常用封闭煤场结构形式综述

张金龙

摘 要：本文介绍了目前常用的几种封闭煤场结构形式，总结不同结构形式的受力特性、结构对堆取煤设备的适应性、使用的煤场形状及跨度以及结构的优缺点，明确结构形式的应用范围，以期为封闭煤场方案设计提供参考。

关键词：门式刚架;桁架结构;气膜结构;预应力张弦桁架结构

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0117-03

Abstract： This paper introduces several commonly used structural forms of closed coal yard， summarizes the mechanical characteristics of different structural forms， the adaptability of the structure to coal stacking and taking equipment， the shape and span of the coal yard used， the advantages and disadvantages of the structure， and defines the application scope of the structural form， which can be used as a reference for the scheme design of closed coal yard.

Keywords： portal frame;truss structure;gas film structure;prestressed truss string structure

改革开放以来，随着我国电力事业的发展，封闭或半封闭的储煤结构得到了广泛应用。近年来，环保部门陆续出台相关规定，明确提出大型煤堆、料堆要实现封闭管理。国内新建电厂基本均要求建设封闭煤场，而老电厂的煤场多为露天或周围设防风抑尘网遮挡，无法满足国家及地方环保政策的要求，因此国内存在较多老电厂煤场需要进行封闭改造。煤场在采取封闭措施后，基本避免了传统露天煤场容易产生的扬尘问题，有效降低了煤场对周边环境的影响，也避免了由于雨水冲刷而产生大量煤污水排入雨水系统而对地表水造成污染的情况。另外，煤场实施封闭改造后也能有效减少煤的风吹损失，降低了经济损失。

煤场封闭结构按形式主要分为门式刚架结构、管桁架结构、网架与网壳结构、筒仓结构、气膜结构和预应力张弦桁架结构等[1]。

1 门式刚架结构

门式刚架结构的构件包括梁柱刚接组成的门式刚架、柱间支撑、刚性系杆、抗风山墙柱及围护结构，如图1所示。屋面及墙面围护结构采用檁条和彩钢板，主要特点有受力简单、传力路径明确、构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短、工程造价低以及易维护等。

门式刚架结构单跨跨度一般不大于36 m，多为低矮型建筑，一般用于中小跨度煤场封闭，可采用连续多跨刚架增大储煤空间。受制于结构空间尺寸，储煤能力一般较小，存取煤主要依赖推煤机和自卸汽车，无法实现自动堆取。

2 管桁架结构

管桁架结构主要由两个方向的主桁架和副桁架、桁架间支撑和围护结构组成，如图2所示。屋面及墙面围护结构采用檩条和彩钢板。桁架杆件主要承受轴向压力或拉力，能充分利用材料的强度。节点处采用钢管与钢管直接焊接的相贯节点，主要特点有结构对煤场平面形状适应性较好、构件工厂化加工制作、现场施工组装、节约建设周期、结构坚固耐用以及易维护等。但由于管桁架均为焊接相贯节点，现场安装焊接工作量较大，对施工质量控制要求较高。该结构适用于中小跨度煤场封闭，能够适应各种煤场形状。它既能适应推煤机和自卸汽车的存取煤方式，也能适应斗轮机等自动存取煤设备。管桁架一般用于中小跨度的用钢量较小，跨度增大后则用钢量显著增大。

3 筒仓结构

筒仓结构可分为钢筋混凝土筒仓和钢筒仓，水平横截面一般为圆形。钢筋混凝土筒仓为薄壳结构，钢筒仓由钢板加环向和竖向加劲肋组成，下方坐落在环形或筏板基础上。筒仓直径为10～21 m，目前最大直径已达40 m，储量较大，一般建设多个以达到电厂的储煤需求。筒仓结构能够实现皮带取料，装煤时可据筒仓个数和布置方式，采用直接入仓、卸料车入仓、配煤皮带入仓等方式。卸煤时可通过仓下设置的活化给料机或环式给料机，通过皮带输送机拉出或在仓下设置地磅直接装车。筒仓占地面积相比其他储煤方式较小，自动化程度高，可实现无人值守，节约人员成本，生产过程产生的煤尘不外溢，维护费用低。但筒仓前期投资高，施工工期长，仓底出料口易发生棚拱、堵仓事故，不易处理，对地基基础要求比较严格，费用浮动较大。

4 网架与网壳结构

网架与网壳结构是现今应用广泛的一种煤场封闭结构形式，根据体型可分为平面网架、柱面网壳结构和球面网壳结构。网架与网壳结构属于多次超静定结构，主要由杆件和节点组成，基本单元为三角锥和四角锥单元，通过基本单元的重复和组合，形成各种网架和网壳结构。常用的有三角锥、正交正放四角锥、正交正放抽空四角锥以及斜放四角锥等。围护结构采用檩条和彩钢板。杆件为轴心受力构件，材料强度能够充分利用。节点主要有十字交叉钢板节点、焊接空心球节点、螺栓球节点、直接汇交节点和焊接钢管节点。目前，国内最常用的节点形式是焊接空心球和螺栓球节点[2]。

网架与网壳结构具有以下特点：

整体性好，空间刚度大，抗震性能好;加工制作工厂化，杆件和节点定型化、商品化生产，投资较低;可以利用原有场地及堆取料设备，灵活划分为多个单元，可同时储存多个煤种;传力途径简洁，空间刚度大，抗震性能好;可实现自动化堆取煤，工期短，施工迅速;节点多，维护量大，费用高，占地面积大;满应力设计，安全余度小，高空作业时间长，安全风险较大;水平推力大，柱距小，基础工程量大，造价高。

平面网架一般用于小跨度煤场封闭，下端采用独立柱支撑，高度需根据使用空间确定。网壳用于中大跨度煤场封闭，柱面网壳下端一般为独立柱，高度一般较低，球面网壳下端采用环形支撑方式，四周挡煤墙高度为10～25 m。网架与网壳跨度为70～130 m，一般用钢量为40～70 kg/m2，经济跨度为70～90 m。堆煤方式可以采用棚顶栈桥落煤和堆煤，装载机装车运输，也可以采用棚内堆取料机等设备进行堆取煤。条形煤场一般采用沿直线轨道行进的斗轮机或龙门架进行堆取煤。圆形煤场一般采用回转式斗轮机进行堆取煤。

5 气膜结构

气膜结构是一种新兴的建筑形式。气膜依靠内外气压差来支撑，内部无须任何框架或梁柱支撑，没有受弯、受扭和受压的构件。整体结构主要包括：基础系统、设备系统、控制系统、钢索系统、照明系统以及气密系统等。膜材是由织物基材（聚酯纤维）和多层涂层复合而成的薄膜材料，表面经过特殊处理，其抗拉强度相当于同样厚度钢板的抗拉强度，使用寿命达到25年，同时配备一套智能化的机电设备作为在气膜建筑内部提供空气的正压支撑结构系统[3]。现在气膜煤棚在煤炭系统已有应用，跨度可达到150 m，长度不受限，高度大約是跨度的1/3，因为质量轻、基础小、单位面积造价低，得到了大范围推广。

气膜结构具有以下特点：投资低，且后续可以搬迁，可以利用原有场地堆取料设备;需要配置通风风机，保证气膜内外压差，且必须长时间运行，对供电有一定要求;有专门进出车通道，且为保证棚内压差，有两道闭锁门，在汽车运煤等进出车频繁时会造成不便。

6 预应力张弦桁架结构

预应力张弦桁架结构属于钢结构的前沿技术，已广泛应用于大型体育场馆及机场项目，可以获得较大的内部使用空间及复杂的空间造型[4-5]。结构主要由主桁架、预应力索（跨度方向）、副桁架（长度方向）、水平支撑或拉索以及山墙桁架等组成。围护结构采用檩条和彩钢板。

结构内部形成自平衡体系，结构受力合理，安全稳定。应用于跨度大于100 m的煤棚，跨度越大，节约钢材效果越好，可实现200 m以上的超大跨度煤棚封闭，目前最大应用跨度已达到229 m。基础不均匀沉降对支座附近的节点和杆件的影响小，有利于钢结构温度应力的释放。钢结构杆件数量较少，节约加工周期，节省加工费用。张弦桁架构造简洁，预应力管桁架桁架构造简洁、杆件数量少。一般采用“地面拼装、分段吊装、高空合拢”的钢桁架安装工艺。基本焊接工作全部在地面完成，分段提升安装，施工安全性高。节点焊接工作基本都在地面施工，便于业主和监理对施工质量的监控。同时，预应力管桁架非常适合滑移法施工，在技改类项目中，施工对煤场运行影响最小。结构安全可靠，使用年限长，后期维护非常方便，维护成本低。

根据上述描述对各种结构进行总结，归纳出各种结构的适用范围，如表1所示。在具体工程设计时，要根据场地条件、储煤量、堆取煤设备以及投资规模等因素综合选取经济合理的结构形式。

7 结语

本文总结了煤场封闭结构的常用形式，对每种结构形式受力特点、适用条件、施工特点以及维护特点等展开讨论，可为煤场封闭结构形式的选取提供参考。

参考文献：

[1]罗尧治.大跨度储煤结构-设计与施工[M].北京：中国电力出版社，2007：2-7.

[2]沈祖炎，陈扬骥.网架与网壳[M].上海：同济大学出版社，1997：17-20.

[3]王启文.膜结构研究综述[C]//第五届全国结构工程学术会议论文集，1996.

[4]罗尧治.预应力张弦网壳结构[C]//第四届全国现代结构工程学术研讨会论文集，2004.

[5]曹正罡.大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2020：50-54.