復雜條件下封閉儲煤場應用氣膜結(jié)構(gòu)設計探討

王董平 ,郭文斌 （山西國辰建設工程勘察設計有限公司，山西 陽泉 045000）

1 引言

氣膜結(jié)構(gòu)，即氣承式膜結(jié)構(gòu)，是通過在高分子復合膜材形成的密閉空間中注入空氣，產(chǎn)生并保持一定的室內(nèi)外壓差，使膜面受拉以保證剛度，同時維持形態(tài)并抵抗外部荷載的一種結(jié)構(gòu)形式（見圖1）。該種結(jié)構(gòu)形式在發(fā)達國家已有近50年的發(fā)展歷史和應用，但在國內(nèi)尚屬于起步階段。

圖1 充氣膜結(jié)構(gòu)示意

因膜材的自重輕 (僅1kg/m2左右)，再加上高強鋼索的應用使得氣膜結(jié)構(gòu)的受力體系直接、簡潔、合理，非常適合于中部無支承的大跨度結(jié)構(gòu)體系。相對于鋼結(jié)構(gòu)大跨結(jié)構(gòu)，有重量輕、造價低、施工周期短、對生產(chǎn)影響小等優(yōu)點，氣膜結(jié)構(gòu)非常適用于封閉儲煤場，應用前景十分廣闊。

2 工程概況

山西平舒煤業(yè)有限公司封閉儲煤場工程主體為鋼筋混凝土擋土墻和框架結(jié)構(gòu)，屋頂為氣膜結(jié)構(gòu)。長度120m～140m，寬度80m～99m，高約38m,建筑面積13126.63m2。

封閉儲煤場工程是對在用露天儲煤場進行封閉，封閉后儲煤量不能減少，不新增購地，施工期間儲煤場運營正常進行，不能中斷生產(chǎn)。原露天儲煤場內(nèi)東西向3條皮帶走廊從氣膜穿出，場地東側(cè)貼臨選煤廠庫房、煤泥走廊、轉(zhuǎn)載點等建構(gòu)筑物，西南角座落一幢排矸樓，北側(cè)緊貼12m高的土質(zhì)邊坡?，F(xiàn)狀地形比較復雜，場地內(nèi)各類建、構(gòu)筑物多且布置不規(guī)則，為達到環(huán)保要求，封閉儲煤場工程必須將全部落煤（矸石）點封閉在儲煤場內(nèi)，這些復雜條件給設計造成了很大的難度（見圖2），設計從安全、經(jīng)濟、工期等因素綜合考慮，該儲煤場封閉采用氣膜結(jié)構(gòu)，充分利用現(xiàn)有貼鄰建筑外墻、屋面板做為氣膜支座；走廊穿過氣膜位置設計支架（框架結(jié)構(gòu)）作為氣膜支座，解決膜結(jié)構(gòu)開孔問題（現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)走廊不能固定氣膜）；排矸樓北側(cè)、東側(cè)貼建附屬建筑封閉落矸點且作為固定氣膜支座，避免了膜結(jié)構(gòu)跨越排矸樓問題，通過這一系列技術(shù)措施，最大限度的利用了現(xiàn)有場地（見圖3）。

圖2 煤場現(xiàn)狀鳥瞰圖

圖3 封閉儲煤場平面圖

3 工程設計要點

3.1 多條皮帶走廊穿出氣膜結(jié)構(gòu)設計

氣膜結(jié)構(gòu)要求受力均勻，開洞受到嚴格限制?，F(xiàn)有場地有6條不同位置、不同標高的皮帶走廊，其中東西向3條需要從氣膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部穿出,比較集中，其中一條最大洞口5m×4m，氣膜開孔不能直接固定于現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)走廊。設計通過在原有皮帶走廊與膜結(jié)構(gòu)空間相交位置新建支架（框架結(jié)構(gòu)，見圖4）,皮帶走廊從支架內(nèi)部穿過。通過支架頂部、側(cè)墻設梁（斜柱）作為氣膜結(jié)構(gòu)支座，且利用支架外墻及頂板實現(xiàn)儲煤場密閉。

圖4 東側(cè)三條皮帶走廊穿膜示意圖

膜結(jié)構(gòu)空間形狀相對固定，設計支架主要步驟為：①通過膜結(jié)構(gòu)和皮帶走廊平、立、剖面圖，精確定位出膜與原皮帶走廊相交的空間位置；②根據(jù)該位置確定新建支架的平面布置，繪制支架和皮帶走廊平面圖；③結(jié)合原皮帶走廊的標高初步確定新建支架層高，預估框架梁、柱截面，應滿足框架梁與原皮帶走廊不打架、層高相對均勻且滿足膜結(jié)構(gòu)錨固要求，繪制支架、皮帶走廊和膜結(jié)構(gòu)立、剖面圖；④統(tǒng)計荷載并建模計算、調(diào)整模型；⑤根據(jù)調(diào)整后的模型修改步驟2、3中平、立、剖面圖，復核支架、原皮帶走廊及膜結(jié)構(gòu)錨固線的空間相對位置關(guān)系，若有沖突則應調(diào)整平、立、剖面圖，相應調(diào)整模型、重新統(tǒng)計荷載及重新計算；⑥重復步驟4、5直到滿足要求。

本工程PKPM建模計算時按氣膜充氣、不充氣2種工況分別計算荷載，取最不利荷載進行結(jié)構(gòu)設計。膜結(jié)構(gòu)反力在屋面支座處為向氣膜內(nèi)的水平拉力及垂直于屋面的上拔力，在側(cè)墻支座處為平行于側(cè)墻向氣膜內(nèi)及垂直于側(cè)墻向氣膜外的水平力。本工程簡化氣膜支座反力時，側(cè)墻上線荷載轉(zhuǎn)化為集中荷載加在節(jié)點上；屋面按實際情況輸入荷載，進行結(jié)構(gòu)的整體計算分析。側(cè)墻上用于氣膜錨固的斜柱，簡化為均布荷載下的簡支梁單獨進行計算?？蚣芙Y(jié)構(gòu)支架高度較高，屋頂及側(cè)墻水平力使基礎產(chǎn)生很大的彎矩，上拔力使基礎軸向壓力減小，基礎設計應考慮其不利影響。施工圖設計時，屋頂設上翻梁做膜結(jié)構(gòu)支座，防止屋頂雨水進入室內(nèi)；側(cè)墻氣膜錨固軌跡線實際為弧線，在膜結(jié)構(gòu)受力允許范圍內(nèi)將弧線簡化為折線，設斜梁做膜結(jié)構(gòu)支座。

3.2 氣膜結(jié)構(gòu)切大角設計

本工程西南角原有排矸樓為框架結(jié)構(gòu)，頂部兩層抽柱后形成大空間結(jié)構(gòu)，不能為氣膜結(jié)構(gòu)提供可靠的錨固。又因原排矸樓高約20m，新建膜結(jié)構(gòu)難以跨越，導致膜結(jié)構(gòu)在該處需要切掉邊長為46mX42m大直角三角形，見圖4。本工程采取在排矸樓北側(cè)、東側(cè)新建附屬建筑一（框架結(jié)構(gòu)）為膜結(jié)構(gòu)提供支座（也起局部封閉作用），新建附屬建筑不能影響原排矸樓生產(chǎn)功能，即：排矸樓北側(cè)排矸孔能繼續(xù)排矸，且鏟車能到排矸口下作業(yè)；北側(cè)一條皮帶走廊、東側(cè)兩條皮帶走廊能正常運轉(zhuǎn)，尤其東側(cè)一條皮帶有受煤口，應滿足鏟車可以將煤場內(nèi)煤倒入該受煤口。受現(xiàn)有場地限制，為滿足現(xiàn)有工藝要求，附屬建筑最終確定為柱距8m～10m，層高13m的單層框架結(jié)構(gòu)。

此處附屬建筑屋頂與膜結(jié)構(gòu)相交線為斜線。在附屬建筑屋頂做上翻梁作為氣膜結(jié)構(gòu)支座，該梁與主框架梁斜交。本工程用PKPM建模進行整體結(jié)構(gòu)的計算分析，斜梁為次梁，氣膜支座反力的上拔力按線荷載輸入模型；水平力在模型中不能直接輸入，按與最近主框架相交點之間為一跨計算，先轉(zhuǎn)換為集中力，再根據(jù)斜梁與主框架的夾角分解為與主框架梁方向一致的2個分力，按分力的1/2分別加到與最近主框梁相交的節(jié)點上，側(cè)墻上膜支座反力處理與上述方法相同。為保證斜梁上的支座反力能傳遞到框架柱上，屋面設間距不大于2.4m的井字梁提高結(jié)構(gòu)的整體性，保證水平力的傳遞。

3.3 現(xiàn)有建筑落煤口設計

設計受到東側(cè)不規(guī)則場地及現(xiàn)有異形建（構(gòu)）筑物的限制，為保證氣膜結(jié)構(gòu)合理性和降低工程造價，避免大面積跨越現(xiàn)有建筑，設計僅封閉落煤口一側(cè)，現(xiàn)有建筑屋面及其它側(cè)墻保留在氣膜封閉以外。通過在原轉(zhuǎn)載點周邊新建附屬建筑二（框架結(jié)構(gòu)），并緊貼原轉(zhuǎn)載點，利用新建附屬建筑外墻、頂板及原轉(zhuǎn)載點外墻、頂板實現(xiàn)氣膜結(jié)構(gòu)密閉，在新建附屬建筑上設梁做膜結(jié)構(gòu)支座（詳見圖5）。

新建附屬建筑受到原轉(zhuǎn)載點限制，縱向框架梁不能與框架柱連接，嚴格意義上講，此部分框架結(jié)構(gòu)受力更接近于排架結(jié)構(gòu)，故按照框架結(jié)構(gòu)和排架結(jié)構(gòu)2種形式，并考慮膜充氣和膜不充氣2種工況分別對結(jié)構(gòu)進行計算分析，按最不利情況計算包絡配筋。

3.4 新舊建筑連接設計

圖5 利用東側(cè)現(xiàn)有建筑做氣膜結(jié)構(gòu)支座及新舊建筑連接示意

本工程在利用現(xiàn)有建筑外墻、頂板實現(xiàn)密閉時，多處遇到新舊建筑連接問題。其中部分新建附屬建筑框架梁需要支撐在原有建筑外墻上。本工程通過在原有建筑圈梁上植筋做框架柱，并設拉桿與原砌體房屋梁拉結(jié)，形成剛性支座，再與新建附屬建筑框架梁相連（詳見圖5），此部分模型簡化時按單跨框架建立模型，將與現(xiàn)有建筑連接一側(cè)的框架梁支座定為鉸接進行計算，框架梁與現(xiàn)有建筑屋頂主梁用拉桿連接，此處框架計算模型簡化與實際略有區(qū)別，但計算結(jié)果經(jīng)過校核仍能滿足工程安全需要。

4 結(jié)語

2019年4月，山西平舒煤業(yè)有限公司封閉儲煤場工程竣工投入使用，現(xiàn)生產(chǎn)情況、儲煤量等均達到預期效果。本文通過介紹該工程設計過程解決的實際問題，為設計人員解決復雜場地條件下對現(xiàn)有煤場封閉提供有意義的經(jīng)驗參考。