膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式,自从20 世纪70 年代以来,膜结构在国外已逐渐百富策略白菜网于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。膜结构是由多种高强薄膜材料( PVC或Teflon) 及加强构件( 钢架、钢柱或钢索) 通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气,使室内外产生一定压力差( 一般在10 ~ 30mm水柱之间) ,室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力,从而实现较大的跨度。张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型,而骨架模就是属于张拉膜结构的一种形式。

近年来随着国家对环境保护越来越重视,对工矿企业的污染治理要求越来越严格,现有的露天式储煤场要求封闭。在冀中能源峰峰集团大淑村矿封闭式储煤场的设计中首次采用了骨架膜这种新兴的结构形式。骨架膜结构既美观又经济,在封闭式储煤场中设计取得了良好的百富策略白菜网效果[1,2,3,4,5,6,7]。

冀中能源峰峰集团大淑村矿位于邯郸市峰峰矿区,生产能力3. 0Mt/a,该矿现有露天式储煤场面积约8000m2,储煤场呈南北布置,南北长150m,东西宽72m。储煤场内有一座直径为22m的钢筋混凝土万吨煤仓,另外有三条平行的输煤栈桥位于现有储煤场内。储煤场东侧紧邻火车运煤专线; 西侧现有3m高钢筋混凝土挡墙; 挡墙上部是7m高的挡风抑尘墙。混凝土挡墙外侧紧邻矿上现有窄轨铁路线。储煤场内原有构筑物均在使用,不得拆除。储煤场内部也存放有产品煤。现场情况较为复杂,给前期的方案设计带来了不小的难题。经过现场实际勘察测量与方案比选,最终选定采用骨架膜结构作为封闭式储煤场的首选方案。具体平面布置如图1 所示。

该工程采用大跨度空间管桁架结构作为骨架。具体布置为A轴上管桁架柱设在储煤场内西侧两条平行的输煤栈桥之间,C轴上管桁架柱设置在东侧紧贴铁路输煤专用线,每榀桁架间距约为18 ~ 20m,均匀布置; 南侧⑧轴上设置抗风柱,间距12. 5m,桁架1、2 轴处跨度为48m,立柱高10. 7m,③ ~ ⑧轴处桁架采用跨度67m,立柱高16. 3m。屋面管桁架布置时躲避开输煤栈桥的支架和直径为22m的钢筋混凝土万吨煤仓。

各榀桁架间采用纵向桁架梁可靠连接,确保结构整体刚度。由于该场地内地质条件较好,桁架基础采用钢筋混凝土承台基础,埋深2m,基础落于第4 层风化泥岩层上,该层土地基承载力特征值fak= 300k Pa。

骨架结构外敷设国产PVC膜材,PVC膜材与桁架结构可靠连接并设置缆风绳锁体系。突出屋面的原有构筑物采用在PVC膜材开洞处理,洞口周边利用构筑物与膜材可靠连接。A轴处直接使用原有储煤场挡风抑尘墙作为西侧的封闭墙体既节约了工程投资也因地制宜避免了工程重复建设的浪费。由于桁架立柱设在储煤场内部,为避免场地堆煤及运输机械生产时对桁架立柱的破坏,在桁架立柱四周设置2m高钢筋混凝土防撞墙,具体桁架布置如图2 所示。储煤场内部分别设有两台高压消防水炮,在桁架结构上设置自动喷淋设备,对封闭式储煤场内部进行除尘。南北端口部设置防尘通风口,以满足储煤场内部瓦斯等有害气体的排放。

1) 经济性。使用PVC膜的骨架膜结构整体造价比一般常规球形网架结构能节约50% 投资。该工程骨架膜结构用钢量为27kg/m2,而常规球形网架结构用钢量为45kg/m2,结构用钢量节约40% 。围护材料: PVC膜的重量为1100g/m2,常规钢屋面0. 6mm压型钢板的重量为5700g/m2。PVC膜建筑屋面重量仅为常规钢屋面的1/5。近些年来国产PVC膜材的规模化生产使其在价格上也变的更加实惠,PVC膜的价格为100 元/m2,而每平米0. 6mm压型钢板的价格为45 元左右。由于PVC膜的使用寿命为15 ~ 20a,而普通的压型钢板的使用寿命大约为5 ~ 10a。结合后期维修和使用成本,PVC膜的优势明显。另外由于膜材具有一定的透光率,白天可减少照明强度和时间,从而降低储煤场使用成本,也节约了能源。

2) 大跨度。由于结构自重轻,又为柔性结构且有较大变形能力,故抗震性能好,且可以不需要内部支撑面大跨度覆盖空间,从根本克服传统结构在大跨度( 无支撑) 建筑上实现所遇到的困难。该工程中储煤场内部的原有直径22m的混凝土煤仓就是利用膜结构这一特点。

3) 美观和自洁性。所用膜材料由基布和涂层两部分组成。基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料,涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材为聚酯纤维覆聚氯乙烯( PVC) 具有良好的自洁效果,同时保证建筑的使用寿命。PVC膜的耐火等级为B1 级( 难燃材料) ,能很好地满足防火的需求,具有卓越的阻燃性能,达到法国、德国、美国、日本等多国标准。膜还具有较好的隔热效果,对太阳热能可反射掉70% ,膜材本身吸收了17% ,传热13% ,而透光率却在20% 以上,经过10a的太阳光直接照射,其辉度仍能保留70% 。

4) 工期短。膜材裁剪,拼合成型及骨架的钢结构、钢索均在工厂加工制作,现场只需组装,施工简便,故施工周期比传统建筑短。

当然膜结构自身也存在一些不足之处,由于薄膜张力的连续性,局部的损坏若不及时修补就会造成整个膜结构的破坏。另外膜结构的耐久性虽然能达到20a,但低于构筑物的设计使用年限( 一般为50a) 。因此在方案设计初期应将膜结构的优缺点进行充分的分析。

恒载: 0. 05k N/m2; 雪荷载: 0. 3k N/m2,考虑不利荷载时0. 36k N/m2,小跨度部分: 0. 5k N/m2; 基本风压:0. 35k N / m2,风振系数: 1. 5; 高度系数按B类场地,体型系数按表7. 3. 1 第4 项取值。大跨度部分屋面及侧墙风荷载: 0. 42、 - 0. 42、 - 0. 27,小跨度部分屋面及侧墙以及两侧山墙: 0. 69、0. 42。山墙上风荷载,每侧面积5375m2,按75% 传递到主桁架,每侧总计: 5375 × 0. 75 × 0. 8( 体型系数) × 1. 5 ( 风振系数) × 0. 35 × 1. 35 ( 高度系数) =2286k N。温差: ± 30℃ 。

该工程建模计算采用浙江大学空间结构研究中心研究开发的MSTCAD软件进行分析计算。并采用3D3S软件进行结构杆件进行校核,采用非线性分析控制荷载组合工况。计算是采用多种工况下最不利条件计算,荷载考虑周全,取值准确适当,杆件及螺栓球规格选取恰当。

1) 膜材制作时,在膜面裁断工艺中采用膜面预缩裁剪法,以实现设计对膜材张力的要求。

2) 膜材所采用的膜材料应有出厂合格证及有关的复验合格报告。同一单体膜成品,其主体膜材不得使用不同批号生产的膜材料。

3) 制作膜体所采用的设备、机具应能达到膜材加工的质量要求,其量具应经计量检定合格。

4) 膜体裁剪应根据骨架设计尺寸、连接形式、膜材的自身技术特性及按张拉设计值设计的裁剪图加工。

5) 膜材与骨架之间连接的节点做法如图3 所示。

骨架膜结构形式在该工程中的成功百富策略白菜网,将为今后的封闭式储煤场设计提供了更美观、更经济的结构设计方案选择。也为膜结构在工业项目领域的百富策略白菜网和发展起到一个很好的开端。