封闭储煤场应用气膜结构设计研究

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摘要：封闭储煤场采用气膜结构，设计充分利用现有贴邻建筑外墙、屋面板作为气膜固定支座，现有走廊穿越气膜位置设计支架（框架结构）固定气膜，通过采取一系列技术措施，尽量减少拆旧新建工程，节约投资，确保现有储煤场占地面积不减小、储煤量不减少、现有生产工艺设备正常运行，达到了环保要求且取得了良好的经济、社会效益。

关键词：膜结构；支座反力；框架结构；模型简化

1引言

气膜结构，即气承式膜结构，是通过在高分子复合膜材形成的密闭空间中注入空气，产生并保持一定的室内外压差，使膜面受拉以保证刚度，同时维持形态并抵抗外部荷载的一种结构形式（见图1）。该种结构形式在发达国家已有近50年的发展历史和应用，但在国内尚属于起步阶段。因膜材的自重轻(仅1kg/m2左右)，再加上高强钢索的应用使得气膜结构的受力体系直接、简洁、合理，非常适合于中部无支承的大跨度结构体系。相对于钢结构大跨结构，有重量轻、造价低、施工周期短、对生产影响小等优点，气膜结构非常适用于封闭储煤场，应用前景十分广阔。

2工程概况

山西平舒煤业有限公司封闭储煤场工程主体为钢筋混凝土挡土墙和框架结构，屋顶为气膜结构。长度120m～140m，宽度80m～99m，高约38m,建筑面积13126.63m2。封闭储煤场工程是对在用露天储煤场进行封闭，封闭后储煤量不能减少，不新增购地，施工期间储煤场运营正常进行，不能中断生产。原露天储煤场内东西向3条皮带走廊从气膜穿出，场地东侧贴临选煤厂库房、煤泥走廊、转载点等建构筑物，西南角座落一幢排矸楼，北侧紧贴12m高的土质边坡。现状地形比较复杂，场地内各类建、构筑物多且布置不规则，为达到环保要求，封闭储煤场工程必须将全部落煤（矸石）点封闭在储煤场内，这些复杂条件给设计造成了很大的难度（见图2），设计从安全、经济、工期等因素综合考虑，该储煤场封闭采用气膜结构，充分利用现有贴邻建筑外墙、屋面板做为气膜支座；走廊穿过气膜位置设计支架（框架结构）作为气膜支座，解决膜结构开孔问题（现有钢结构走廊不能固定气膜）；排矸楼北侧、东侧贴建附属建筑封闭落矸点且作为固定气膜支座，避免了膜结构跨越排矸楼问题，通过这一系列技术措施，最大限度的利用了现有场地（见图3）。

3工程设计要点

3.1多条皮带走廊穿出气膜结构设计

气膜结构要求受力均匀，开洞受到严格限制。现有场地有6条不同位置、不同标高的皮带走廊，其中东西向3条需要从气膜结构内部穿出,比较集中，其中一条最大洞口5m×4m，气膜开孔不能直接固定于现有钢结构走廊。设计通过在原有皮带走廊与膜结构空间相交位置新建支架（框架结构，见图4）,皮带走廊从支架内部穿过。通过支架顶部、侧墙设梁（斜柱）作为气膜结构支座，且利用支架外墙及顶板实现储煤场密闭。膜结构空间形状相对固定，设计支架主要步骤为：①通过膜结构和皮带走廊平、立、剖面图，精确定位出膜与原皮带走廊相交的空间位置；②根据该位置确定新建支架的平面布置，绘制支架和皮带走廊平面图；③结合原皮带走廊的标高初步确定新建支架层高，预估框架梁、柱截面，应满足框架梁与原皮带走廊不打架、层高相对均匀且满足膜结构锚固要求，绘制支架、皮带走廊和膜结构立、剖面图；④统计荷载并建模计算、调整模型；⑤根据调整后的模型修改步骤2、3中平、立、剖面图，复核支架、原皮带走廊及膜结构锚固线的空间相对位置关系，若有冲突则应调整平、立、剖面图，相应调整模型、重新统计荷载及重新计算；⑥重复步骤4、5直到满足要求。本工程PKPM建模计算时按气膜充气、不充气2种工况分别计算荷载，取最不利荷载进行结构设计。膜结构反力在屋面支座处为向气膜内的水平拉力及垂直于屋面的上拔力，在侧墙支座处为平行于侧墙向气膜内及垂直于侧墙向气膜外的水平力。本工程简化气膜支座反力时，侧墙上线荷载转化为集中荷载加在节点上；屋面按实际情况输入荷载，进行结构的整体计算分析。侧墙上用于气膜锚固的斜柱，简化为均布荷载下的简支梁单独进行计算。框架结构支架高度较高，屋顶及侧墙水平力使基础产生很大的弯矩，上拔力使基础轴向压力减小，基础设计应考虑其不利影响。施工图设计时，屋顶设上翻梁做膜结构支座，防止屋顶雨水进入室内；侧墙气膜锚固轨迹线实际为弧线，在膜结构受力允许范围内将弧线简化为折线，设斜梁做膜结构支座。

3.2气膜结构切大角设计

本工程西南角原有排矸楼为框架结构，顶部两层抽柱后形成大空间结构，不能为气膜结构提供可靠的锚固。又因原排矸楼高约20m，新建膜结构难以跨越，导致膜结构在该处需要切掉边长为46mX42m大直角三角形，见图4。本工程采取在排矸楼北侧、东侧新建附属建筑一（框架结构）为膜结构提供支座（也起局部封闭作用），新建附属建筑不能影响原排矸楼生产功能，即：排矸楼北侧排矸孔能继续排矸，且铲车能到排矸口下作业；北侧一条皮带走廊、东侧两条皮带走廊能正常运转，尤其东侧一条皮带有受煤口，应满足铲车可以将煤场内煤倒入该受煤口。受现有场地限制，为满足现有工艺要求，附属建筑最终确定为柱距8m～10m，层高13m的单层框架结构。此处附属建筑屋顶与膜结构相交线为斜线。在附属建筑屋顶做上翻梁作为气膜结构支座，该梁与主框架梁斜交。本工程用PKPM建模进行整体结构的计算分析，斜梁为次梁，气膜支座反力的上拔力按线荷载输入模型；水平力在模型中不能直接输入，按与最近主框架相交点之间为一跨计算，先转换为集中力，再根据斜梁与主框架的夹角分解为与主框架梁方向一致的2个分力，按分力的1/2分别加到与最近主框梁相交的节点上，侧墙上膜支座反力处理与上述方法相同。为保证斜梁上的支座反力能传递到框架柱上，屋面设间距不大于2.4m的井字梁提高结构的整体性，保证水平力的传递。

3.3现有建筑落煤口设计

设计受到东侧不规则场地及现有异形建（构）筑物的限制，为保证气膜结构合理性和降低工程造价，避免大面积跨越现有建筑，设计仅封闭落煤口一侧，现有建筑屋面及其它侧墙保留在气膜封闭以外。通过在原转载点周边新建附属建筑二（框架结构），并紧贴原转载点，利用新建附属建筑外墙、顶板及原转载点外墙、顶板实现气膜结构密闭，在新建附属建筑上设梁做膜结构支座（详见图5）。新建附属建筑受到原转载点限制，纵向框架梁不能与框架柱连接，严格意义上讲，此部分框架结构受力更接近于排架结构，故按照框架结构和排架结构2种形式，并考虑膜充气和膜不充气2种工况分别对结构进行计算分析，按最不利情况计算包络配筋。

3.4新旧建筑连接设计

本工程在利用现有建筑外墙、顶板实现密闭时，多处遇到新旧建筑连接问题。其中部分新建附属建筑框架梁需要支撑在原有建筑外墙上。本工程通过在原有建筑圈梁上植筋做框架柱，并设拉杆与原砌体房屋梁拉结，形成刚性支座，再与新建附属建筑框架梁相连（详见图5），此部分模型简化时按单跨框架建立模型，将与现有建筑连接一侧的框架梁支座定为铰接进行计算，框架梁与现有建筑屋顶主梁用拉杆连接，此处框架计算模型简化与实际略有区别，但计算结果经过校核仍能满足工程安全需要。

4结语

2019年4月，山西平舒煤业有限公司封闭储煤场工程竣工投入使用，现生产情况、储煤量等均达到预期效果。本文通过介绍该工程设计过程解决的实际问题，为设计人员解决复杂场地条件下对现有煤场封闭提供有意义的经验参考。

参考文献

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[2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版,2010.

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[4]李博,陈志华,刘红波,等.ETFE气枕式膜结构[J].建筑钢结构进展,2016,18(05):1-9.

[5]周洋,孙卓尔,钱铖.建筑膜材及气膜结构性能特点与应用现状[J].新型建筑材料,2016,43(08):96-99+127.

作者：王董平 郭文斌 单位：山西国辰建设工程勘察设计有限公司