某巨型厂房工程长280m, 宽150m, 高120m, 建筑面积37 240m²。考虑到厂房功能需要, 结构三面封闭, 一面设置洞口, 洞口净尺寸为105m (宽) ×85m (高) , 在洞口设置折叠开启式膜结构大门, 大门安装完成后如图1所示。

折叠开启式膜结构大门为整体式一扇门, 通过轨道水平向一侧运行, 可完全开启, 也可部分开启。大门抗风骨架由间距2m钢索支撑0.8mm厚PVDF涂层膜布 (高强度聚酯纤维布) 构成。钢索上下端通过滑块与导轨连接, 导轨沿洞口结构中轴线布置。开启式膜结构大门由上复合梁、上导轨、补偿装置、索膜组件、下轨道组件、起重短环链、驱动系统、电控系统等组成。索膜大门开启或关闭运行如图2所示。

1) 大门抗风设计及补偿装置大门抗风支撑结构设计采用柔性索结构, 设计选用的钢索抗拉强度达到2 160MPa。大门上部采用了自行补偿装置 (见图3) , 主要由拉杆、配重铁块、支架、钢丝绳组件、直滑轮组件、限位块等部件组成, 其中支架是补偿装置的受力结构。拉杆下部同膜结构大门的支撑钢索连接, 上部通过钢丝绳组件、直滑轮组件等与配重铁块连接。自行补偿装置可在膜结构大门受到风荷载及其他荷载作用时起到缓载的作用。当大门承受风荷载时, 补偿装置的拉杆通过钢丝绳组件拉伸配重铁块, 使得拉杆带动膜结构大门的支撑钢索适当伸长, 从而减少大门支撑钢索的内力, 减少钢索对上部网架和下部基础的拉力, 大门受荷拉伸如图4a所示。自行补偿装置在平时 (不启风的状态下) 起到张紧钢丝绳作用, 防止钢索和门布向下堆积, 如图4b所示。

2) 膜布和钢索及上下轨道的连接钢索上下端固定在导向装置上, 导向装置在大门上下导轨内运行。大门共设置67根钢索, 中间位置间距2m, 门边间距1m。卷扬机通过钢丝绳驱动导向装置, 钢索与钢索间滑块由环链连接, 并传递拉力, 防止外部膜布 (聚酯纤维布) 受力过大。膜布与钢索重合部分均有加强和耐磨带, 保证膜布设计使用寿命。钢索与膜布间设置固定点和相对移动点, 保证大门开启和抗风需要。膜布一侧与建筑物固定, 固定侧门布有一定余量满足大门变形要求;另一侧开启移动。上下导向装置均采用轮组设计, 可满足大门抗剪和抗弯要求。上下和水平方向均采用导轮结构, 运行阻力小。开启式膜结构大门平面、正立面及侧立面如图5~7所示。

上复合梁组件主要采用钢板焊接而成, 结构易发生焊接变形。复合梁组装板件量多且较薄, 制作精度直接影响大门运行, 因此加工时需加工装控制本件焊接变形, 焊后采用高频振动消除应力。各钢板长度方向允许拼接, 拼接焊缝进行100%超声波探伤, 符合GB/T11345—2003《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》之I级为合格。构件梁体对角线误差控制在±3mm, 上下表面平整度误差≤3mm。上复合梁组件轴测图与节点图如图8, 9所示。

大门膜材加工质量的好坏将直接影响大门的抗风能力与大门开合运行。大门膜材总面积大, 达10 500m² (130m×80.64m) 。因门布需要折叠, 其展开面积高达13 450m² (161m×83.55m) 。膜材连接的主要受力缝采用热合连接技术, 搭接宽度≥40mm。

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。在铺设前, 先通过试验确定膜材热缩率, 根据热缩率确定膜材下料尺寸。由于膜材面积大、热合长度长, 为保证热合缝均匀及热合后的膜材几何尺寸、加强带连续热合的直线度及膜材连接点的准确性, 在地面上标线, 并沿标线铺设膜材, 将相邻膜材进行热合处理。膜材铺设过程如图10所示。

膜材加强带多, 加强带长, 尺寸一致性难以把握。门布加强带为一整条, 不允许中间接头。在热合后的膜材上铺设竖向加强带, 再在竖向加强带上铺设横向加强带, 并将横向加强带和竖向加强带与膜材进行热合处理。聚酯纤维布和钢索重合部分均有加强和耐磨带, 保证膜材受力性能及耐久性。受拉时膜材的伸长率大于加强带的伸长率, 保证受拉时加强带一直处于受力状态。

在横向加强带与竖向加强带交叉点处铺设锁扣, 并将锁扣与横向加强带和竖向加强带进行热合处理。锁扣连接如图11所示。锁扣同支撑拉索采用固定与浮动2种连接方式, 其热合连接强度的大小直接影响大门的结构安全。

将膜材折叠便于运输和吊装。折叠时由于人工拖曳效率低, 难以整齐, 因此开发了专用折叠牵引装置进行牵引, 如图12所示。折叠前, 先将各牵引绳的另一端与待牵引锁扣固定连接, 通过折叠牵引装置的牵引将索膜进行折叠, 折叠后同一行相邻锁扣的间距与折叠大门完全打开时相邻钢索的间距一致;折叠时, 由第1电机带动第1卷筒旋转, 进而带动牵引绳拉动锁扣, 从而实现对索膜的折叠。

为了便于运输和安装, 须对折叠后的膜材进行卷曲。将膜材卷曲成一个直径为2.5m, 长度为17m的圆柱体, 质量不超过25t, 如图13所示。卷曲时, 由第2电机带动卷曲轴旋转, 从而实现对索膜的卷曲。在索膜的卷曲过程中, 两侧卷曲支架会随动前进, 随着索膜卷曲厚度的增加, 滑块在滑轨内向上移动, 以适应卷曲厚度。

控制系统由可编程控制器PLC、控制按钮面板、触摸屏、变频驱动器、旋转编码器、测力传感器、风向风速传感器、限位系统及控制软件等组成。

大门的驱动由4台卷扬电机组成, 由于各电机输出之间并非直接耦合, 因此需要考虑门扇上下和左右驱动的同步性, 否则会造成驱动输出不均衡, 门扇结构不同步而产生附加扭矩, 从而对门扇造成损伤。

采用PLC、变频器及编码器组成速度闭环控制系统。PLC根据程序控制指令控制变频器输出频率来驱动卷扬电机运转, 安装在电机输出轴上的编码器将高速脉冲信号反馈给PLC高速计数输入端, PLC根据各电机编码器反馈的数据进行逻辑和算术运算。在PLC中设计一个转速比较器将主从电机反馈的转速再进行比较后得出转速差。然后再设计一个模糊PID控制器, 在其中进行运算后得出一个补偿值, 从而实现整个多电动机同步运行控制 (见图14) 。在大门运行过程中, 如偏差值达到允许极限值时, 系统会马上停机, 并报警输出。

联动是指系统无故障情况下正常的开关门操作, 在图中“钥匙开关”选择在运行状态, 操作“开门按钮”或“关门按钮”, 4台卷扬电机同时同步运行。

单动是指在安装过程中或维修情况下操作使用, 在图中“钥匙开关”选择在维修状态, “选择开关”选择:左上或左下或右上或右下或左上右上或左下右下, 操作“开门按钮”或“关门按钮”, 则相应的卷扬电机的单独运行。在触摸屏操作面板上, 还可以通过设置密码来进行运行/维修的选择。

大门采用变频控制、缓启缓停, 减少了对门体及建筑结构的冲击。停止采用制动电阻的能耗制动和电磁抱闸制动相结合方式, 确保稳定可靠。在大门完全关闭位置, 还设置插销装置实现双定位。大门运行曲线如图15所示。

介绍了一种超大型折叠开启式门的加工制作方法, 重点介绍大门膜材的铺设与热合、膜材加强带的铺设与热合、膜材锁扣的铺设与热合、膜材的折叠与卷曲等技术, 解决了膜结构大门开启平稳、顺畅及满足抗风设计的要求。

针对大门的控制系统的同步性控制难题给出了详细的技术解决方案, 以保证大门开启的同步性与平稳性。