復雜條件下封閉儲煤場應用氣膜結構設計探討

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

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

圖1 充氣膜結構示意

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構的受力體系直接、簡潔、合理，非常適合于中部無支承的大跨度結構體系。相對于鋼結構大跨結構，有重量輕、造價低、施工周期短、對生產影響小等優點，氣膜結構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構，屋頂為氣膜結構。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。原露天儲煤場內東西向3條皮帶走廊從氣膜穿出，場地東側貼臨選煤廠庫房、煤泥走廊、轉載點等建構筑物，西南角座落一幢排矸樓，北側緊貼12m高的土質邊坡。現狀地形比較復雜，場地內各類建、構筑物多且布置不規則，為達到環保要求，封閉儲煤場工程必須將全部落煤（矸石）點封閉在儲煤場內，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、經濟、工期等因素綜合考慮，該儲煤場封閉采用氣膜結構，充分利用現有貼鄰建筑外墻、屋面板做為氣膜支座；走廊穿過氣膜位置設計支架（框架結構）作為氣膜支座，解決膜結構開孔問題（現有鋼結構走廊不能固定氣膜）；排矸樓北側、東側貼建附屬建筑封閉落矸點且作為固定氣膜支座，避免了膜結構跨越排矸樓問題，通過這一系列技術措施，最大限度的利用了現有場地（見圖3）。

圖2 煤場現狀鳥瞰圖

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構設計

氣膜結構要求受力均勻，開洞受到嚴格限制。現有場地有6條不同位置、不同標高的皮帶走廊，其中東西向3條需要從氣膜結構內部穿出,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有鋼結構走廊。設計通過在原有皮帶走廊與膜結構空間相交位置新建支架（框架結構，見圖4）,皮帶走廊從支架內部穿過。通過支架頂部、側墻設梁（斜柱）作為氣膜結構支座，且利用支架外墻及頂板實現儲煤場密閉。

圖4 東側三條皮帶走廊穿膜示意圖

膜結構空間形狀相對固定，設計支架主要步驟為：①通過膜結構和皮帶走廊平、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構錨固要求，繪制支架、皮帶走廊和膜結構立、剖面圖；④統計荷載并建模計算、調整模型；⑤根據調整后的模型修改步驟2、3中平、立、剖面圖，復核支架、原皮帶走廊及膜結構錨固線的空間相對位置關系，若有沖突則應調整平、立、剖面圖，相應調整模型、重新統計荷載及重新計算；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構設計。膜結構反力在屋面支座處為向氣膜內的水平拉力及垂直于屋面的上拔力，在側墻支座處為平行于側墻向氣膜內及垂直于側墻向氣膜外的水平力。本工程簡化氣膜支座反力時，側墻上線荷載轉化為集中荷載加在節點上；屋面按實際情況輸入荷載，進行結構的整體計算分析。側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。框架結構支架高度較高，屋頂及側墻水平力使基礎產生很大的彎矩，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構支座，防止屋頂雨水進入室內；側墻氣膜錨固軌跡線實際為弧線，在膜結構受力允許范圍內將弧線簡化為折線，設斜梁做膜結構支座。

3.2 氣膜結構切大角設計

本工程西南角原有排矸樓為框架結構，頂部兩層抽柱后形成大空間結構，不能為氣膜結構提供可靠的錨固。又因原排矸樓高約20m，新建膜結構難以跨越，導致膜結構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、東側新建附屬建筑一（框架結構）為膜結構提供支座（也起局部封閉作用），新建附屬建筑不能影響原排矸樓生產功能，即：排矸樓北側排矸孔能繼續排矸，且鏟車能到排矸口下作業；北側一條皮帶走廊、東側兩條皮帶走廊能正常運轉，尤其東側一條皮帶有受煤口，應滿足鏟車可以將煤場內煤倒入該受煤口。受現有場地限制，為滿足現有工藝要求，附屬建筑最終確定為柱距8m～10m，層高13m的單層框架結構。

此處附屬建筑屋頂與膜結構相交線為斜線。在附屬建筑屋頂做上翻梁作為氣膜結構支座，該梁與主框架梁斜交。本工程用PKPM建模進行整體結構的計算分析，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，先轉換為集中力，再根據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點上，側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的井字梁提高結構的整體性，保證水平力的傳遞。

3.3 現有建筑落煤口設計

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

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

3.4 新舊建筑連接設計

圖5 利用東側現有建筑做氣膜結構支座及新舊建筑連接示意

本工程在利用現有建筑外墻、頂板實現密閉時，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，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，將與現有建筑連接一側的框架梁支座定為鉸接進行計算，框架梁與現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別，但計算結果經過校核仍能滿足工程安全需要。

4 結語

2019年4月，山西平舒煤業有限公司封閉儲煤場工程竣工投入使用，現生產情況、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有煤場封閉提供有意義的經驗參考。