氣膜結(jié)構(gòu)技術在大跨度異型儲煤場的應用

張 衛(wèi) 兵

(山西西山金信建筑有限公司，山西 太原 030200)

0 引言

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，大空間結(jié)構(gòu)的需求和運用越來越多，在現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)體系中，膜結(jié)構(gòu)是一種全新的建筑結(jié)構(gòu)形式，其大跨度大空間、造型新穎和現(xiàn)代的風格，符合環(huán)保、節(jié)能可持續(xù)發(fā)展，很大程度上滿足人們審美觀念和工業(yè)化高質(zhì)量發(fā)展的實際需求，也為高科技綠色生態(tài)建筑發(fā)展提供了廣闊的空間。膜結(jié)構(gòu)可分為張拉膜結(jié)構(gòu)和氣膜結(jié)構(gòu)兩大類，氣膜建筑從技術方面是一個高強度膜結(jié)構(gòu)建筑，是用特殊的建筑膜材做外殼，配備一套智能化的機電設備在氣膜建筑內(nèi)部提供空氣的正壓，把建筑主體支撐起來的一種建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。本文針對西山煤電某大型原煤儲煤場封閉項目大跨度異型布置且場地內(nèi)坐落一條大型輸煤落煤走廊的特點進行分析，應用氣膜結(jié)構(gòu)技術解決了難題，總結(jié)了施工過程中的經(jīng)驗，為新型材料推廣提供借鑒。

1 工程概況

西山煤電集團某礦原煤儲煤場封閉工程位于山西省古交市東曲，北鄰上山排矸公路及太古客貨鐵路運輸線，東側(cè)緊鄰山體陡坡，西側(cè)為某選煤廠主洗車間、濃縮池及輸煤轉(zhuǎn)載站，南側(cè)緊鄰古交電廠燃煤地下通道回風斜井工業(yè)廣場，場內(nèi)坐落長96 m的輸煤棧橋。項目占地13 000 m2，下部基礎及擋墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部為氣膜結(jié)構(gòu)。最大跨度83.721 m，最長邊長140.5 m，總高31.15 m,其中鋼筋混凝土擋墻高3.15 m，氣膜高度28.0 m，氣膜外包鋼索網(wǎng)(儲煤場平面布置如圖1所示)，還包括通風、智能控制、消防、照明等。通風設主動送風口4個，自動排風口2個，應急門4個；汽車運煤密閉通道2個，人行通道1個；配套控制室布置在封閉空間場外西南側(cè)?；A及擋墻部分的設計使用年限為50年，氣膜結(jié)構(gòu)的設計使用年限約為15年～30年，結(jié)構(gòu)設計安全等級為2級，抗震設防烈度為7度，氣膜建筑內(nèi)壓值：200 Pa～500 Pa之間。

2 工程難點

難點一：氣膜建筑結(jié)構(gòu)靠內(nèi)外氣壓差來支撐整個氣膜結(jié)構(gòu)受力，保證膜面剛度，使膜面維持形態(tài)并抵抗外部荷載，因此氣膜結(jié)構(gòu)規(guī)劃以長方形、正方形、圓形布置為首選，有利于氣壓承載。由于受南側(cè)古交電廠燃煤地下通道的回風機房影響，儲煤場為不規(guī)則七邊形，跨度大且南側(cè)凹形陰角132°，其余凸形，陽角最小66°，呈大跨度異型結(jié)構(gòu)，設計加工難。

難點二：在封閉儲煤場內(nèi)有一座輸煤棧橋長96 m共5跨，斷面3.5 m×2.5 m,棧橋高度5.5 m～17 m。膜單元在安裝、充氣過程中要保證膜材避免受污染、損傷等，給膜單元就位及展開帶來施工困難，同時增加棧橋在氣膜空間內(nèi)的封閉難度。

3 氣膜結(jié)構(gòu)設計及材料選用

本儲煤場封閉氣膜建筑由鋼筋混凝土擋墻基礎、氣膜體及鋼索網(wǎng)、風機加壓及換氣、氣密門系統(tǒng)、降塵、消防、電氣、智能監(jiān)控等組成。

3.1 設計原則

針對儲煤場不規(guī)則七邊形含凹形陰角布置，氣承膜結(jié)構(gòu)設計采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，以分項系數(shù)設計表達式進行計算。按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載(效應)組合，取各自的最不利效應組合進行設計，并進行初始形態(tài)分析、荷載效應分析、裁剪分析，膜節(jié)點細部設計和膜面裁剪線的布置，考慮建筑美觀要求。

3.2 基礎條件及氣膜荷載參數(shù)

1)鋼筋混凝土擋墻預埋地腳螺栓(Q345)φ40@900,錨入墻內(nèi)40d；汽車通道預埋螺栓(Q345)φ25@900,錨入墻內(nèi)30d，外露絲長均150 mm；混凝土基面平整。

2)氣膜荷載參數(shù)(根據(jù)本工程情況及當?shù)貧庀筚Y料)：

恒荷載：氣膜結(jié)構(gòu)自重0.012 kN/m2；

膜面預應力：徑向2 kN/m,緯向2 kN/m；

活荷載：膜面0.4 kN/m2；

風荷載：基本風壓0.4 kN/m2；風振系數(shù)取1.0～2.0；

雪荷載：基本雪壓0.35 kN/m2；地面粗糙度類別為B類。

氣膜建筑內(nèi)壓值：200 Pa～500 Pa之間，室內(nèi)氣壓為室外氣壓的1.001倍～1.003倍，隨著風荷載、雪荷載等氣候環(huán)境自動調(diào)節(jié)。

3.3 氣膜材料選用及鋼索網(wǎng)

1)本工程膜材設計使用年限30年，在未滿設計年限之前，如果膜材損壞，允許更換膜材。

膜材選用P類高強PVDF單層膜結(jié)構(gòu)，拉伸強度為7 000/6 500(經(jīng)/緯向)N/5 cm，厚度為1.0 mm±0.05 mm，防火等級：B1，透光率8%；膜結(jié)構(gòu)的裁剪分析是在初始形態(tài)基礎上，按空間曲面確定膜片間的裁剪線，用測地線法獲得與空間曲面最接近的平面展開膜片。

2)鋼索網(wǎng)及錨固系統(tǒng)。

鋼索網(wǎng)采用鋼纜縱橫向正交布置，鋼芯鋼絲繩直徑為16 mm，選用高強度、防老化、防銹處理的白色PE保護索?；A錨固采用氣膜建筑專用錨固件將氣膜固定在混凝土擋墻頂上。鋼索錨具材質(zhì)均為20號碳鋼；鋁材夾板材質(zhì)均為A6063T5，鋁材質(zhì)量符合GB/T6892工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材C類標準。

3.4 結(jié)構(gòu)計算

為保證氣膜建筑的安全，增強抗風雪能力，氣膜表面設計加裝錨固的鋼索網(wǎng)即應力消除系統(tǒng)。鋼索網(wǎng)受力原理：1)通過設置在膜表面的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，限制膜材的延展率，降低膜材的內(nèi)應力，從而延長膜材的使用壽命，降低膜材撕裂的風險。2)氣膜建筑頂部呈負壓狀態(tài)，大風作用下結(jié)構(gòu)會受到一個巨大向上的提拔力，通過鋼索網(wǎng)系統(tǒng)整體受力抵消巨大的向上提拔力，保護氣膜建筑安全。

該原煤儲煤場呈不規(guī)則七邊形布置，氣膜結(jié)構(gòu)在第一類荷載效應組合下，可按內(nèi)壓不變進行非線性分析；在第二類荷載效應組合下，按內(nèi)壓不變和內(nèi)壓變化兩種工況進行非線性分析。按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載(效應)組合，并取各自的最不利效應組合進行設計，見表1。

表1 荷載效應的組合表

1)儲煤場氣膜結(jié)構(gòu)拉索的抗拉力設計值按下式計算：

其中，F(xiàn)為抗拉力設計值，kN；Ftk為極限抗拉力標準值,kN；γR為抗力分項系數(shù)，取2.0。

2)儲煤場氣膜結(jié)構(gòu)在荷載組合作用下，膜面各點的最大主應力滿足要求：

其中，σmax為在各種荷載組合作用下的最大主應力值；f為對應于最大主應力方向的膜材抗拉強度設計值；fk為膜材極限抗拉強度標準值；ζ為強度折減系數(shù)，一般部位取1.0，節(jié)點和邊緣部位取0.75；γR為膜材抗力分項系數(shù),第一類荷載效應組合時取5.0，第二類荷載效應組合時取2.5。

3)根據(jù)氣膜結(jié)構(gòu)鋼網(wǎng)索受力設計云圖計算分析，在承載能力極限狀態(tài)時，按軸力N最大和軸力N最小分別進行驗算，構(gòu)件承載力最大為115.2 kN；在正常使用極限狀態(tài)時，按軸力N最大和軸力N最小分別進行驗算，構(gòu)件承載力最大為89.3 kN。通過計算儲煤場實際平面，在不規(guī)則七邊形的陰角脊線方向布置橫向鋼纜與縱向鋼纜斜交，鋼纜布設網(wǎng)格大小3 m左右。鋼索之間采用鋁合金金屬卡扣鎖死，防止相互滑動損壞PE保護層，整體鋼索網(wǎng)采用不銹鋼錨頭與基礎連接固定。

4 氣膜安裝

儲煤場氣膜安裝工藝：復核擋墻及預埋件尺寸→搭設棧橋防護鋼架→按設計圖膜單元就位→拉結(jié)擋墻預埋件至鋼架臨時鋼絲繩@900 mm(展鋪膜材時使用)→膜單元展開→布設PE鋼纜→密封處理(膜材與擋墻、棧橋、通道等)及氣密門安裝→密封檢查、電氣設備智能控制調(diào)試→充氣調(diào)運。

4.1 輸煤皮帶連廊處理方案

該儲煤場內(nèi)有一條輸煤棧橋，氣膜結(jié)構(gòu)膜單元鋪設及充氣施工過程中防止污染和損傷膜材是難點。解決措施：沿輸煤皮帶連廊水平段焊接鋼架，長61 m，寬6 m,高18 m,將輸煤連廊包在鋼架內(nèi)，正上方6 m寬平臺上沿著連廊方向按1 m間距焊鋼管，滿鋪模板，同時將鋼架、棧橋、擋墻采取包裹等保護措施防止損傷膜材。

4.2 膜單元安裝

膜結(jié)構(gòu)安裝前先復核擋墻及預埋件尺寸是否正確，擋墻頂面是否平整，并對安裝現(xiàn)場可能傷及膜材的物體采取保護措施，同時膜材在工廠加工好并按照氣膜設計展開方向打包。按照設計膜單元總裝圖和分裝圖布置，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用兩臺50 t吊車配合將膜材由煤場北面、東面和南面吊運至煤場指定膜材攤開位置(如圖2膜單元位置分布及加工廠膜材打包圖)，膜一到膜四的第一步南向北疊寬1.8 m，第二步西向東卷寬1.8；膜五和膜六的第一步東向西疊寬1.8 m，第二步南向北卷寬1.8 m。在煤場內(nèi)展開完成拼接壓邊。

現(xiàn)場展開膜材順序與加工廠膜材打包圖反向，膜材由東側(cè)往西側(cè)開始拼接，第一步將膜五、膜六兩片膜材展開拼接好，吊運到靠東側(cè)皮帶連廊頂上；第二步將膜三、膜四在地上展開，用兩臺吊車同時起吊，將長條形的膜三、膜四吊到鋪滿鋼管的連廊鋼架上進行拼接，同時拉結(jié)擋墻預埋件至鋼架輔助鋼絲繩，按1 000 mm間距布置，方便把膜片架起來。完成膜三、膜四拼縫后，將兩片膜同時向南北方向拉開，再拼接與膜五、膜六的接縫；第三步膜一、膜二的安裝方法同膜三、膜四，沿南北方向拉開膜一、膜二之后，開始拼接與膜三、膜四的拼縫，完成整體拼接。

5 重點部位密封處理

5.1 膜材單元連接密封處理

膜結(jié)構(gòu)的連接件銜接點的強度、剛度和耐久性必須滿足不先于所連接的膜材、拉索破壞，并不得產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)受力性能的變形，膜單元之間的連接采用鋁質(zhì)夾板連接并有膜材批簾保護。

5.2 膜材與連廊密封處理

氣承式膜結(jié)構(gòu)建筑對氣密性要求高，本工程高空連廊內(nèi)部設氣密門2道，氣密門做法：垂直皮帶方向沿連廊內(nèi)部四周布設40×40角鋼，安裝雪花板并留設人員通過密閉門，皮帶上下設置密封膠條批簾。連廊外側(cè)密封做法：100×100角鋼與連廊外側(cè)墻固定，用20號工字鋼與連廊底板固定并焊接100×100角鋼，膜材與角鋼通過鋁質(zhì)夾板密封連接。

6 注意事項

1)膜材制作:

a.膜材必須是同一企業(yè)同批次，制作前先進行經(jīng)緯向抗拉強度、厚度、重量等技術指標的檢測。

b.膜片下料時先檢查，保證膜片上無針孔、斷絲、裂縫及破損，且各膜片無明顯色差和污漬。

c.熱合加工前先進行熱合實驗，膜材熱合處的拉伸強度不低于母材強度的80%，符合要求后方可正式進行熱合加工，加工并檢驗合格的膜單元，要單獨存放。d.現(xiàn)場膜單元包裝打開前檢查包裝在運輸中有無損壞，打開包裝后認真檢驗膜單元成品質(zhì)量。

2)充氣:

風力大于三級或氣溫低于4 ℃時，不能進行氣膜充氣作業(yè)。充氣時注意風速和風向，避免發(fā)生位移過大造成膜材撕裂，通風系統(tǒng)的主動進風口在設計上避免風機直吹，采取擋風板改變風向。

3)氣承膜在充氣調(diào)試過程中做好記錄保存，膜面漏氣下降的過程也是充氣成型過程的逆過程，因此要根據(jù)氣膜充泄氣的當時環(huán)境條件重點分析充氣成型的過程，利用逆向思維分析充氣膜漏氣下降的過程，為儲煤場氣膜結(jié)構(gòu)的施工安裝、正常運行、維護更換，預測膜面下降的具體位置提供重要依據(jù)。

7 結(jié)語

1)在儲煤場封閉氣膜施工中，針對跨度大且異型布置的特點，利用氣膜結(jié)構(gòu)技術進行鋼索網(wǎng)受力荷載計算、膜材裁剪、膜單元展開及鋼索布設，解決了該儲煤場氣膜建筑的設計及施工難題。

2)智能系統(tǒng)通過PLC模塊和監(jiān)控系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)進行分析，自動調(diào)節(jié)換氣量，各系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。經(jīng)過近一年的運行，經(jīng)測驗，氣流損失小于規(guī)劃值，最大靜內(nèi)壓小于最大作業(yè)內(nèi)壓規(guī)劃值，壓力操控按規(guī)劃運轉(zhuǎn)，各項指標均正常，充分體現(xiàn)了氣膜建筑安全性高、環(huán)保技術強的社會效益。氣膜建筑透光率好，通風設備變頻控制，能源消耗節(jié)省，屋面重量僅為常規(guī)鋼屋面的1/30，減少用鋼量，體現(xiàn)了良好的經(jīng)濟效益。

3)氣膜結(jié)構(gòu)膜材強度高且彈性膜量較低，這有利于膜材構(gòu)成異型的空間造型，簡潔、流動,富有時代氣息，為今后施工同類型空間結(jié)構(gòu)提供借鑒。