎn)設(shè)防類變電站(所)中主配電室一般為2層，寬度一般為10 m左右，高度在11 m左右。一層一側(cè)為低壓配電室，另一側(cè)為輔房和其他功能房間，二層為高壓配電室和主控室。低壓配電室和高壓配電室上下對(duì)齊布置，中間不能布置柱。配電室邊跨結(jié)合二層吊裝平臺(tái)在中間布置柱，在輔房一側(cè)結(jié)合樓梯間和房間分隔布置柱網(wǎng)，避免單跨框架結(jié)構(gòu)，配電室區(qū)域縱向柱網(wǎng)應(yīng)避開墻體開洞盡量均勻布置。變電站一層平面如圖1所示。

圖1 變電站一層平面布置

2.2.2 救護(hù)隊(duì)車庫(kù)、庫(kù)房

礦山救護(hù)設(shè)施包括救護(hù)隊(duì)車庫(kù)、儀器庫(kù)、裝備庫(kù)、值班用房、消防站等建筑，為搶險(xiǎn)救災(zāi)類重點(diǎn)設(shè)防建筑。其中救護(hù)隊(duì)車庫(kù)一般與救護(hù)隊(duì)綜合樓聯(lián)建，如果單建，寬度一般為9 m左右，采用抗震性能更好的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，布置三排柱，每個(gè)車位寬4.5 m，可按2個(gè)車位布置縱向柱網(wǎng)，抗震設(shè)防分類由重點(diǎn)設(shè)防乙類改為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防丙類。救護(hù)隊(duì)車庫(kù)平面如圖2所示。

圖2 救護(hù)隊(duì)車庫(kù)平面布置

礦山救護(hù)設(shè)施中的庫(kù)房雖然是重點(diǎn)設(shè)防類建筑，但規(guī)模很小，一般寬度為6 m左右，長(zhǎng)度根據(jù)使用功能一般為25 m左右。這類建筑雖然規(guī)范規(guī)定重點(diǎn)設(shè)防，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)，但也符合規(guī)模很小的工業(yè)建筑，采取鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震性能良好，受力體系明確，抗震設(shè)防分類由重點(diǎn)設(shè)防乙類改為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防丙類，按單跨框架設(shè)計(jì)，救護(hù)隊(duì)庫(kù)房平面如圖3所示。

圖3 救護(hù)隊(duì)庫(kù)房平面布置

2.2.3 日用消防水池及泵房

日用消防水池及泵房是為礦區(qū)地面建筑進(jìn)行消防施救的設(shè)施，為重點(diǎn)設(shè)防類建筑，其中消防水池一般選用標(biāo)準(zhǔn)的半地下水池，與泵房脫開。泵房地下-3 m左右，地上與控制室、值班室等輔房層高一致在5 m左右，寬度一般為7 m左右。泵房地下部分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上部分通常采取砌體結(jié)構(gòu)，而砌體結(jié)構(gòu)對(duì)砌體砌筑的質(zhì)量要求較高，現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)一般采用抗震性能更好的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，由于寬度太小，同2.2.2中救護(hù)隊(duì)庫(kù)房，按單跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抗震設(shè)防分類由重點(diǎn)設(shè)防乙類改為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防丙類。泵房平面如圖4所示。

圖4 泵房平面布置

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 分區(qū)段抗震設(shè)防

礦井通信系統(tǒng)的調(diào)度中心在平時(shí)對(duì)全礦井地上、地下進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度指揮協(xié)調(diào)，在地震發(fā)生時(shí)，要保證井下通信暢通，為搶險(xiǎn)救災(zāi)提供保障，為重點(diǎn)設(shè)防類建筑。

調(diào)度中心宜單獨(dú)建設(shè)，有的礦井選擇布置在辦公樓內(nèi)，這時(shí)可只提高調(diào)度中心相關(guān)范圍的抗震設(shè)防類別，相關(guān)范圍一般取調(diào)度中心外延一跨，調(diào)度中心及重點(diǎn)設(shè)防區(qū)平面示意如圖5所示。沿高度方向下部區(qū)段的抗震類別不應(yīng)低于上部區(qū)域，在調(diào)度中心的本層及以下區(qū)域的相關(guān)范圍提高其設(shè)防類別[4-5]。1-1剖面如圖6所示。

圖5 調(diào)度中心及重點(diǎn)設(shè)防區(qū)平面示意

圖6 1-1剖面

3.2 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

4 構(gòu)造要求

4.1 抗震措施

對(duì)于重點(diǎn)設(shè)防乙類以及由乙類降到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防丙類的單跨框架建筑，為了加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)體系，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力，且具備良好的變形能力和消耗地震能量的能力，抗震措施的抗震等級(jí)按高于本地區(qū)設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)。

4.2 抗震構(gòu)造措施

煤炭工業(yè)所有重點(diǎn)設(shè)防類建筑(含由乙類降到丙類)，抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)按高于本地區(qū)設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)。

4.3 單跨框架結(jié)構(gòu)

單跨框架結(jié)構(gòu)，沒(méi)有多余約束，只要一根柱出現(xiàn)破壞，結(jié)構(gòu)就會(huì)倒塌，在設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)抗震措施(含抗震構(gòu)造措施)[7-8]，對(duì)于此類建筑，除按上述4.1、4.2條加強(qiáng)其抗震措施、抗震構(gòu)造措施外還要進(jìn)一步加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的冗余度，如：鋼筋混凝土梁的縱向底筋不應(yīng)少于3根鋼筋，縱向頂筋不少于2根受力鋼筋貫通。樓屋面采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，不宜采用裝配式結(jié)構(gòu)，屋面雙層雙向拉通配筋。適當(dāng)增加柱跨度方向的截面尺寸，加大柱特別是角柱的配筋，加長(zhǎng)梁柱節(jié)點(diǎn)的錨固長(zhǎng)度等，以此來(lái)保證結(jié)構(gòu)安全。

5 地基基礎(chǔ)

5.1 基礎(chǔ)

為了加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和抗震性能，提高抵抗不均勻沉降的能力，基礎(chǔ)之間應(yīng)設(shè)基礎(chǔ)拉梁，且拉梁布置在獨(dú)立基礎(chǔ)的范圍內(nèi)，不應(yīng)做在基礎(chǔ)的上部只作為承墻梁使用。

5.2 地基處理

這類規(guī)模較小的建筑附加應(yīng)力很小，盡量采用天然地基。

對(duì)于蒙陜地區(qū)毛烏素沙漠邊緣地帶，土層基本上以細(xì)砂土為主，而且地下水充足，如果基礎(chǔ)下持力層較弱，可以采用水墜法施工[9]，當(dāng)?shù)赜胸S富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不僅能滿足承載力的需要，還可以降低投資；對(duì)于濕陷性黃土場(chǎng)地，特別是自重濕陷性黃土場(chǎng)地，對(duì)于受水浸濕可能性小的單層建筑，層高控制在5 m以內(nèi)，長(zhǎng)高比控制在2.5以內(nèi)，將建筑的濕陷性類別定義為丁類[10]，可以大大減小處理土層的厚度，減小投資。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)煤炭工業(yè)的重點(diǎn)設(shè)防類建筑很多都是小房子，如何保證既滿足規(guī)范要求、保證結(jié)構(gòu)安全，又能夠做到經(jīng)濟(jì)合理是值得探討的問(wèn)題。文中從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、平面布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)造要求和地基基礎(chǔ)等方面闡述了這類建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為今后相似類型的工業(yè)建筑設(shè)計(jì)提供參考。

(2)煤炭工業(yè)的重點(diǎn)設(shè)防類建筑種類繁多，根據(jù)工藝要求和建筑布置，都不盡相同，在具體的設(shè)計(jì)中還是應(yīng)該以概念設(shè)計(jì)為主，從宏觀上選擇合理的結(jié)構(gòu)體系、傳力路徑和地基基礎(chǔ)形式[11-14]。并采取強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、加強(qiáng)錨固等構(gòu)造措施保證在地震時(shí)使用功能不能中斷或能盡快恢復(fù)。