航空類大跨度維修機庫結構選型及抗震防沖擊性能的研究進展

魏曉剛+麻鳳海+李廣慧

摘要：針對航空類大跨度空間結構地震動力災變及抗沖擊性能研究不足的問題，通過分析國內外關于航空類大跨度維修機庫空間結構抗震防沖擊性能與結構選型的相關研究成果，分別從大跨度維修機庫結構選型的發(fā)展與原則、特征分類與特殊性以及結構選型及抗震防沖擊的關鍵問題等方面進行了重點探討，在分析大跨度維修機庫的特殊性與災害荷載復雜性的基礎上指出了該結構抗震防沖擊性能的技術難題，系統(tǒng)梳理了航空類大跨度維修機庫結構選型及抗震防沖擊性能亟需解決的學術問題，為大型飛機維修機庫結構的選型與防震抗沖擊安全防護提供借鑒和參考。

關鍵詞：大跨度空間結構；地震災害；維修機庫；沖擊破壞；動力災變；抗震防沖擊性能

中圖分類號：TU311文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）01-0075-07

0引言

航空事業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，帶動了大規(guī)模的航站樓及大跨度飛機維修庫等大跨度空間結構的建設，其中最具有代表性的是大型航站樓建筑，如北京首都機場T1航站樓、昆明機場航站樓、廣州新白云國際機場航站樓、深圳機場等（張潔，李愛群，2007；李東，2004）。鑒于目前大型飛機制造業(yè)的迅猛發(fā)展，機場上用于存放、維修飛機的大跨度維修機庫越來越多。航空類維修機庫的工程建設投資巨大，加之航空設施對維修機庫的功能要求嚴格，如何最大限度地提高維修機庫建設中的利用效率及功能實用性，降低由于飛機的外型構造改變而造成的巨大經濟損失及社會影響，是目前維修機庫建設中迫切需要解決的問題（徐慶陽等，2008，2012，2013；張毅剛等，2010）。

飛機維修機庫屬于大跨度空間結構，其特殊性及重要性要求在設計過程中要同時兼顧工藝性能要求與建筑結構屬性，才能科學合理地為其設計改進提供借鑒。而飛機維修機庫的結構選型、空間結構布局及細部構造要求是否合理對實現(xiàn)其功能起著至關重要的作用（郎豐華，2005；沈順高，2002；曹資，薛素鐸，2006；王多智，2010；王多智等，2014，2011；尹弘峰，2012；范峰等，2009）。

我國飛機庫維修行業(yè)起步相對較晚，大型飛機維修機庫的建設也屬于朝陽產業(yè)，較為成熟的工程經驗十分匱乏（翁光遠，2011；聶桂波，2012；朱明亮，2012；姚云龍，2014）。加之飛機維修機庫的特殊性、重要性、靈活性及長期適用性等方面的要求，對其安全性、適用性、耐久性及經濟性等建筑結構方面的要求較高，所以其在結構選型及抗沖擊性能等方面的設計影響因素較多（張潔，李愛群，2007；李東，2004；郎豐華，2005；沈順高，2002；曹資，薛素鐸，2006；王多智，2010；王多智等，2014，2011；尹弘峰，2012；范峰等，2009）。目前國內外的專家學者對大跨度空間結構體系的抗震防沖擊復合性能研究相對較少，且研究成果不夠系統(tǒng)化，無法為工程設計的減災防御要求提供參考。因此系統(tǒng)科學分析目前國內外已有的結構設計經驗及研究現(xiàn)狀，結合航空類建筑的獨特結構形式，梳理出航空類大跨度空間結構的設計選型原則、設計理念及思路，為飛機維修機庫的結構選型提供參考和依據，分析大跨度維修機庫在沖擊荷載作用下其力學響應及災變演化過程，為大型飛機維修機庫結構的抗沖擊安全防護提供借鑒和參考。

1大跨度維修機庫結構選型的發(fā)展及原則11發(fā)展

機場飛機車庫主要由飛機維修機庫和附樓2類建筑組成，其中飛機維修機庫建筑根據機場實際的維修用途又可以分為大機庫（航線維修機庫）和小機庫（大修兼局部修補噴漆機庫）2種。

大跨度維修機庫的投資成本昂貴、結構維修加固難度大、使用功能要求精度高，因此對維修機庫的使用就必須充分考慮飛機自身結構改進的影響，所以系統(tǒng)總結國內外大跨度維修機庫已有的研究成果和設計經驗，為維修機庫的結構選型及設計提供參考和借鑒就顯得尤為重要。

國內外的專家學者及結構設計人員，對大跨度維修機庫的設計選型已經開展了大量的研究工作，豐富和發(fā)展了大跨度維修機庫的設計思路及結構選型理念（張潔，李愛群，2007；李東，2004；郎豐華，2005；沈順高，2002；曹資，薛素鐸，2006；王多智，2010；王多智等，2014，2011；尹弘峰，2012；范峰等，2009）。

20世紀70年代以前，傳統(tǒng)的混凝土結構（或鋼-混凝土組合結構）為維修機庫的主流結構形式，英國不萊茲諾頓單懸臂框架機庫（1967年建成）和洛克希德航空公司背靠背懸吊懸臂機庫（1968年建成）是這個時期維修機庫結構形式的典型代表；20世紀90年代以后，空間結構開始大規(guī)模應用于大跨度維修機庫。航空維修機庫以鋼結構形式為主，主要經歷了從普通鋼屋架到鋼網架的發(fā)展過程，而維修機庫結構形式的發(fā)展變化與大跨度空間結構發(fā)展歷程密切相關；所以維修機庫結構形式的發(fā)展主要依賴于大跨度空間結構相關理論與技術的逐漸成熟與迅速發(fā)展（張潔，李愛群，2007；李東，2004；郎豐華，2005；沈順高，2002；曹資，薛素鐸，2006；王多智，2010；王多智等，2014，2011；尹弘峰，2012；范峰等，2009）。

地震研究40卷第1期魏曉剛等：航空類大跨度維修機庫結構選型及抗震防沖擊性能的研究進展伴隨著世界范圍內的大型飛機制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，飛機維修機庫結構也日趨完善豐富，其結構由簡單單一的平面結構逐漸發(fā)展到復雜多樣的大跨度空間結構。從傳統(tǒng)常見的工業(yè)與民用建筑工程結構（如梁式結構、框架結構以及蒙皮受力結構等）到新穎的大跨度空間結構（如薄殼結構、網架結構、懸索結構等）以及不同結構型式組合而形成的雜交結構，都在飛機庫結構中得到廣泛應用（翁光遠，2011；聶桂波，2012；朱明亮，2012；姚云龍，2014）。

12原則

航空產業(yè)的特殊性及重要性要求航空類建筑從結構設計到使用功能均與普通的建筑工程具有較大的差異。飛機維修機庫結構的合理選型、整體結構布局以及細部構造措施的處理，都對維修機庫結構的功能起著至關重要的作用。由于航空類建筑結構的體量規(guī)模較大，機場多建設在抗震設防區(qū)域，并且維修機庫多為大跨度空間結構體系，受風荷載的沖擊破壞效應較大，但是現(xiàn)在卻沒有專門細致化的針對大跨度維修機庫這類特種結構的設計標準及設計規(guī)范，所以大跨度維修機庫結構的抗震性能及抗風沖擊性能的設計就顯得尤為重要（徐慶陽等，2008，2012，2013；張毅剛等，2010）。

影響結構選型的因素較多，主要涉及到功能要求、力學原理、外形美觀、施工要求及經濟性等方面。而對于大跨度維修機庫這種特種結構，在綜合分析關于大跨度維修機庫的結構設計及選型的文獻的基礎上（張潔，李愛群，2007；李東，2004；郎豐華，2005；沈順高，2002；曹資，薛素鐸，2006；王多智，2010；王多智等，2014等，2011；尹弘峰，2012；范峰等，2009），考慮抗震防沖擊性能，航空類大跨度維修機庫的結構選型的基本設計原則如下：

（1）滿足使用功能及工藝要求的原則

飛機維修機庫結構形式的合理選擇，需要充分考慮到飛機的類型、外輪廓尺寸、維修停放等影響因素，在保證飛機停放、移動具有足夠的使用空間的前提下，最大限度地杜絕空間的浪費。所以對機庫結構進行選型時，需要分別從平面布置方案與高度確定來實現(xiàn)飛機維修機庫內部空間的合理使用；滿足飛機制造及維修工作的要求，同時也需要兼顧飛機庫的擴建、改建工作的要求。

（2）機庫結構安全使用的原則

飛機外輪廓尺寸的限制，要求維修機庫的體型高大；但由于飛機起飛降落的安全需要，機庫高度又要滿足機場空間高度的限制要求。因此維修機庫設計要符合機場的整體規(guī)劃要求及發(fā)展需要。

機庫還需要同時滿足消防防火、施工安全等土建施工的基本安全要求。

（3）空間結構力學要求的選型原則

飛機維修機庫的整體結構選型要求在滿足其基本功能需要（正常停放使用及維修工藝）的前提下，其布局和構造措施必須合理得當，所以必須要求其空間結構力學性能必須合理，主要涉及到大跨度空間結構所承受的荷載因素、各個構件協(xié)同力學關系、結構變形及穩(wěn)定性等方面。

綜上可知，大跨度維修機庫結構選型的基本原則為：在滿足其功能需求的基礎上，必須保證其結構安全及可靠性，最大限度的實現(xiàn)經濟合理以及綠色節(jié)能環(huán)保。

2大跨度維修機庫結構選型體系21特點及分類

考慮到大跨度維修機庫結構的特殊性（空間大且修復困難，一旦廢棄損失巨大）、重要性（飛機造價高且維修設備多為貴重精密儀器），根據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223—2008）以及《工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB50153—2008）的相關條款，綜合考慮維修機庫結構的跨度、高度等因素，可以判斷其抗震設防類別為重點設防類，其安全等級為一級。

雖然飛機維修機庫結構為大跨度空間結構，但是與普通的大跨度空間結構相比較而言，其結構特點主要體現(xiàn)在：

（1）飛機維修機庫的屋蓋結構的內部凈空高度尺寸要求較高（圖1），尤其是內部可利用高度必須符合維修機庫的使用功能及工藝要求。

（2）飛機維修機庫的屋蓋結構所承受的附屬設備自重大，并且不同的維修車間（使用要求不一樣：飛機的大修、航線的維修以及飛機的噴漆裝飾等不同工藝的要求）所導致的承受荷載差異較大，這主要是因為飛機維修機庫屋蓋除了要承受大型可移動的懸掛移動維修設備外，通風設備、消防設備等安全設備也比普通的建筑結構要求要高（圖2）。

（3）飛機維修機庫的屋蓋結構由于所承受的荷載（靜力荷載、動力荷載等）復雜，所以對其強度、剛度及穩(wěn)定性等方面的要求也高于普通的大跨度空間結構（圖3）。

（4）由于飛機維修機庫內部不同位置附屬設備差異較大，導致其質量與剛度分布不均勻，在外部荷載的作用下可能導致其力學響應與普通的空間架構差別較大（圖4）。

22特殊性

大跨度維修機庫的使用功能及工藝對其結構方面有特殊要求，這導致維修機庫的結構力學性能與普通的大跨度空間結構差異過大，其結構體系的特殊性主要體現(xiàn)在以下3方面。

（1）維修機庫結構平面不規(guī)則性

維修機庫結構的跨度與凈高比普通的空間結構都要大，其使用工藝的特殊性導致其豎向承重系統(tǒng)為三側承重（維修機庫的入口處邊不能布置豎向承受構件柱子及柱間支撐），導致維修機庫結構的整體抗側剛度單向不對稱，加之其屋蓋多由網架及桁架結構組成（網架與桁架的質量和剛度差異較大），所以其力學傳遞路徑較為復雜，屬于典型的平面不規(guī)則結構，在動力荷載（地震荷載、風雪荷載等）作用下容易產生整體扭轉振動現(xiàn)象。

（2）維修機庫結構承受荷載的復雜性

維修機庫結構屬于大跨度空間結構，除了要承受地震荷載及風荷載外，飛機起飛及降落產生的短時間的沖擊荷載效應、碰撞效應及溫度也對其動力穩(wěn)定及安全性產生較大的影響。

由于維修機庫的平面不規(guī)則性，其質量和剛度不均勻性所產生的結構扭轉振動效應不容忽視。在對其進行結構選型及設計時，采取合理的結構設計措施（如設置柱間支撐提高其抗側剛度）合理控制扭轉振動效應是不可回避的特殊問題。

（3）維修機庫結構力學響應的耦合性

維修機庫結構要承受復雜多變的荷載（地震荷載、風荷載、溫度以及其他沖擊荷載等），以上災害荷載往往不是單一出現(xiàn)的，所以不同災害荷載的耦合作用下機庫結構的力學響應是較為復雜的。

機庫結構質量和剛度的不均勻性，地震發(fā)生后所產生的多種振動形式的耦合，所以要獲得維修機庫結構的良好抗震性能，其結構選型、荷載傳遞路徑及細部處理就顯得尤為重要。維修機庫屬于不同于普通空間結構的超大空曠的結構體系，其特殊的使用工藝要求其入口處大門的工作狀態(tài)差別較大（全封閉、全敞開及部分關閉），由此導致不同工況下結構的風振效應差別較大。不同工況下結構的風振系數(shù)能否直接參考我國現(xiàn)行《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009—2012）的相關條款尚不能確定，所以風荷載作用下結構的抗風性能設計是另外一個需要密切關注的問題。

飛機維修機庫的起飛降落過程都對機場道面及維修機庫產生沖擊作用，沖擊荷載作用下機場道面及維修機庫結構的動力學響應及抗沖擊性能如何尚不得而知。

由于地域溫差、冬夏溫差、晝夜溫差的原因，其需要承受溫度場對大跨度維修機庫的整體結構與結構構件的變形及抗震性能的影響，而現(xiàn)行《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009—2012）關于溫度荷載的條款是否適用尚無理論依據。

綜上可知，大跨度維修機庫結構跨度大，容易導致其結構剛度不足，屬于柔性結構。在外部災害荷載的作用下，維修機庫結構的動力響應過大，無法滿足建筑結構的舒適度等適用性要求，影響其安全性及耐久性。

3大跨度維修機庫結構選型及抗震防沖擊的關鍵問題

31選型的關鍵問題

我國的飛機維修機庫建設及維護屬于新興的朝陽產業(yè)，尚缺乏足夠成熟的工程經驗。飛機維修機庫由于涉及到特殊的生產工藝及使用要求，導致傳統(tǒng)的大跨度空間結構在維修機庫的應用上存在著局限性，同時也限制了新型的維修機庫空間結構的發(fā)展。雖然國內外的專家學者及工程設計人員對飛機維修機庫空間結構進行了大量的工程設計研究工作，但目前在其結構選型方面尚存在著以下亟需完善的地方：

（1）機場特殊的產業(yè)要求對維修機庫結構形式的影響。不同的飛機尺寸、工藝流程和使用要求等特殊的機場產業(yè)需求對所涉及的維修機庫屋蓋結構的具體結構設計參數(shù)（屋蓋的跨度、跨數(shù)以及懸掛吊車）等方面受力性能及經濟技術指標的對比研究目前尚不完善，亟需深入探討，以便為實現(xiàn)維修機庫的不同工藝流程及使用要求設計出合理的結構型式。

（2）維修機庫結構的更新發(fā)展相對較為緩慢，空間結構型式發(fā)展較為快速，但是日新月異的空間結構型式能夠直接應用于飛機維修機庫領域則相對較少。目前大跨度維修機庫的結構選型依據及工程應用只是借鑒了普通空間結構領域的工程設計經驗及研究成果，但是其成果是否真正適合于維修機庫結構值得深入探討和研究；專門針對大跨度維修機庫空間結構的研究成果相對較少，需要進行深入分析研究。

（3）適用性、經濟性及可延續(xù)性等建筑設計理念需要在維修機庫結構中強化和發(fā)展。由于缺乏機場結構選型相關規(guī)范標準，以前的飛機維修機庫的結構形式相對較為單一，較少考慮建筑結構美觀使用的選項原則；后期在對飛機維修機庫的結構選型及設計過程中，雖然將建筑結構的安全性、適用性和耐久性等原則融入施工過程中，但是其造價偏高、結構用鋼量過多、材料浪費現(xiàn)象嚴重，導致機場飛機維修機庫的造價過高，忽略了經濟性原則。

受限于機場規(guī)劃不合理的問題，部分維修機庫的結構設計忽略了可延續(xù)性：一些維修機庫沒有考慮到吊車設備和加載維修設備都是附屬維修設備的荷載，導致機庫結構的承載能力不足，嚴重阻礙了飛機維修機庫結構的改擴建等工作，制約了機場的合理化發(fā)展。

32抗震防沖擊性能的關鍵問題機場維修機庫的大跨度、高凈空及其質量與剛度的不均勻性的特征導致其結構動力響應問題區(qū)別于普通的建筑結構，加之目前尚沒有針對航空類大跨度維修機庫結構的專門的設計規(guī)范（標準）（建筑結構荷載規(guī)范，GB 50009—2012），并且地震荷載（風荷載）作用是大跨度維修機庫結構不可避免的災害荷載，所以系統(tǒng)分析研究大跨度維修機庫在地震荷載及沖擊（風）荷載作用下其力學響應及災變演化過程，梳理出大跨度維修機庫結構抗震防沖擊性能涉及的關鍵問題，為大型飛機維修機庫結構的抗震抗沖擊安全防護提供借鑒和參考就顯得尤為重要。目前大跨度維修機庫結構抗震防沖擊性能涉及以下主要關鍵問題：

（1）大跨度維修機庫結構地震動與沖擊荷載參數(shù)的選取及分析計算方法的確定。大跨度維修機庫結構由于工程場地及荷載的復雜性，在探討其抗震防沖擊性能時需要對地震動及沖擊荷載參數(shù)的選取進行重點關注。地震動及沖擊荷載參數(shù)的選取主要跟大跨度維修機庫的結構選型、場地類別及使用環(huán)境密切相關，基于大跨度維修機庫結構動力響應的時效性及充分性原則，根據維修機庫所承受的荷載情況（地震荷載、沖擊荷載及風荷載的偶然性、瞬時性及耦合性等）及時空復雜性，通過合理的選擇判別方法選取適合不同類型的維修機庫結構的合理的地震動及沖擊荷載參數(shù)。

明確大跨度維修機庫結構的地震動與沖擊荷載參數(shù)后，建立能夠符合主要航空類大跨度空間結構（大跨度維修機庫結構）的地震與沖擊動力響應的力學計算模型，得到大跨度維修機庫結構地震與沖擊動力響應的計算分析過程，提取大跨度維修機庫結構地震與沖擊動力響應的特征及指標參數(shù)，探討跨度維修機庫結構地震與沖擊動力響應的特性，為大跨度維修機庫結構抗震防沖擊計算理論的建立提供理論基礎及分析依據。

（2）大跨度維修機庫結構抗震抗沖擊防護設計理論與方法。復雜動荷載耦合作用下大跨度維修機庫結構抗震防沖擊動力性能參數(shù)的確定主要涉及到大跨度維修機庫結構精細化模型的建立、局部破壞到整體失穩(wěn)破壞演化過程與破壞模式研究、復雜耦合效應的分析（荷載的復雜性與耦合性、地基—基礎—大跨度維修機庫結構的協(xié)同作用及大跨度維修機庫結構的多維多點地震動及風振差動響應等方面）。

根據大跨度維修機庫結構所承受的災害荷載（地震荷載、風荷載及沖擊爆炸荷載等）、空間結構參數(shù)等的合理選取，研究不同災害荷載工況下大跨度維修機庫結構失效破壞模式及過程，探討其失效破壞全過程的動力響應特性，開展不同災害荷載作用下大跨度維修機庫結構失效破壞機理的研究，分析確定影響其失效破壞的因素及原因，揭示大跨度維修機庫結構的動力失效破壞特征。

（3）大跨度維修機庫結構風振致災及抗風設計。大跨度維修機庫結構屬于柔性結構，其結構選型新穎、形式復雜導致風荷載作用下此類建筑結構的風壓分布區(qū)別于普通建筑，尤其是湍流效應影響下的航空類建筑的風荷載分布、風振機理及風振致災的研究是航空類建筑結構抗風（抗沖擊）研究迫切需要解決的問題。

航空類建筑作為對風荷載較為敏感的柔性結構，流固耦合效應對其風振響應影響較為顯著。研究流固耦合效應影響下大跨度維修機庫結構的風振特性，揭示流固耦合效應對航空類建筑的影響規(guī)律，總結大跨度維修機庫結構的風振致災機理，探討其風振破壞現(xiàn)象形成的原因及風災荷載作用下大跨度維修機庫結構失效模式，分析大跨度維修結構風振致災機理與災害能量傳遞過程，提出大跨度維修機庫結構抗風設計方法，為大跨度維修機庫結構的抗風（抗沖擊）設計提供參考及借鑒。參考文獻：

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