浅谈铁矿山建筑中钢结构替代钢筋混凝土结构优化设计

浅谈铁矿山建筑中钢结构替代钢筋混凝土结构优化设计

石雄伟彭成司鑫泉

河钢集团矿业有限公司司家营南区分公司

摘要：在国内外建筑施工尤其是工业厂房施工中以大量钢结构替代传统钢筋混凝土施工已早有实施，然而该应用在国内矿山尤其是铁矿山地面建筑中还处于起步阶段，尤其是钢结构替代钢筋混凝土在结构优化设计方面仍有许多待研究之处。本文在考虑国内钢铁矿山行业持续低迷但仍需发展的大环境下，从降低铁矿地面建筑建设费用成本、缩短投资回收期出发，以结构设计优化角度研究钢结构替代钢筋混凝土的优势和方法，为今后的铁矿山建设提供一些建议。

关键词：钢结构；钢筋混凝土；优化设计

引言

随着我国钢铁行业发展进入新常态，铁矿山工业建筑中采用钢结构大量替代混凝土结构已然成为趋势。然而，在许多新建及改建矿山建筑设计中却仍旧存在许多欠改进的钢筋混凝土结构，这些结构在施工成本、进度、节能和环境保护等方面严重影响着工程建设发展，需加以优化设计。

一、钢结构替代钢筋混凝土结构优势

1.1自重轻、抗震性能好

工业厂房中钢筋混凝土建筑物自重在1.5～2.0t/m3左右，而钢结构自重大多在1t/m3以下，低的只有0.5～0.6t/m3。自重轻不仅可以减少运输和吊装费用，还可以降低基础造价。并且钢有一定的韧性，抗震性能优越，钢梁、钢柱组成柔性框架可抵抗8度以上地震，因此在地震频发国家应用广泛。

1.2节能环保、资源可回收利用

现在我国铁矿山实际生产年限较设计的服务年限大为缩短，结构尚未达到设计使用年限，矿山因为资源枯竭而废弃，造成矿山地面建筑的巨大浪费，如果采用钢结构则可以拆除异地重建，具有回收价值，而且钢结构施工采用干式施工，节约用水，施工占地少，产生的噪音小、粉尘少，具有良好的经济效益和环境效益。

1.3结构布置灵活，有利设备布置等

传统钢筋混凝土结构大量存在由于预埋铁位置在施工中偏离或者发生设备安装设计变更等给设备安装造成困难。而钢结构柱距及开间布置灵活，可适应不同的工艺要求和设备的布置，其所有墙体均为非承重墙体，利于房间的灵活分割和以后的改造更新。

1.4施工期短、投资费用少

钢结构采用场外预制场内吊装装配全天候作业施工，一般轻钢项目工期3~6个月，重大项目的工期约1年。与钢筋混凝土结构相比，减少混泥土结构钢筋捆扎等复杂程序，缩短了建设周期，提前投入生产，实现了企业投资尽快回收。

二、钢结构替代钢筋混凝土结构优化设计方法

2.1钢及钢筋混凝土结构在铁矿山地面建筑的应用情况

铁矿山地面建筑一般分为行政福利建筑和工业建筑物（构筑物）两大部分。其中行政福利建筑其结构形式多采用钢筋混凝土框架结构或多层砖混结构，主要包括办公楼、宿舍楼、食堂、浴室、车库等，工业建筑物及构筑物主要包括井架、井口房、粗碎车间、中碎车间、高压辊磨车间、主厂房、中间储矿仓、筛分车间、污水处理站、检修车间、变电所、各通廊、转运站等，其结构形式采用钢结构及钢筋混凝土结构均有。

2.2钢结构替代钢筋混结构优化设计中建筑物及建筑部位选择

大部分铁矿地面建筑具有以下特点：①建筑层数较少，一般为单层或2层；②建筑物跨度相对较大；③设备荷载大多直接作用于地面及屋面，荷载相对较小；④轴网设置不够整齐划一，构件种类繁多；⑤当房屋设有起重设备时，起重量一般不超过20t；⑥小型建筑物多且高度较高，如转运站等。这些特点采用传统混凝土结构的存在施工工期长、工业化低、资源和能源消耗大、对周围环境污染较大、投资周期长等缺点，不能适应快速、高效的现代矿山建设需要。故可采用技术经济方案比较采用全钢结构或钢与混凝土组合结构进行优化设计。

钢结构既有轻型钢结构也有普通钢结构，门式刚架结构体系作为近年来发展最快的轻型钢结构，其主承重结构主要以门式刚架为主，而围护结构多采用夹芯板。钢结构柱脚的内力较混凝土结构的小，能降低地基处理和基础的费用，对于地基条件较差的建设场地采用钢结构有明显的经济意义。

因此，对于多层框架混凝土结构如办公楼、变电所、备品备件库，大跨度框架混凝土或框剪结构如主厂房、破碎车间、筛分车间、检修车间以及各规格筒仓、各原料输送通廊、转运站等建筑物均可采用全钢结构或钢与混凝土组合结构替代进行优化设计。而对小跨度、单层或多层钢筋混凝土结构如食堂、浴室等建筑物其部分承重构件如柱、梁、板等部位亦可考虑钢结构优化替代。

2.3钢结构替代钢筋混凝土结构优化设计要点分析

1）钢结构替代钢筋混凝土结构应重点考虑技术的可行性与可操作性，尽可能实现结构构思与建筑构思的有机结合。进行设计优化必须与机械、设备、结构等工程师进行沟通，多方协调配合，并应深入了解各种材料的特性及相应技术，保证优化设计方案的可实施性。

2）通过对钢结构建筑的节点进行合理设计，能够显示钢结构特有的结构美感。同时为了满足钢结构的防火需求，在一些节点进行防火设计，例如防火板材封闭节点或者涂抹防火材料等，保证钢结构的安全性和耐久性。

3）在进行地基结构优化设计时应对现场水文地质条件、荷载大小、分布情况等进行研究，根据实际情况进行基础设计，如为了增加基础结构整体性可采用交叉梁条钢结构地基。

4）在进行钢材焊接施工时应将焊接部位彻底清理干净，按照焊接施工规范保管和存放钢材，高度重视气孔部位施工，避免出现裂缝。再者，大部分铁矿钢结构暴露空气中，长期会致腐蚀，降低钢材性能，影响安全生产。而先进防锈涂料及施工工艺的出现，可保证钢结构在正常使用条件下50年不锈蚀，再加上新型轻质、高强、性能优越的围护材料的问世，能很好解决防腐问题。如钢结构筒仓为防止上部仓体腐蚀，其外部涂防锈漆，内部涂环氧树脂磨面漆，效果良好。

三、结束语

钢、混凝土等材料各有其特点，作为优化设计人员应充分发挥每一种材料的优点，多加强理论学习，增进工程实践经验，多层次多角度的进行分析，不断进行优化设计，以求最终设计出既安全可靠又经济合理的建筑，不断改进我国钢结构在铁矿山中的应用。

参考文献

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