北京大興國際機場南航機庫屋蓋創(chuàng)新設(shè)計

趙伯友 韋 恒 胡 妤

中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司 北京 100120

在傳統(tǒng)的機庫設(shè)計中，機庫大門開口邊一般設(shè)置由2榀或多榀大跨度鋼桁架組成的大門邊桁架來支承大廳鋼結(jié)構(gòu)。大門邊桁架需要負擔屋蓋近一半的質(zhì)量，其截面跨高比一般在10～12之間，以獲得足夠的豎向承載力以及支承剛度。

我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，使得民航運輸業(yè)的機隊規(guī)模不斷發(fā)展壯大。一方面，國內(nèi)各飛機維修公司一次性建設(shè)多機位超大跨度維修機庫的需求越來越旺盛；另一方面，國內(nèi)大型機場建設(shè)與土地資源短缺的矛盾越來越突出，導(dǎo)致大跨度維修機庫建設(shè)場地的空域限高要求越來越苛刻[1-4]。

北京大興國際機場南航1號機庫（以下簡稱“1號機庫”），建設(shè)場地空域限高40 m，大廳凈高30 m，大門邊桁架的結(jié)構(gòu)高度被限制在11.5 m以內(nèi)，跨高比接近20，傳統(tǒng)設(shè)計方案無法實施。

為破解超低空域限高場地大跨度維修機庫結(jié)構(gòu)受力所需的合理高度受限的局面，本文首次提出了一種新型W”形斜桁架屋蓋結(jié)構(gòu)體系，在1號機庫屋蓋設(shè)計中得到成功應(yīng)用。

1 工程概況

1號機庫位于機場西二跑道西側(cè)，坐西朝東，由機庫大廳及沿后山墻、兩側(cè)山墻全長貼建的附樓組成。

機庫大廳平面軸線尺寸405 m 100 m，屋蓋結(jié)構(gòu)下弦中心標高30 m；平面上三邊支承，面向機坪的一側(cè)開敞，開敞邊設(shè)置下承重、上導(dǎo)向電動推拉大門，大門凈高26 m。屋蓋設(shè)置有懸掛設(shè)備系統(tǒng)，輻射采暖、消防噴淋等機電設(shè)備系統(tǒng)及與其配套的檢修走道系統(tǒng)。

附樓地上3層，地下1層。機庫大廳與附樓間設(shè)縫脫開，形成各自獨立的結(jié)構(gòu)體系。工程效果圖及平面布局如圖1所示。

圖1 工程效果圖及平面布置

1號機庫可以容納5架大型寬體飛機同時入庫維修，在2個大型寬體機位間需穿插布置窄體飛機維修機位，大門開口邊沿跨度方向的405 m范圍內(nèi)僅允許設(shè)置1根落地支承柱，大門開口邊跨度為222 m＋183 m，屬于超限大跨度機庫，建成后將成為亞洲單體規(guī)模最大的維修機庫。

2 設(shè)計條件

除了222 m的超大跨度是對現(xiàn)有工程技術(shù)能力的巨大挑戰(zhàn)外，1號機庫還存在如下苛刻的設(shè)計條件。

2.1 超低空域限高場地

建設(shè)場地空域限高40 m，屋蓋結(jié)構(gòu)下弦中心標高30 m，扣除屋面圍護系統(tǒng)所需的合理高度，機庫大廳區(qū)域的結(jié)構(gòu)高度被限制在8.5 m以內(nèi)；充分利用機庫大門與大廳間4 m凈高差，大門邊桁架結(jié)構(gòu)高度最大可以提升至11.5 m（圖2）。相比擬建機庫的規(guī)模體量，建設(shè)場地屬于超低空域限高場地。

圖2 空間尺寸分析

2.2 重屋蓋

機庫大廳屋蓋圍護系統(tǒng)及機電設(shè)備、檢修走道系統(tǒng)總的重力荷載超過1.5 kN/m2。屋蓋懸掛設(shè)備如圖3所示。屋蓋包括結(jié)構(gòu)自重的總重力荷載超過3.0 kN/m2。懸掛設(shè)備要求在橋架間實現(xiàn)高空過跨，相鄰軌道間的撓度差被限制在5 mm以內(nèi)，重屋蓋及苛刻的變形限值極大地增加了大跨度屋蓋的設(shè)計難度。

圖3 屋蓋懸掛設(shè)備

2.3 工期壓力大

工程實施周期不超過18個月，大跨度屋蓋是工程實施的重點及投資主體，其實施周期是保障工程工期的關(guān)鍵因素。屋蓋設(shè)計方案不僅要求技術(shù)合理、安全可靠，還需要響應(yīng)工期要求，為工程實施提供足夠的便利性。

3 屋蓋創(chuàng)新方案

3.1 屋蓋選型分析

屋蓋結(jié)構(gòu)選型時應(yīng)考慮以下主要因素：在既定荷載下安全可靠、經(jīng)濟合理；滿足懸掛設(shè)備運行對屋蓋變形指標的要求；大門的上支承點；空域限高40 m不能突破；工期要求。綜合考慮以上因素，可供選擇的結(jié)構(gòu)方案有大門邊桁架加空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系、平面主次桁架體系，如圖4、圖5所示。相比主次桁架方案，空間網(wǎng)格方案具有適應(yīng)懸掛設(shè)備軌道連接的能力強、用鋼量小、在現(xiàn)階段加工制作及施工成本低等優(yōu)點。因此，屋蓋方案設(shè)計時應(yīng)立足于空間網(wǎng)格方案。

圖4 大門桁架加空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系

圖5 平面主次桁架結(jié)構(gòu)體系

3.2 “W”形斜桁架屋蓋體系

沿進深方向布置4道斜向桁架，角度45°，如圖6所示。沿跨度方向在進深位置中部附近結(jié)合懸掛設(shè)備軌道連接需要設(shè)置一字形桁架，大門開口邊設(shè)置222 m＋183 m跨的大跨度鋼桁架。斜桁架截面高度8.5 m；為最大限度地提高斜桁架的豎向承載能力，利用大廳內(nèi)后山墻側(cè)維修機位間富裕空間設(shè)置的輔助用房，將斜桁架的一側(cè)支承柱設(shè)置在輔助用房邊墻上，將斜桁架的跨度進一步縮減至100 m左右，跨高比11.7。一字形桁架截面高度8.5 m。大門邊桁架采用下沉式，高度11.5 m，下沉3.0 m。在上述桁架的基礎(chǔ)上布置雙層斜放四角錐網(wǎng)架，厚度4.25 m，基本網(wǎng)格尺寸6.0 m 6.0 m，上弦中心標高38.50 m，下弦中心標高34.25 m。大門邊桁架上、下弦桿采用焊接箱形截面，腹桿根據(jù)內(nèi)力大小采用焊接H形截面或焊接箱形截面；斜向桁架下弦采用焊接箱形截面；其余結(jié)構(gòu)均采用球管結(jié)構(gòu)，焊接球節(jié)點。

圖6 “W”形斜桁架

3.3 方案創(chuàng)新特點

1）化解了設(shè)計難度。斜桁架及一字形桁架的設(shè)置改變了傳力路徑，縮短了傳力路線，結(jié)構(gòu)體系的傳力效率得到極大的提升；屋蓋荷載被分割包圍，大門桁架的負擔減輕了80%以上，其截面跨高比的指標要求被弱化。計算結(jié)果表明，斜桁架分擔了屋蓋靜載的80%、活荷載的88%以上，為主要的豎向承載構(gòu)件?！癢”形斜桁架結(jié)構(gòu)體系，等效于將222 m的超大跨度化解為100 m的常規(guī)跨度，極大地提升了結(jié)構(gòu)體系的傳力效率。

2）縮短了施工工期。相比傳統(tǒng)設(shè)計方案，斜桁架方案的桿件數(shù)量及節(jié)點數(shù)量均減少了10%以上，可以縮短屋蓋鋼結(jié)構(gòu)地面拼裝工期10%以上；一字形桁架間沿大廳跨度方向由結(jié)構(gòu)體系特點形成的高4.25 m、寬不小于12 m的巨大空間，可以作為物流通道及地面施工機械作業(yè)空間（圖7），降低了屋蓋鋼結(jié)構(gòu)拼裝難度，提升了拼裝效率。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)于2018年5月5日開始地面拼裝，到2018年9月3日整體提升到位（圖8），僅用了不到5個月時間。屋蓋結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新性，為工期提供了有力保障。

圖7 施工作業(yè)通道

3）變形控制。按設(shè)計要求，在對大門邊桁架、斜桁架及一字形桁架按跨度的1/700施工起拱后，實測結(jié)果表明，屋蓋主承重構(gòu)架的撓度均在1/2 000以下，遠小于規(guī)范對于大跨度屋蓋的變形指標要求。理論計算表明，相鄰軌道間的撓度差均小于5 mm，可滿足懸掛設(shè)備高空過跨的要求。

4 結(jié)語

工程于2017年11月底開工，2019年7月30日竣工驗收，實施效果見圖8。相比傳統(tǒng)設(shè)計方案，南航1號機庫屋蓋采用“W”形斜桁架方案具有如下創(chuàng)新性，在未來空域限高場地超大跨度維修機庫設(shè)計中的應(yīng)用前景廣闊。

圖8 工程實施效果

1）斜桁架方案改變了屋蓋荷載的傳遞路徑，縮短了荷載傳遞路線，有效地提升了結(jié)構(gòu)體系傳力效率。

2）結(jié)構(gòu)體系特點為鋼結(jié)構(gòu)的地面拼裝提供了便利性，響應(yīng)了工期要求。

3）大門桁架的負擔減輕了80%以上，大門邊桁架的跨高比可以提高至20～22，成功地化解了結(jié)構(gòu)受力所需合理高度與空域限高的矛盾。