曹正刚：哈尔滨工业大学博士生导师，兼哈尔滨工业大学建筑设计研究院副总工程师，中国建筑学会建筑结构分会主任，中国建筑学会空间结构专家委员会委员中国钢协建筑索结构专业委员会委员、钢结构质量安全鉴定专业委员会委员。 2007年师从中国工程院院士沈士钊教授获得博士学位。多年从事大跨度空间结构静动力稳定、高层结构抗震、新型结构体系等领域的理论和工程实践研究。成果收录于国家技术标准《网壳结构技术规范》（JGJ61-2003）和《空间网架结构技术规范》（JGJ7-2010）、《装配式钢结构建筑技术规范》、《兼任上述标准的编委。近年来出版专着《大跨度预应力干煤棚设计与施工》、《网壳结构弹塑性稳定》2部、《高层大跨度建筑施工》教材1部。近五年来在该领域期刊发表论文60余篇，其中SCI/EI收录论文30余篇，已发表论文7篇。发明专利；主持国家自然科学面上基金2项、国家重点研发计划2项等高水平研究课题。
主持设计了大连体育中心、大庆奥体中心、锦州滨海体育中心、第十二届全运会、第十三届、第四届冬运会场馆等重大工程实践项目，并荣获建筑学会金奖优秀建筑结构设计（中国建筑结构设计最高奖）1项、银奖1项，钢协空间结构协会设计金奖3项、银奖1项。
负责封闭煤场工程设计，包括国电宁夏方家庄电厂2×1000MW机组项目封闭煤棚（跨度229米）、场外扩建封闭煤棚（跨度219m） 2×1000MW机组大、小压力机组）、内蒙古托克托电厂一期储煤场封闭改造总承包工程封闭煤场（跨度185米）、内蒙古托克托电厂三期储煤场封闭改造总承包承包工程封闭煤场（跨度181米），大唐环境羊城国际发电有限公司输煤系统A、B煤场封闭（跨度169米）。
2014年获得中国建筑科学技术奖一等奖； 2016年获国家科学技术进步二等奖。
一
干煤棚结构发展趋势及特点
干煤棚的主要功能是储存大量煤炭。具有一定的储存和操作空间，满足一定的间隙要求。是一项节能环保项目。其优点是：1）下雨时防止煤被浸湿； 2）有风时防止环境污染； 3）减少煤尘等煤炭损失； 4）避免阳光直射，引起煤粉自燃； 5)防止硫化物质扩散等。有效利用空间的横截面形状为梯形，工作空间的围护结构接近于圆弧。
20世纪初，封闭式储煤结构广泛采用砌体、木结构和混凝土结构。随着工业的不断发展，筒仓成为储存煤炭的主要方式。
80年代-平板网格、防风抑尘网（延续至今）
a) 镀锌网
特点：耐腐蚀，适合沿海气候，现在主流钢网材料。
b) 喷塑钢板
特点：成本低，不耐腐蚀，喷涂层易脱落，后续维护成本高。
c) 玻璃树脂板
特点：适合内河港口气候
d) 纤维编织网
特点：易积灰尘，强风下易撕裂变形。
20世纪80年代-大跨度木结构干煤棚
四川江油电厂88米干煤棚是国内跨度最大的胶合木煤棚结构，已建成30年。它依然巍然屹立，雍容华贵，雄伟壮观。
本世纪初至今：大跨度螺栓球面网壳结构干煤棚、跨度螺栓球面圆柱网壳结构干煤棚
大跨度铝合金网壳结构干煤棚
新疆烟墩物流园区煤炭储存仓库，直径60m，2013年；曹妃甸数字煤炭仓储基地原煤储存库，直径125m。
大跨度充气膜结构干煤棚
利用气膜内的内外压差，抵抗自重和风雪荷载，全封闭；薄膜材料透光，煤棚内采光效果较好；气膜结构现场施工效率高，施工周期短，经济性好；气膜结构不能采用过高的压差，刚度较弱，在风雪荷载作用下变形较大，所以一般跨度为80-120米。
超大跨度预应力张拉桁架结构干煤棚
插入支柱将导致约14,000至15,000立方米的煤炭储存能力损失。堆取料机的效率将下降20%至40%。中心柱需要特殊的防护处理，防止煤压或腐蚀，以及与卡车式装卸设备碰撞。
超大跨度预应力张拉桁架结构干煤棚
自平衡索拱受力系统重量轻，可跨越较大空间。是新体系、新材料相结合的大跨度预应力空间结构体系；拉索可以起到平衡作用，抵消部分推力，降低基础设计难度；跨度大、高度大、覆盖面积大斗轮机钢结构检测项目，储煤能力增大，能耗比较好。
超大跨度预应力张拉桁架结构干煤棚-骨架膜
屋面材料还可以采用膜结构，既可以减轻自身重量，又可以利用膜材料本身的半透明性进行采光；屋面覆盖材料支撑间距大，弦桁架节距可达25-30米，有效降低桁架、檩条成本。减少钢材用量，减少现场拼装材料数量，提高施工效率。膜结构安装快捷，可缩短工期。
大跨度预应力管桁架结构干煤棚——近五年部分工程项目
二
大跨度干煤棚领域存在的主要问题
典型设计和施工缺陷及其他技术问题
不稳定塌陷破坏、跨度雪水冲击、积雪破坏、风致破坏、支架不均匀沉降、煤压破坏、煤粉自燃、吊装破坏、漆膜破坏、材料不合格、设计缺陷、管道壁厚偏差。
《结构用长缝埋弧焊钢管》GB/T30063-2013偏差要求
《直缝电焊钢管》GB/T 13793-2016偏差要求
标准协调：电力行业体系与民用建筑体系独立，行业标准相互借鉴但又相互独立；
超限问题：现有大量封闭式库房跨度超过120m，但真正遵循超限审查要点的很少。防火分区超长、超大、超限的现象屡见不鲜。
荷载值： 1）活荷载值：电力行业标准：干煤棚轻金属屋面，取0.3kN/m2。
钢结构设计标准：只有一处活荷载时，取0.3kN/m2。
2）风荷载复杂：封闭、半封闭、部分开启、堆煤、不堆煤等。
EPC一体化：追求利润最大化，结构设计和施工质量堪忧。
运行监测：缺乏对运行环境、结构应力、变形等反应的长期检测和监测；
三
预应力钢结构干煤棚主要形式及特点
预应力拱桁结构-张拉弦梁、张拉弦桁架-演变
采用近似三心圆拱桁架+预应力钢索的组合，跨越能力强，经济性好；预应力拉索通过支撑为主桁架提供更大的竖向刚度，并起到抗风作用；
预应力钢结构干煤棚
主表格(1)
大唐托克托电厂五期煤场关闭（2017年）
钦州电厂二期煤场关闭（2015年）
主要形式(2)
华电屠油电厂煤场关闭（2015年）
国电方家庄发电厂煤场关闭（2017年）
主要形式（三）——拱形预应力弦网壳结构
河南新乡裕新电厂干煤棚（2003年）
主要形式(4)——门式预应力张拉桁架
CPI朝阳燕山湖发电厂干煤棚（2011年）
主要形式（5）——预应力拱形桁架
中国电力投资集团公司长春东南热电厂干煤棚
主要形式（六）——桅杆斜拉+张拉桁架结构
河西电厂干煤棚结构方案
主要形式(7)——预应力平面双索体系
大唐国际王滩发电封闭干煤棚方案
屋顶照明和通风系统
屋顶排水系统
室内消防、除尘、监控系统
四
大跨度预应力钢结构干煤棚设计方法
主要设计依据
干煤棚的设计主要依据现行国家标准和规范。同时，对于一些没有规范可循的设计工况，可以参考专项风洞实验、风振分析、节点实验、超限审查技术要点等文件作为设计依据。当地的建筑法规和区域设计实践也是重要的参考。
干煤棚的建设和设计很多都是电力系统工程项目。对于一些特殊要求，需要参考电力行业规范和规定。许多涉及干煤棚的规定需要仔细考虑。
《火电厂土建结构设计技术规程》（DL 5022-2012）
《火电厂及变电站消防设计规范》（GB50229-2019）
《电力设施抗震设计规范》（GB 50260-2013）
《火电厂建筑设计规范》（DL/T 5094-2012）
主要分析方法
预应力钢结构干煤棚通常定义为零状态、初始状态和荷载状态。
结构安全等级
参照《火电厂土建结构设计技术规程》，建议大跨度拱形预应力钢结构干煤棚安全等级可取二级。
电厂建筑物安全等级
结构体系选型
上弦桁架宜采用多段变截面高度形式，并遵循整体弯矩图分布。建筑高度尽量低，下弦跨比接近1/60~0，与斗式水轮机围护结构距离至少3m。
预应力拉索及拉杆的选择
干煤棚风荷载特性——带状体形系数
封闭式落地屋顶
封闭的拱形屋顶
矩形平面圆柱屋顶（报批稿）
当前荷载规范下的风压分布与风洞试验结果不同。 《屋面结构风荷载标准》报批稿更接近实验结果。
干煤棚风荷载特性——B级地貌，某煤棚屋顶极限风压（kN/m2）
干煤棚风荷载特性——煤堆干扰、封闭与开放、局部破坏效应
风洞试验模型表
不同开启方式的干煤棚外表面风压分布较为接近斗轮机钢结构检测项目，但内表面风压分布差异较大；
有开口的干煤棚内部基本处于负压状态，内压形状系数为-0.1~-0.2；外表面的负压会抵消它，正压会增加。山墙墙内压形系数可达-0.15~-0.2，整体形系数0.9~1.1或-0.3~-0.4；
堆煤方式对内部压力有局部影响，但对整体风压分布影响较小。
合力系数：CD为阻力系数，CL为升力系数，0.5
最不利风向角全封闭、全开时为60～75度，半开、全开时为30～45度；
不同长宽比的煤仓最不利风向角几乎相同。
干煤棚风荷载特性——风振系数统计
以最大动态响应为控制指标的整体风振系数
分别是静风荷载下的最大响应和总风荷载下的最大响应，包括位移响应、内力响应和支撑反力响应。
风荷载设计建议采用分区风振系数；等效静风荷载应该是结构设计者更愿意接受的荷载形式。
全工况下主体结构风振系数
干煤棚雪荷载特性——雪分布系数
风致积雪研究
大跨度屋面（>100m）
拱形屋顶
拱形屋顶的 ASCE 规范
NBC 拱形屋顶规范
干煤棚积雪荷载特性--单跨拱形屋面积雪试验
柱壳上的积雪在风的影响下主要分布在迎风前端和末端。由于屋顶倾斜度较大，雪在靠近边缘处滑落，因此不存在堆积；
三心圆形屋顶中部较为平缓，结构两端坡度变化较大。屋顶积雪面积比矢跨比为1/3的柱壳大7%。
干煤棚雪荷载特性---M型雪分布系数
超长煤棚结构多点激励分析
大跨度煤棚结构抗连续倒塌分析
超长煤棚结构的温度处理
目前干煤棚长度超过一公里，需要将温度伸缩缝分成多段，以减少温度应力的影响。单节封闭结构长度接近300米，可采用“抵抗”和“释放”两种温度荷载控制结构措施。 。
煤棚结构相贯搭接接头（隐焊缝）
主要问题：现场暗焊缝大多未焊接，地震作用下劣化情况不明，存在安全隐患。
煤棚结构横向桁架连接系统
煤棚结构山墙抗风桁架系统
形式（1）：山墙桁架与边跨主桁相互连接。山墙桁架对侧桁架和墙板起到抗风和支撑的作用。边跨桁架采用普通钢桁架形式；
形式（2）：山墙桁架与边跨主桁水平连接，垂直释放。山墙桁架仅起到抗风和支撑墙板的作用，边跨桁架仍采用拉弦桁架形式。
煤棚结构的屋顶有檩条系统
采用0.6~0.8mm彩色压型钢板或膜结构。
干煤棚结构防火设计
《火电厂、变电站消防设计规范》GB50229-2019-8.1执行
Ø 每个室内储煤场最大面积不宜超过50000平方米，每个防火分区面积不宜大于12000平方米。当防火区面积大于12000平方米时，区内应设置宽度不小于10米的通道。距离煤堆表面3米以上的防火墙。
Ø 储煤面距钢结构构件小于等于3m的钢结构承重构件应采取防火措施，耐火极限不应小于2.5h。
《火电厂土建结构设计技术规程》（DL 5022-2012）
Ø煤场煤堆围护结构5m范围内的钢结构应采取防火措施，耐火极限不少于1小时。
五
大跨度预应力钢结构干煤棚施工方法
干煤棚结构施工
1）现场分段组装、分段吊装
现场分段吊装施工采用现场拼装→吊装→高空对接→纵向桁架安装→高空分级张拉
2）累计滑移施工
使用端部组装→吊装→高空对接→高空张拉
累积滑移→设计过程中应考虑挡土墙设计→固定支撑
3）建设整体提升
现场组装→低位对接→吊装→低位张拉
檩条安装→多梁整体吊装就位→高空多梁、管同时对接
六
超大跨度预应力钢结构干煤棚工程案例
国电宁方东方家庄发电厂干煤棚工程-跨度229米
大唐发电托克托一期煤场截流工程跨度185米
国家电力投资公司焦作丹河发电厂煤场截流工程-跨度219米
