气膜结构技术在大跨度异型储煤场的应用

张 卫 兵

(山西西山金信建筑有限公司，山西 太原 030200)

0 引言

随着建筑业的快速发展，大空间结构的需求和运用越来越多，在现代空间结构体系中，膜结构是一种全新的建筑结构形式，其大跨度大空间、造型新颖和现代的风格，符合环保、节能可持续发展，很大程度上满足人们审美观念和工业化高质量发展的实际需求，也为高科技绿色生态建筑发展提供了广阔的空间。膜结构可分为张拉膜结构和气膜结构两大类，气膜建筑从技术方面是一个高强度膜结构建筑，是用特殊的建筑膜材做外壳，配备一套智能化的机电设备在气膜建筑内部提供空气的正压，把建筑主体支撑起来的一种建筑结构系统。本文针对西山煤电某大型原煤储煤场封闭项目大跨度异型布置且场地内坐落一条大型输煤落煤走廊的特点进行分析，应用气膜结构技术解决了难题，总结了施工过程中的经验，为新型材料推广提供借鉴。

1 工程概况

西山煤电集团某矿原煤储煤场封闭工程位于山西省古交市东曲，北邻上山排矸公路及太古客货铁路运输线，东侧紧邻山体陡坡，西侧为某选煤厂主洗车间、浓缩池及输煤转载站，南侧紧邻古交电厂燃煤地下通道回风斜井工业广场，场内坐落长96 m的输煤栈桥。项目占地13 000 m2，下部基础及挡墙为钢筋混凝土结构，上部为气膜结构。最大跨度83.721 m，最长边长140.5 m，总高31.15 m,其中钢筋混凝土挡墙高3.15 m，气膜高度28.0 m，气膜外包钢索网(储煤场平面布置如图1所示)，还包括通风、智能控制、消防、照明等。通风设主动送风口4个，自动排风口2个，应急门4个；汽车运煤密闭通道2个，人行通道1个；配套控制室布置在封闭空间场外西南侧。基础及挡墙部分的设计使用年限为50年，气膜结构的设计使用年限约为15年～30年，结构设计安全等级为2级，抗震设防烈度为7度，气膜建筑内压值：200 Pa～500 Pa之间。

2 工程难点

难点一：气膜建筑结构靠内外气压差来支撑整个气膜结构受力，保证膜面刚度，使膜面维持形态并抵抗外部荷载，因此气膜结构规划以长方形、正方形、圆形布置为首选，有利于气压承载。由于受南侧古交电厂燃煤地下通道的回风机房影响，储煤场为不规则七边形，跨度大且南侧凹形阴角132°，其余凸形，阳角最小66°，呈大跨度异型结构，设计加工难。

难点二：在封闭储煤场内有一座输煤栈桥长96 m共5跨，断面3.5 m×2.5 m,栈桥高度5.5 m～17 m。膜单元在安装、充气过程中要保证膜材避免受污染、损伤等，给膜单元就位及展开带来施工困难，同时增加栈桥在气膜空间内的封闭难度。

3 气膜结构设计及材料选用

本储煤场封闭气膜建筑由钢筋混凝土挡墙基础、气膜体及钢索网、风机加压及换气、气密门系统、降尘、消防、电气、智能监控等组成。

3.1 设计原则

针对储煤场不规则七边形含凹形阴角布置，气承膜结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以分项系数设计表达式进行计算。按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载(效应)组合，取各自的最不利效应组合进行设计，并进行初始形态分析、荷载效应分析、裁剪分析，膜节点细部设计和膜面裁剪线的布置，考虑建筑美观要求。

3.2 基础条件及气膜荷载参数

1)钢筋混凝土挡墙预埋地脚螺栓(Q345)φ40@900,锚入墙内40d；汽车通道预埋螺栓(Q345)φ25@900,锚入墙内30d，外露丝长均150 mm；混凝土基面平整。

2)气膜荷载参数(根据本工程情况及当地气象资料)：

恒荷载：气膜结构自重0.012 kN/m2；

膜面预应力：径向2 kN/m,纬向2 kN/m；

活荷载：膜面0.4 kN/m2；

风荷载：基本风压0.4 kN/m2；风振系数取1.0～2.0；

雪荷载：基本雪压0.35 kN/m2；地面粗糙度类别为B类。

气膜建筑内压值：200 Pa～500 Pa之间，室内气压为室外气压的1.001倍～1.003倍，随着风荷载、雪荷载等气候环境自动调节。

3.3 气膜材料选用及钢索网

1)本工程膜材设计使用年限30年，在未满设计年限之前，如果膜材损坏，允许更换膜材。

膜材选用P类高强PVDF单层膜结构，拉伸强度为7 000/6 500(经/纬向)N/5 cm，厚度为1.0 mm±0.05 mm，防火等级：B1，透光率8%；膜结构的裁剪分析是在初始形态基础上，按空间曲面确定膜片间的裁剪线，用测地线法获得与空间曲面最接近的平面展开膜片。

2)钢索网及锚固系统。

钢索网采用钢缆纵横向正交布置，钢芯钢丝绳直径为16 mm，选用高强度、防老化、防锈处理的白色PE保护索。基础锚固采用气膜建筑专用锚固件将气膜固定在混凝土挡墙顶上。钢索锚具材质均为20号碳钢；铝材夹板材质均为A6063T5，铝材质量符合GB/T6892工业用铝及铝合金挤压型材C类标准。

3.4 结构计算

为保证气膜建筑的安全，增强抗风雪能力，气膜表面设计加装锚固的钢索网即应力消除系统。钢索网受力原理：1)通过设置在膜表面的索网结构，限制膜材的延展率，降低膜材的内应力，从而延长膜材的使用寿命，降低膜材撕裂的风险。2)气膜建筑顶部呈负压状态，大风作用下结构会受到一个巨大向上的提拔力，通过钢索网系统整体受力抵消巨大的向上提拔力，保护气膜建筑安全。

该原煤储煤场呈不规则七边形布置，气膜结构在第一类荷载效应组合下，可按内压不变进行非线性分析；在第二类荷载效应组合下，按内压不变和内压变化两种工况进行非线性分析。按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载(效应)组合，并取各自的最不利效应组合进行设计，见表1。

表1 荷载效应的组合表

1)储煤场气膜结构拉索的抗拉力设计值按下式计算：

其中，F为抗拉力设计值，kN；Ftk为极限抗拉力标准值,kN；γR为抗力分项系数，取2.0。

2)储煤场气膜结构在荷载组合作用下，膜面各点的最大主应力满足要求：

其中，σmax为在各种荷载组合作用下的最大主应力值；f为对应于最大主应力方向的膜材抗拉强度设计值；fk为膜材极限抗拉强度标准值；ζ为强度折减系数，一般部位取1.0，节点和边缘部位取0.75；γR为膜材抗力分项系数,第一类荷载效应组合时取5.0，第二类荷载效应组合时取2.5。

3)根据气膜结构钢网索受力设计云图计算分析，在承载能力极限状态时，按轴力N最大和轴力N最小分别进行验算，构件承载力最大为115.2 kN；在正常使用极限状态时，按轴力N最大和轴力N最小分别进行验算，构件承载力最大为89.3 kN。通过计算储煤场实际平面，在不规则七边形的阴角脊线方向布置横向钢缆与纵向钢缆斜交，钢缆布设网格大小3 m左右。钢索之间采用铝合金金属卡扣锁死，防止相互滑动损坏PE保护层，整体钢索网采用不锈钢锚头与基础连接固定。

4 气膜安装

储煤场气膜安装工艺：复核挡墙及预埋件尺寸→搭设栈桥防护钢架→按设计图膜单元就位→拉结挡墙预埋件至钢架临时钢丝绳@900 mm(展铺膜材时使用)→膜单元展开→布设PE钢缆→密封处理(膜材与挡墙、栈桥、通道等)及气密门安装→密封检查、电气设备智能控制调试→充气调运。

4.1 输煤皮带连廊处理方案

该储煤场内有一条输煤栈桥，气膜结构膜单元铺设及充气施工过程中防止污染和损伤膜材是难点。解决措施：沿输煤皮带连廊水平段焊接钢架，长61 m，宽6 m,高18 m,将输煤连廊包在钢架内，正上方6 m宽平台上沿着连廊方向按1 m间距焊钢管，满铺模板，同时将钢架、栈桥、挡墙采取包裹等保护措施防止损伤膜材。

4.2 膜单元安装

膜结构安装前先复核挡墙及预埋件尺寸是否正确，挡墙顶面是否平整，并对安装现场可能伤及膜材的物体采取保护措施，同时膜材在工厂加工好并按照气膜设计展开方向打包。按照设计膜单元总装图和分装图布置，根据现场实际情况采用两台50 t吊车配合将膜材由煤场北面、东面和南面吊运至煤场指定膜材摊开位置(如图2膜单元位置分布及加工厂膜材打包图)，膜一到膜四的第一步南向北叠宽1.8 m，第二步西向东卷宽1.8；膜五和膜六的第一步东向西叠宽1.8 m，第二步南向北卷宽1.8 m。在煤场内展开完成拼接压边。

现场展开膜材顺序与加工厂膜材打包图反向，膜材由东侧往西侧开始拼接，第一步将膜五、膜六两片膜材展开拼接好，吊运到靠东侧皮带连廊顶上；第二步将膜三、膜四在地上展开，用两台吊车同时起吊，将长条形的膜三、膜四吊到铺满钢管的连廊钢架上进行拼接，同时拉结挡墙预埋件至钢架辅助钢丝绳，按1 000 mm间距布置，方便把膜片架起来。完成膜三、膜四拼缝后，将两片膜同时向南北方向拉开，再拼接与膜五、膜六的接缝；第三步膜一、膜二的安装方法同膜三、膜四，沿南北方向拉开膜一、膜二之后，开始拼接与膜三、膜四的拼缝，完成整体拼接。

5 重点部位密封处理

5.1 膜材单元连接密封处理

膜结构的连接件衔接点的强度、刚度和耐久性必须满足不先于所连接的膜材、拉索破坏，并不得产生影响结构受力性能的变形，膜单元之间的连接采用铝质夹板连接并有膜材批帘保护。

5.2 膜材与连廊密封处理

气承式膜结构建筑对气密性要求高，本工程高空连廊内部设气密门2道，气密门做法：垂直皮带方向沿连廊内部四周布设40×40角钢，安装雪花板并留设人员通过密闭门，皮带上下设置密封胶条批帘。连廊外侧密封做法：100×100角钢与连廊外侧墙固定，用20号工字钢与连廊底板固定并焊接100×100角钢，膜材与角钢通过铝质夹板密封连接。

6 注意事项

1)膜材制作:

a.膜材必须是同一企业同批次，制作前先进行经纬向抗拉强度、厚度、重量等技术指标的检测。

b.膜片下料时先检查，保证膜片上无针孔、断丝、裂缝及破损，且各膜片无明显色差和污渍。

c.热合加工前先进行热合实验，膜材热合处的拉伸强度不低于母材强度的80%，符合要求后方可正式进行热合加工，加工并检验合格的膜单元，要单独存放。d.现场膜单元包装打开前检查包装在运输中有无损坏，打开包装后认真检验膜单元成品质量。

2)充气:

风力大于三级或气温低于4 ℃时，不能进行气膜充气作业。充气时注意风速和风向，避免发生位移过大造成膜材撕裂，通风系统的主动进风口在设计上避免风机直吹，采取挡风板改变风向。

3)气承膜在充气调试过程中做好记录保存，膜面漏气下降的过程也是充气成型过程的逆过程，因此要根据气膜充泄气的当时环境条件重点分析充气成型的过程，利用逆向思维分析充气膜漏气下降的过程，为储煤场气膜结构的施工安装、正常运行、维护更换，预测膜面下降的具体位置提供重要依据。

7 结语

1)在储煤场封闭气膜施工中，针对跨度大且异型布置的特点，利用气膜结构技术进行钢索网受力荷载计算、膜材裁剪、膜单元展开及钢索布设，解决了该储煤场气膜建筑的设计及施工难题。

2)智能系统通过PLC模块和监控系统实时采集数据进行分析，自动调节换气量，各系统协调运行。经过近一年的运行，经测验，气流损失小于规划值，最大静内压小于最大作业内压规划值，压力操控按规划运转，各项指标均正常，充分体现了气膜建筑安全性高、环保技术强的社会效益。气膜建筑透光率好，通风设备变频控制，能源消耗节省，屋面重量仅为常规钢屋面的1/30，减少用钢量，体现了良好的经济效益。

3)气膜结构膜材强度高且弹性膜量较低，这有利于膜材构成异型的空间造型，简洁、流动,富有时代气息，为今后施工同类型空间结构提供借鉴。