某厂房为跨度150m, 最高点标高120.000m, 长280m的超高网壳建筑 (见图1) 。该建筑一端为封闭山墙, 另一端为柔性推拉式大门。门洞净开尺寸为宽105m, 高85m。大门由电动实现推拉, 北侧固定, 向南侧开启与闭合 (见图2) 。

大门抗风骨架由间距2.0m的67根φ30mm钢索构成, 钢索上部通过滑块与大门上导轨连接, 钢索下部通过滑块与下导轨连接。钢索表面覆盖膜布, 膜布材质为聚酯乙烯, 基布厚度0.8mm。膜布和钢索重合部分均有加强带和耐磨带。

大门上部采用一种补偿装置, 其原理为在大门承受大的风荷载和阵风时, 可适当伸长, 减少大门钢索的拉力, 减少钢索对上部网架和下部基础的拉力。补偿装置在平时起到张紧钢丝绳作用, 防止钢索和门布向下堆积。

大门设计参数为开合速度0.04~4m/min, 大门开合时最大风速不超过10m/s, 大门极限承载基本风速为25.3m/s。

超大面积索膜结构大门作为超高空间结构中的围护结构, 面积巨大, 且在大风作用地区, 对膜材与支承结构的加工、制作及安装提出了难题。我国的索膜结构在应用方面起步较晚, 作为围护结构的超大面积索膜结构大门研究更是少见。作为世界上第1例索膜结构在超大面积门上的运用, 没有施工先例可借鉴。

轨道和导轮运行要求精度高, 测量作业难度大, 控制难度大。尤其是上轨道与结构地面组装后提升过程有不可预见的偏差和变形。如何保证结构就位后上下轨道安装精度是保证膜结构大门正常运行的关键。

大门膜布面积超过13 000m², 需要热合成一整块;门布和加强带热合长度超过23 000m, 与钢索结合点超过5 100点。门布具有热缩性, 要求门布为同一批次生产, 以保证门布伸缩率相同。门布热合长度长, 难以保证热合缝均匀。门布加强带均为一整条, 不允许中间接头, 加强带位置热合准确性难以把握。门布尺寸要求精度高, 膜材经纬方向尺寸偏差≤20mm。

门布面积较大, 加工时需要根据安装时的67个吊点按一定规律折叠好, 门布柔软, 用力不均匀会导致门布皱褶, 影响后续门布加工精度。门布折叠好后, 宽约17m, 长80m, 需要设计特制滚轴, 将门布卷成整卷, 以方便运输和安装。门布质量大 (门布14t, 加强带4.5t) , 强度低, 表面硬度低, 不能摩擦, 需要特制工装装车。

膜布为整块, 折叠后面积仍然有1 400m², 重达18.5t, 安装高度80m。安装过程中受风面积大, 叠好的膜布被风吹散, 易导致膜布受力不均, 局部被撕裂。因此采取何种方案保证膜布安装过程的整体性, 避免被大风吹散十分关键。

结合项目主体钢网壳结构施工方案, 索膜结构大门安装思路确定为:大门上轨道及组件在低空与钢网壳组装在一起, 随钢网壳结构一起提升到设计标高;钢索通过转架释放, 利用设置在大门顶部桁架上的提升器提升到位;大门膜布在工厂热合成整块, 采用特制工装进行折叠, 利用滚动工装把膜布卷成圆柱体;采用专用提升机, 提升门布就位。

上轨道由上复合梁组件、过渡座组件、传动机构和导向装置构成, 安装标高80.000m, 采用地面低空与钢网壳组装、整体提升的安装方法;利用上轨道投下的中心线, 检测下轨中心线并进行调整, 确定下轨中心线, 下轨道各组件直接地面吊装施工。

上下轨道安装控制技术指标如下:①同一条轨道的中心线误差≤2mm;②轨道连接处缝隙≤20mm;③轨道接头处平面度误差≤2mm;④上下轨道的地面标高尺寸误差≤2mm。

整张膜布展开面积13 535.1m², 膜布长162m, 宽83.55m。整张膜布由54条宽3m、长83.55m的膜布热合而成。热合位置设计有加强带, 膜布和加强带热合长度超过23 000m。为保证膜布的加工质量, 采取以下技术措施:①膜布为同一批次生产, 保证门布伸缩率相同;②在干净、地面平整的厂房内部进行热合, 减少环境的影响;③采用经纬仪在地面放出每张3m宽膜布的基准线;④采用优质热合机, 热合时间和热合速度能精确控制;⑤工人经过热合试验合格后上岗。膜材热合示意如图3所示。

膜布面积大, 热合后需要按一定规律折叠好, 便于运输和安装。为保证吊装时膜布锁紧位置和钢索对应, 膜布在工厂按照钢索间距240mm进行堆叠。门布柔软, 用力不均匀会导致皱褶。工厂制作专用工装 (90m长的电动卷筒) , 多点同时拉动门布均匀折叠。膜布堆叠成宽17m、长84m状态后, 内侧膜材间距用浮动锁扣和长绳锁定, 并设置绳梯腰带, 腰带间距3m, 共26道。采用电动卷筒从膜布17m宽一侧开始卷, 最终卷成长17m、直径2m的圆柱体。该膜布卷重18t, 采用17m长平板车直接运输 (见图4) 。

大门膜布面积大, 柔度大, 采用提升施工方法。为保证顺利提升, 在结构外侧20m高空设置了风速仪, 确保提升过程中风荷载≤8m/s。大门的提升设备为固定在顶部桁架梁的8台提升机。对应钢索的数量, 膜布的提升点为67个, 通过钢梁将提升机的8个吊点转变成膜布的67个提升点, 通过钢梁与膜布67个提升点, 计算机控制同步提升到位。提升前必须将补偿系统配重全部固定好, 防止受风不均时, 单个补偿系统动作, 造成提升点受力不均。为保证膜布提升点的强度, 每个提升点采用1块钢板和1块挤塑板夹紧。

1) 膜布卷安放在电驱动滚动支架上, 转动膜材卷筒, 放出膜布, 膜布放出的速率和提升的速率相匹配。

2) 前10m的提升中, 有2个阶段, 需要将膜布和钢索的固定连接节点连接好 (每阶段67个固定点) , 分别是提升到高度2, 5, 10m时。

3) 膜布再继续提升时, 每隔1m, 同一标高面上67根钢索均与膜材采用浮动节点连接 (膜布上的绳子套住钢索, 不锁紧) 。每隔3m, 将卷在膜布里的“腰带”与钢索拢在一起。

4) 提升完成后共连接70排浮动连接点, 26道“腰带”, 它们将索和膜材形成一个整体, 可有效避免大风吹散膜材, 保证提升的顺利。

膜材提升如图5所示。

大门由4台卷扬机驱动水平方向行走, 2台1组分别同步控制大门上下的2组导向装置行走。每组电机通过钢丝绳牵拉对应的导向装置进行前进和后退, 一组牵引时另一组送绳。大门极限位置设限位开关, 在上空和地坑设置若干大门位置检测开关, 在地面滑车的连接钢索上设置若干测力装置。

大门控制系统由2台控制柜、2台电阻箱、控制电缆及其DP工业控制网络组成。采用变频调速控制, 通过编码器实现速度闭环和位置控制。大门运行时, 牵拉的2台电机采用位置控制和同步控制, 保证大门上下同步稳定运行。送绳的2台电机采用速度控制和转矩控制, 保证送绳的平稳。采用PLC完成控制指令的发送、设备状态和故障信息采集、发出报警信号等功能;通过DP接口与变频器连接, 实时发送控制指令和接收变频器的状态信号;实时采集钢索测力装置信号, 当钢索受力过大时, PLC通过声光报警器发出报警信号。系统中IPCI采用触摸面板式工控机, 通过MPI接口与主PLC连接, 实时采集记录测力传感器和风速风向传感器的数据及控制系统的状态。通过触摸时工控机还可以实时显示系统状态 (见图6) 。

大门安装过程中稳定、安全, 安装完毕, 大门运行情况良好, 开启或关闭过程机构运行平稳, 系统出和收集指令、数据正常。大门在完全关闭状态承受了9级风荷载, 未发生安全问题。折叠开启式索膜大门施工关键技术解决了超大面积膜布的加工制作及运输、膜布的热合、折叠及卷曲等问题, 并对索膜结构大门提升安装关键技术进行研究。大门控制系统设计针对大门运行时的参数实时监测, 保证了大门的安全运行。