王锴
（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西，西安，710054）
【摘要】文章结合实际工程，针对钢结构的提升机房的结构设计，提升机基础设计进行了一些分析研究。分析了钢结构提升机房的结构选型与布置,节点设计；提升机基础的工程设计要点。
【关键词】钢结构；钢柱脚设计；抗倾覆；抗滑移；
矿井提升机房是煤矿地面生产的重要建筑物。顾名思义，提升机房就是放置提升机的厂房。煤矿的立井的提升机尺寸较大，平面的长宽尺寸都在20~30米左右。提升机考虑到检修需要，需在机房内设置相应的检修起重机，一般起重机吨位在100吨左右。提升机房在井架一侧有2个出绳孔，提升机房的高度一般都在20~30米之间。因此提升机房具有大空间，荷载大的特点。本文根据内蒙长城二号煤矿立井提升机房设计中遇到的一些问题，谈一下笔者的设计体会。
1．设计概况
长城二号煤矿立井提升机房，主机房平面尺寸为14.5×21.5米，北侧有2层总高8.1米配电控制室附房，西侧有1层4.5米高的高压配电室附房，南侧为出绳孔。主机房的总高度为21.5米。提升机房内起重机为跨度为20米，起重吨位100吨。应建设单位要求采用钢结构。
2．结构选型与分析
根据《煤矿矿井建筑结构设计规范》GB50592-2010，提升机房结构安全等级为一级，抗震设防类别为乙类。因此在结构电算模型参数设置中应注意选择相应选项。在结构设计中强调的是“概念设计”。根据提升机房的平面尺寸，建筑高度及起重机荷载，结构类型选为钢框排架结构。在设计初我也进行了钢框架结构和钢框排架结构模型设计比较。由于本工程的吊车荷载（起重机荷载）较大，在两种电算模型中吊车方向的钢柱均采用了钢格构柱。在钢框架模型计算结果中出现了2项不利情况；（1）楼层最大位移较大，难以满足有大吨位吊车时的层间位移要求；(2)两个主轴方向的动力特性在前两个周期就出现扭转系数大于平动系数。而且两侧山墙柱计算出的构件截面较大，且多处出现钢柱不满足长细比的情况。因此采用钢框架结构则较难满足设计要求。所以，根据建筑物的形体及荷载传力走向，选择采用框排架的结构形式。设计中将吊车方向布置为钢门架，吊车的纵向布置若干道钢梁将每榀门架连系起来，以保证厂房纵向的刚度。而山墙处的抗风柱，与屋面梁铰接，与基础刚接，使得风荷载产生的弯矩直接传于基础。这样布置，就能将荷载合理的传向基础。使得结构杆件受力明确，杆件力学性能得以充分利用，从而在结构布置时就体现出经济适用的原则。
3．节点设计
在提升机房柱脚的设计中，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第8.2.8条，第5条规定的公式，即为柱脚的极限受弯承载力应大于1.2倍的考虑轴力影响时柱的塑形受弯承载力。因此当钢柱构件取的较大时，如采用外露式柱脚就出现柱脚底板和螺栓都非常大的情况。虽然规范没有强制规定使用插入式柱脚，显然柱脚做成插入式或埋入式柱脚更容易满足规范要求，且避免出现过大的柱脚的情况。工业厂房的柱脚宜采用插入式柱脚，插入式柱脚的插入深度可依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第9.2.16条进行设计。但遇到双肢柱的双杯口基础，钢柱的插入深度除满足规范构造要求外，还必须经过计算来确定。对钢双肢柱当采用双杯口基础时，分为受压肢柱和受拉肢柱，其轴向力可近似按下列公式进行计算：Nc=N/2+M/h
（1）；Nt=-N/2+M/h（2）式中，Nc为受压柱肢的轴向力设计值；Nt为受拉柱肢的轴向力设计值；M为双肢柱低端弯矩设计值；N为双肢柱低端轴向压力设计值；h为双肢柱两肢中心间的距离。按照受压柱肢和受拉柱肢的轴向力分别计算柱肢插入基础内的深度，取二者较大的深度。受拉柱肢：Nt=0.6um?H02?ft(3)（冲切破坏）;Nt=Hu?ft(4)(黏剪破坏)受压柱肢：Nc=Hu?ft+β?fc?Ac(5)(抗压破坏)；Nc=0.6um?H01?ft(6)（冲切破坏）式中，um为计算冲切高度1/2处的周长；H01为计算抗压冲切的有效高度，H02为计算抗拉冲切的有效高度，与基础外形有关，H为柱肢插入基础杯口内深度；ft为混凝土轴心抗拉设计值；fc为混凝土轴心抗压设计值；u为柱肢横截面周长；β为混凝土局部受压强度提高系数；Ac为柱肢底板面积。上述公式（1）~公式（6）中，除式（6）决定杯口下边基础底板的厚度H01外，其它均与钢柱的插入深度H有关。公式（1）更进一步说明钢柱的插入深度与基础的外形有关。当不能符合上述公式要求时，必须加深钢柱插入深度或改变基础的外形尺寸，或提高基础混凝土等级。
4．提升机基础设计
提升机基础的设计也本工程设计的一个重点。本工程的提升机为多绳提升机。根据《煤矿矿井建筑结构设计规范》GB50592-2010相关规定。需进行抗滑移稳定性；抗倾覆稳定性验算。
4.1提升机基础受力分析
提升机钢绳一端与罐笼相连，另一端与提升机滚筒相连。通过支撑井架与提升机基础形成力的平衡系统。因此，提升机钢绳荷载可按井架中钢绳荷载确定，具体如下：
1）正常工作时提升机钢绳荷载（Qk）标准值：
按《矿山井架设计规范》GB50385-2006中第4.1.3条计算。
2）断绳时提升机钢绳荷载（Ak）标准值
多绳提升，其中一侧为所有钢绳的断绳荷载，另一侧为所有钢绳的0.33倍断绳荷载。
由图1可知，提升机是通过螺栓受拉，型钢抗剪键受剪将水平力传递到基础上。提升机基础为大块式基础，其计算模型为刚体。对于体积大的混凝土基础为了防止施工混凝土水化热形成内外温差，导致温度裂缝，一般要求基础表面配置构造钢筋。但是在提升机设备与混凝土基础间的直接作用力的部位有2处：①螺栓垫板处基础混凝土局部承压，应力集中现象明显，需要进行局部加强处理。设计中，在基础混凝土中设置与钢套管焊接的预埋钢垫板。设置钢垫板可将压应力进一步扩散，降低套管周边混凝土的应力水平。②型钢抗剪键埋入混凝土基础应通过计算具有相应的长度。并在型钢表面设置铆钉，增加锚固强度。
4.2提升机基础的稳定性计算
提升机通过螺栓与型钢抗剪键与混凝土基础连成一体，共同工作。提升钢绳的斜向上拉力成为基础的稳定不利因素。因此需要进行基础稳定性的计算。基础的稳定性计算又包括两方面：基础的抗倾覆和基础的抗滑移。
4.2.1基础抗倾覆计算
基础四周土的固着作用，对抗倾覆也有一定的作用，但因力臂小，因此一般不考虑。目前较常用的库伦理论导得的被动土压力计算值偏大，另外基础四周的回填土的施工质量不稳定。因此稳定计算中，被动土压力一般都不考虑。根据《煤矿矿井建筑结构设计规范》GB50592-2010提升机基础的抗倾覆稳定性按8.2.8条的公式进行计算。抗倾覆的稳定性系数取值按表8.2.9取值，设计时应注意荷载组合，基本组合和偶然组合是有区别的。
4.2.2基础抗滑移计算
基础抗滑移计算为克服基底面与基底土之间的摩擦力而沿基底面滑动。在抗滑计算中有两个有利因素未考虑进去。（1）室内用混凝土做的一定厚度刚性地坪对基础的抗滑作用，实际上构造合理的刚性地坪具有良好的防止基础滑动的功能。（2）基础四周回填土的固着作用对基础抗滑有一定的作用。因此，正常按公式计算的结果具有一定安全系数。抗滑移的计算同样依据《煤矿矿井建筑结构设计规范》GB50592-2010，第8.2.7条进行计算，抗滑移的稳定性系数取值按表8.2.9取值，设计时同样需注意荷载组合，基本组合和偶然组合是有区别的。
5．结语
矿井提升机房是煤矿所特有的地面建筑，所以在设计初应先结合煤矿矿井建筑物的相关设计规范来进行设计。在实际工程设计中，应先了解清楚相关的工艺布置，在满足相关建筑结构规范的同时，以满足生产工艺为前提来进行设计。清楚的了解工艺布置非常有助于建筑结构设计，就能知道建筑物中主要受力点在什么地方，根据受力情况布置结构体系就可以更合理、经济的完成结构设计。