機場航站樓結構設計方案探討

閆 毅

（廣東省建筑設計研究院， 廣州 510010）

1 工程概況

機場航站樓7度（0.10g）設防，設計地震分組第3組，設計使用年限100年，設計長度185m，寬度82.5m，柱采用鋼筋混凝土柱，橫向柱距15m、15m、20m，縱向柱距12m，主體最高點21.5m，結構采用Q345B， 屋頂為金屬屋面。

本工程建筑結構安全等級為二級，結構設計基準期和使用年限為 50年， 建筑抗震設防類別為丙類，地基基礎設計等級為丙類，抗震設防烈度為7度（0.10g），設計地震分組第3組，建筑場地類別Ⅱ類。

2 屋蓋方案分析

機場航站樓屋蓋采用輕鋼屋面，且跨度較大。目前，在這種大跨度的屋蓋中，常采用空腹式空間結構，其具有空間受力，剛度大，重量輕，造價低，外形美觀、抗震性能好等優(yōu)點。本工程選用網架和桁架兩種空間結構進行對比分析。

2.1 網架方案

網架結構最大的特點是各根桿件之間的互相支撐作用，其整體性好，剛度比較大，抗震能力也較強，故本工程采用網架做對比分析，一般大跨度的網架高度常為短跨的1/14～1/20。

本工程跨度為 82.5m，根據工程經驗，常做三層網架，最小高度為 4.1m，由于建筑造型決定，本工程中部為2層網架，高度2.7m。周邊局部為4層網架，兩端為2層網架，為了滿足腹桿夾角要求[1]，網格尺寸為3m×3m，采用正放四角錐網架。

2.2 桁架方案

桁架結構具有造型簡潔，流暢美觀的效果，本工程采用橫向桁架為主桁架，間距為6m，縱向為次桁架，桁架桿件為方鋼管和矩形鋼管，為了配合建筑造型要求，設3層桁架，每層桁架高度為2.7m。橫向桁架上部放置檁條，檁條間距1.5m，間距3m設置隅撐，由于上弦桿失穩(wěn)的橫向力很小，檁條可約束上弦桿，隅撐可以約束下弦桿，所以本工程在建模的時候將上弦桿和下弦桿面外計算長度可以設置為3m考慮他們的作用，以降低用鋼量。為了增強結構的水平剛度，間隔36m設置一道水平支撐，支撐采用圓鋼，支管的長度與截面高度大于24，可將腹桿設置為鉸接。

3 受力性能分析

3.1 荷載統(tǒng)計

屋蓋荷載有屋面恒載、活載、風荷載組成：1）屋面恒載，除鋼結構自重由計算程序按截面自動計入外，屋面板為鋁鎂錳合金板，考慮保溫棉、吸引棉、檁條自重等取1.0KN/m2；2）屋面活載，根據《荷載規(guī)范》5.3.1條本工程取為 0.5KN/m2 ；3）吊頂活荷載 0.8KN/m2； 4）風荷載，1.0KN/m2 。

3.2 結構設計方法和標準

本工程采用3D3S建模，并進行各種工程組合的內力和位移分析，根據規(guī)范要求[1]，7度區(qū)可不考慮水平和豎向地震作用，本工程為大跨度結構，僅考慮水平地震作用，并考慮溫度荷載作用，溫度作用為-28至 37℃，主要滿足構件的強度、剛度（長細比）、穩(wěn)定性和撓度要求以及結構的撓度和柱頂水平位移要求[2]。

3.3 計算結果

3.3.1 模態(tài)分析

屋頂采用桁架的航站樓，第一振型為X向平動，周期為2.08s，第二振型為扭轉，周期為1.58s，第三周期Y向平動，周期為1.45s，x向和Y向振型質量參與系數均大于90%，周期比為0.75，滿足規(guī)范[2]；屋頂采用網架的航站樓，第一振型為X向平動，周期為2.05s，第二振型為Y向平動，周期為1.51s，第三周期Y向扭轉，周期為1.47s，x向和Y向振型質量參與系數均大于90%，周期比為0.72，滿足規(guī)范[2]。從模態(tài)分析的數據可知，屋頂采用網架的航站樓，扭轉振型出現在高階振型，反映了結構的抗扭剛度好，這與網架結構整體性好、空間剛度大有關。結構的自振頻率和振型是結構的固有屬性，只與結構的質量和剛度分布有關[3]，這說明屋頂采用網架的航站樓結構質量和剛度分布相對合理。

3.3.2 內力和變形分析

桁架屋蓋組合應力比最大值為 0.89，荷載標準組合中懸挑端最大豎向位移為158mm ，相對撓跨比為 1/126，跨中撓度為 55mm ，相對撓跨比為 1/272。在各向風荷載作用下，柱頂最大位移為20mm，最大層間位移角為1/650。在各向地震作用下，柱頂最大位移為15mm，最大層間位移角為1/666。

網架屋蓋組合應力比最大值為 0.86,荷載標準組合中懸挑端最大豎向位移為155mm ，相對撓跨比為 1/129，跨中撓度為 51mm ，相對撓跨比為 1/294。在各向風荷載作用下，柱頂最大位移為14mm，最大層間位移角為1/928。在各向地震作用下，柱頂最大位移為12mm，最大層間位移角為1/833。

經過對比分析可知，網架和桁架應力比、撓跨比、層間位移角等各項性能指標均滿足規(guī)范要求[1，2]，但桁架的撓度和柱頂位移比網架的大，這與網架的空間剛度較強有關。

4 材料對比

桁架采用矩形鋼管、材料Q345，根數7645根，最小桿件為方鋼90x6.0，矩形鋼1000×400×28×16，總重1312895kg。網架采用16945kg，材料Q345，根數16945根，最小規(guī)格為φ60x4，最大規(guī)格為φ560×10，桿件總重689504 Kg，節(jié)點重量大約占桿件總重的25%，網架總重約861880kg。桁架重量比網架重451015kg，取鋼材價格4000元/噸，采用網架結構節(jié)省造價約180萬。

5 施工可行性對比

施工方面，網架結構比桁架結構有更好的優(yōu)勢。桁架結構需要高空焊接，對焊縫的質量要求也比較高，相對來講其工作量也比較大，對人員安全要求較高，焊渣掉落對車輛進出及人員進出也造成安全隱患，施工周期長。而網架結構可以在地面進行焊接，且不需要在現場進行施工，不需高空作業(yè)，最后采用整體吊裝方法可以有效的減少現場施工安全隱患，施工周期短。

6 綜合對比及建議

一個最優(yōu)的結構方案，應考慮綜合性的優(yōu)點，他應該是便于施工安裝，節(jié)省造價，和減少日后維修費等特點，更重要的是節(jié)省工期，提高竣工率和效率。網架和桁架的方案相比較，建議航站樓屋蓋采用網架方案。

首先，桁架的整體重量較高，且施工復雜，桁架的桿件需預先按將要焊接的各桿件焊縫形狀進行腹桿及弦桿的下料切割，工序復雜。其次，桁架結構剛度分布不均勻，且側向剛度小，需要設置支撐，以抵抗縱向側力，支撐按構造（長細比）要求確定截面，未能充分發(fā)揮支撐桿件的強度，而網架結構剛度大、空間整體性好、抗震性能性能好。最后，桁架結構平面?zhèn)髁Γ魈巸攘Σ痪鶆?，桿件規(guī)格不一致，無法實現規(guī)格化生產。網架結構內力分布相對均勻，網架在它的桿件、螺栓球、焊接球、錐頭、高強螺栓等已標準化、可節(jié)省施工工期。

7 結論

（1）網架和桁架這兩種方案，建議機場航站樓屋蓋采用網架方案。

（2）網架以扭轉為主的振型則出現第三階振型，說明網架比桁架空間剛度大，抗扭轉剛度更大。

（3）網架比桁架材料耗費較少，經濟性更好。

(4)網架桿件可實現規(guī)格化生產，施工簡便，可采用高空散裝法和整體吊裝法，施工簡便，節(jié)約施工周期。桁架則需要現場高空作業(yè)，且焊縫質量要求較高，施工周期長。

[1]空間網格結構技術規(guī)程：JGJ7-2010[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]建筑抗震設計規(guī)范：GB5011-2010（2016年版）[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[3]李斌.高層建筑模態(tài)分析方法的應用[D]. 上海：同濟大學，2006.