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      氣膜結構技術在大跨度異型儲煤場的應用

      發布時間:2019年12月6日 點擊數:1690

      0 引言

      隨著建筑業的快速發展,大空間結構的需求和運用越來越多,在現代空間結構體系中,膜結構是一種全新的建筑結構形式,其大跨度大空間、造型新穎和現代的風格,符合環保、節能可持續發展,很大程度上滿足人們審美觀念和工業化高質量發展的實際需求,也為高科技綠色生態建筑發展提供了廣闊的空間。膜結構可分為張拉膜結構和氣膜結構兩大類,氣膜建筑從技術方面是一個高強度膜結構建筑,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部提供空氣的正壓,把建筑主體支撐起來的一種建筑結構系統。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坐落一條大型輸煤落煤走廊的特點進行分析,應用氣膜結構技術解決了難題,總結了施工過程中的經驗,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,東側緊鄰山體陡坡,西側為某選煤廠主洗車間、濃縮池及輸煤轉載站,南側緊鄰古交電廠燃煤地下通道回風斜井工業廣場,場內坐落長96 m的輸煤棧橋。項目占地13 000 m[2],下部基礎及擋墻為鋼筋混凝土結構,上部為氣膜結構。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(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;A及擋墻部分的設計使用年限為50年,氣膜結構的設計使用年限約為15年~30年,結構設計安全等級為2級,抗震設防烈度為7度,氣膜建筑內壓值:200 Pa~500 Pa之間。

      圖1 儲煤場平面布置

      圖1 儲煤場平面布置   下載原圖

      2 工程難點

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

      難點二:在封閉儲煤場內有一座輸煤棧橋長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的封閉難度。

      3 氣膜結構設計及材料選用

      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、風機加壓及換氣、氣密門系統、降塵、消防、電氣、智能監控等組成。

      3.1 設計原則

      針對儲煤場不規則七邊形含凹形陰角布置,氣承膜結構設計采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法,以分項系數設計表達式進行計算。按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行荷載(效應)組合,取各自的最不利效應組合進行設計,并進行初始形態分析、荷載效應分析、裁剪分析,膜節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

      1)鋼筋混凝土擋墻預埋地腳螺栓(Q345)40@900,錨入墻內40d;汽車通道預埋螺栓(Q345)25@900,錨入墻內30d,外露絲長均150 mm;混凝土基面平整。

      2)氣膜荷載參數(根據本工程情況及當地氣象資料):

      恒荷載:氣膜結構自重0.012 k N/m[2];

      膜面預應力:徑向2 k N/m,緯向2 k N/m;

      活荷載:膜面0.4 k N/m[2];

      風荷載:基本風壓0.4 k N/m[2];風振系數取1.0~2.0;

      雪荷載:基本雪壓0.35 k N/m[2];地面粗糙度類別為B類。

      氣膜建筑內壓值:200 Pa~500 Pa之間,室內氣壓為室外氣壓的1.001倍~1.003倍,隨著風荷載、雪荷載等氣候環境自動調節。

      3.3 氣膜材料選用及鋼索網

      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單層膜結構,拉伸強度為7 000/6 500(經/緯向)N/5 cm,厚度為1.0 mm±0.05 mm,防火等級:B1,透光率8%;膜結構的裁剪分析是在初始形態基礎上,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)鋼索網及錨固系統。

      鋼索網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。鋼索錨具材質均為20號碳鋼;鋁材夾板材質均為A6063T5,鋁材質量符合GB/T6892工業用鋁及鋁合金擠壓型材C類標準。

      3.4 結構計算

      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即應力消除系統。鋼索網受力原理:1)通過設置在膜表面的索網結構,限制膜材的延展率,降低膜材的內應力,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,大風作用下結構會受到一個巨大向上的提拔力,通過鋼索網系統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則七邊形布置,氣膜結構在第一類荷載效應組合下,可按內壓不變進行非線性分析;在第二類荷載效應組合下,按內壓不變和內壓變化兩種工況進行非線性分析。按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行荷載(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     下載原表

      表1 荷載效應的組合表

      1)儲煤場氣膜結構拉索的抗拉力設計值按下式計算:

       

      其中,F為抗拉力設計值,k N;Ftk為極限抗拉力標準值,k N;γR為抗力分項系數,取2.0。

      2)儲煤場氣膜結構在荷載組合作用下,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,一般部位取1.0,節點和邊緣部位取0.75;γR為膜材抗力分項系數,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)根據氣膜結構鋼網索受力設計云圖計算分析,在承載能力極限狀態時,按軸力N最大和軸力N最小分別進行驗算,構件承載力最大為115.2 k N;在正常使用極限狀態時,按軸力N最大和軸力N最小分別進行驗算,構件承載力最大為89.3 k N。通過計算儲煤場實際平面,在不規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試→充氣調運。

      4.1 輸煤皮帶連廊處理方案

      該儲煤場內有一條輸煤棧橋,氣膜結構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,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

      膜結構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,根據現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。在煤場內展開完成拼接壓邊。

      圖2 膜單元位置及加工廠膜材打包圖

      圖2 膜單元位置及加工廠膜材打包圖   下載原圖

      現場展開膜材順序與加工廠膜材打包圖反向,膜材由東側往西側開始拼接,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

      膜結構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,并不得產生影響結構受力性能的變形,膜單元之間的連接采用鋁質夾板連接并有膜材批簾保護。

      5.2 膜材與連廊密封處理

      氣承式膜結構建筑對氣密性要求高,本工程高空連廊內部設氣密門2道,氣密門做法:垂直皮帶方向沿連廊內部四周布設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。連廊外側密封做法:100×100角鋼與連廊外側墻固定,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同批次,制作前先進行經緯向抗拉強度、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。充氣時注意風速和風向,避免發生位移過大造成膜材撕裂,通風系統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,因此要根據氣膜充泄氣的當時環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,為儲煤場氣膜結構的施工安裝、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。

      7 結語

      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,利用氣膜結構技術進行鋼索網受力荷載計算、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)智能系統通過PLC模塊和監控系統實時采集數據進行分析,自動調節換氣量,各系統協調運行。經過近一年的運行,經測驗,氣流損失小于規劃值,最大靜內壓小于最大作業內壓規劃值,壓力操控按規劃運轉,各項指標均正常,充分體現了氣膜建筑安全性高、環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,能源消耗節省,屋面重量僅為常規鋼屋面的1/30,減少用鋼量,體現了良好的經濟效益。

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

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