复杂条件下封闭储煤场应用气膜结构设计探讨

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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.

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。图1充气膜结构示意因膜材的自重轻(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）。图3封闭储煤场平面图图2煤场现状鸟瞰图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。图4东侧三条皮带走廊穿膜示意图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。