武汉国际航空工程中心项目是目前亚洲通用机场单体最大的机库，同时具备飞机维修和大型展厅功能，由机库大厅及附楼两部分组成。由于工程工期紧张，主体结构全部采用钢结构，基础采用预制管桩基础。通过方案比选，确定了机库大厅支承体系采用钢柱，并加密了山墙柱，屋盖采用平面主次桁架+屋面水平支撑的形式。本文介绍了机库大厅主要的节点形式，分析了温度作用对超长结构的影响。对附楼的结构体系、楼板选型进行了分析比选，对基础设计进行了简要介绍。

 

武汉国际航空工程中心项目(图1)，位于湖北省武汉市经济技术开发区的汉南通用机场内，二期跑道西侧。航空工程中心的机库由机库大厅及机库附楼两部分组成(图2)，总建筑面积为29618.52㎡。其中机库大厅面积19815.13㎡，附楼面积9803.39㎡，是目前亚洲通用机场单体规模最大的机库。主要功能是飞机维修，举办大型活动或展会时作为展厅。2017国际航联世界飞行者大会时作为静态展室内展馆，也将为2019年第七届世界军人运动会提供比赛场地。

 

图1 效果图(附楼一侧)

图2 平面分区示意图

 

机库大厅宽度288m，进深68m，柱网为(36m×8)×(34m×2)，下弦标高为12m。机库大门采用推拉门，门高8.7m，每扇门宽9m，大门上设置有人行小门。机库大厅下弦布置8台3.2t吊车。

 

附楼平面尺寸为288m×10m，宽度方向为单跨；主要柱网为9m×10m，地上3层，一层层高为6.0m，二、三层层高为4.0m。

 

本工程设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。抗震设防烈度为6度，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，多遇地震场地特征周期为0.45s，抗震设防类别为标准设防类(丙类)。基本风压为0.35kN/㎡(50年一遇)，地面粗糙度类别为B类，基本雪压为0.50kN/㎡(50年一遇，附楼)、0.60kN/㎡(100年一遇，机库大厅)。

 

一、机库大厅结构选型

 

机库大厅宽度方向柱距为36m，共8跨，进深方向柱距为34m，共2跨。屋盖荷载见表1。

 

机库大厅荷载取值 表1

 

1、方案比选

 

机库大厅两个方向的柱距分别为36m和34m，从结构合理性考虑，钢桁架(方案一，图3)和钢框架(方案二，图4)均为可采用的方案，分别采用这两种方案进行了计算，见表2。

 

图3 钢桁架计算模型

图4 钢框架计算模型

方案一、二计算结果比较 表2

 

屋盖的结构高度方案一比方案二约高1m，用钢量方案二比方案一约高62%，由于杆件数量少，方案二的施工速度比方案一快。考虑到本工程并无限高要求，采用方案二总造价较高，且美观效果不如方案一，所以综合考虑结构形式采用钢桁架形式(方案一)。

 

2、机库大厅结构设计

 

(1)支承体系

 

机库大厅宽度288m，进深68m，长宽比约为4.2，平面较为狭长，支承体系除提供可靠的竖向支承外，尚需有较为适宜的抗侧及抗扭刚度，分别采用以下三种支承体系进行计算比较。方案一：36m×34m柱网(图5)；方案二：36m×34m柱网+左右山墙密柱(图6)；方案三：36m×34m柱网+左右山墙及后山墙柱间支撑(图7)。

 

图5 方案一36m×34m柱网

图6 方案二36m×34m柱网+左右山墙密柱

图7 方案三36m×34m柱网+左右山墙及后山墙柱间支撑

 

从表3可见，由于平面狭长，方案一的支承体系抗扭能力较弱，周期比超过了0.9，较为不利。方案二通过两侧山墙增设的柱子可以有效加强结构整体的抗扭能力，改善整体受力性能。方案三在左右两侧山墙和后山墙增设柱间支撑后，抗扭能力明显加强，为三种方案中抗扭能力最好的，但由于结构平面长度较长，集中设置的柱间支撑集中了过多的水平力，导致支承体系应力集中和屋盖在柱间支撑位置受力突变，对结构整体受力有一定的不利影响。

 

周期计算结果比较 表3

 

通过以上分析，支承体系采用方案二，即36m×34m柱网+左右山墙密柱。

 

(2)屋面桁架布置方式

 

屋面桁架采用平面主次桁架[1]+屋面水平支撑的方式(图8~13)。主桁架沿288m方向设置，机库大门开口边结合大门安装需要设置两榀主桁架，中列柱和后山墙柱分别设置一榀主桁架，见图8，一个柱跨的典型主桁架布置见图11。

 

图8 主桁架布置图

图9 次桁架布置图

图10 下弦支撑布置图

图11 典型主桁架示意图

图12 典型次桁架示意图

图13 上弦支撑布置图

 

次桁架与主桁架垂直，沿68m方向设置，由于每个横向柱距内有一台四支点悬挂吊车，结合吊车轨道位置设置次桁架，每个柱距内为4榀，次桁架间距为9m和4.5m，见图9，典型次桁架布置见图12。

 

桁架下弦支撑沿纵横向柱列设置，同时设置一定数量贯通柱网的X形交叉支撑，保证桁架下弦面内的整体性，从而将屋盖承担的水平风荷载、吊车荷载、地震作用等有效地传给下部支承柱，下弦支撑布置见图10。上弦支撑沿桁架平面周边设置封闭支撑，并沿三个纵向柱列设置交叉支撑及一定数量的水平系杆，保证上弦桁架整体性，见图13。

 

(3)节点形式

 

考虑到机库兼做展厅，出于室内美观的要求，桁架主要节点连接形式采用相贯焊，上下弦水平支撑和桁架连接也采用相贯焊的形式。

 

吊车与桁架连接节点(图14)采用连接板贯通桁架下弦管的方式，保证吊车荷载可靠地传到桁架下弦。

 

图14 吊车与桁架连接节点

 

桁架与支承柱的支座节点采用平板压力支座，节点做法见图15。

 

图15 桁架支座节点

 

(4)超长钢结构温度影响分析

 

机库大厅宽度为288m，超过了规范规定的温度区段长度，属于超长钢结构，温度作用对结构的影响不容忽视。根据当地气候条件，计算温差按±35℃考虑，图16和图17分别给出了屋盖结构和支承柱在温度单工况下的应力。屋盖桁架温度应力最大值位于左右两侧主桁架接近支承柱的位置，最大应力约为15MPa；支承柱温度应力最大值位于左右山墙四角位置，最大应力约为122MPa。可以看出，温度作用对机库屋盖的受力影响较小，对支承柱影响较大，设计中根据荷载规范要求，考虑温度与恒荷载、活荷载、风荷载的组合，按最不利荷载组合进行构件验算。

 

图16 屋盖桁架温度应力/MPa

图17 支承柱温度应力/MPa

 

二、附楼结构设计

 

1、结构体系

 

附楼平面尺寸为288m×10m，长宽比达到了28.8，体型过于狭长，需设置防震缝划分结构单元。设置三道防震缝，分割为四个结构单体，每个单体平面尺寸为72m×10m，虽然平面长宽比仍较大，但通过合理的加强措施，可以保证结构整体受力。附楼结构形式采用钢框架，柱子采用方钢管，梁采用焊接H型钢，楼梯采用钢楼梯。附楼柱距以9m×10m为主，考虑到楼板的经济合理跨度，每跨布置三道单向次梁，次梁间距为2.5m左右。

 

2、楼板选型

 

钢框架结构的楼板可采用无压型钢板的普通混凝土楼板、开口型压型钢板混凝土楼板、闭口型压型钢板混凝土楼板、钢筋桁架楼承板等。

 

普通混凝土楼板无压型钢板底模，需要现场支模浇注，现场工作量大，人工成本高，施工不便；开口型压型钢板混凝土楼板由于开口位置楼板有较大削弱，导致楼板刚度较差，舒适度和隔声效果差，属于规范不推荐的形式；闭口型压型钢板混凝土楼板和钢筋桁架楼承板的楼板厚度上无削弱，受力性能和使用性能好，但造价相对其他形式略高；钢筋桁架楼承板底模厚度仅为0.5mm，总体价格较为便宜，钢筋桁架在工厂制作完成，现场钢筋绑扎工作量小，施工速度快，综合效益良好，所以本工程采用钢筋桁架楼承板。

 

钢筋桁架楼承板板型选TD4-90，见图18，钢筋桁架上弦钢筋直径为10mm，下弦钢筋直径为10mm，压型钢板底模厚度为0.5mm。(备注：中构新材供货1.7万平方米钢筋桁架楼承板)

 

图18 钢筋桁架楼承板大样图

 

三、基础设计

 

根据勘察报告，主要土层的地质参数见表4。

 

主要土层的地质参数 表4

 

机库大厅、附楼均采用预应力混凝土管桩(PHC桩)，桩端持力层均为⑤-3层粉细砂层或⑤-2层粉细砂夹粉土层。附楼及机库大厅中柱采用抗压桩，机库大厅左右山墙柱采用抗压抗拔桩，桩型选用PHC500A100，单桩竖向抗压承载力特征值为1200kN，单桩抗拔承载力特征值为400kN，桩端全截面进入持力层的深度不小于1000mm。

 

结论

 

(1)工程的工期紧，设计采取了多项可缩短工期的措施，比如机库采用预制管桩、主体结构均采用钢结构、楼屋盖采用钢筋桁架楼承板等，提高了预制装配化率，保证了工程的如期竣工，也充分契合了国家的绿色建筑、装配化政策。

 

(2)通过方案比选，确定了机库大厅支承体系采用36m×34m柱网+左右山墙密柱，屋盖采用平面主次桁架+屋面水平支撑的形式。介绍了机库大厅主要的节点形式，分析了温度作用对超长结构的影响。

 

(3)通过分析比较，附楼结构形式采用钢框架，楼屋面板采用钢筋桁架楼承板，基础采用预应力混凝土管桩(PHC桩)。

作者简介：杨会杰，硕士，高级工程师，一级注册结构工程师