大跨度維修機(jī)庫(kù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)選型研究

張凱博

（中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心有限公司）

1 大跨度維修機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)概述

維修機(jī)庫(kù)作為飛機(jī)定檢、維修的場(chǎng)地顯得尤為重要[1]，近年來(lái)，智能維修系統(tǒng)的配備對(duì)維修機(jī)庫(kù)建設(shè)提出了降低成本、提高安全與效率的更高要求。

維修機(jī)庫(kù)上部結(jié)構(gòu)一般采用大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[2]。大門(mén)一側(cè)開(kāi)敞，頂部屋架實(shí)際處于三邊支撐、一邊自由的邊界條件下；而實(shí)際工程中，大門(mén)一側(cè)的跨度往往達(dá)到百米以上[3]。其次，為了滿(mǎn)足工藝需求，機(jī)庫(kù)網(wǎng)架底部需要設(shè)置懸掛吊車(chē)及其他智能設(shè)備，也對(duì)結(jié)構(gòu)變形提出了更高要求。

目前大跨度維修機(jī)庫(kù)屋蓋較為成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是桁架與平板網(wǎng)架結(jié)合使用，在大門(mén)一側(cè)利用高度較大的桁架作為網(wǎng)架的支撐，提高開(kāi)口邊的剛度，大門(mén)桁架可采用上反、向下凸出或上下均凸出的方案[4-5]。

2 項(xiàng)目工程概況和幾種平板網(wǎng)架選型

2.1 工程概況

本文以某實(shí)際工程為研究對(duì)象，該工程為某航空公司雙機(jī)位維修機(jī)庫(kù)，機(jī)庫(kù)大廳可容納兩架A350機(jī)型同時(shí)進(jìn)行定檢及維修。機(jī)庫(kù)大廳進(jìn)深77m，屋蓋下弦標(biāo)高26.5m，機(jī)庫(kù)大門(mén)跨度為156m，兩側(cè)分別設(shè)置長(zhǎng)度為24m 的門(mén)庫(kù)，下部采用鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)，主要柱距為12m，機(jī)庫(kù)后側(cè)形成36m的局部柱距。

2.2 平板網(wǎng)架選型

機(jī)庫(kù)大門(mén)桁架采用五層空間桁架，桁架寬度為5m，桁架總高度為16m，門(mén)庫(kù)部分支座形式為釋放豎向剛度的彈簧支座。后部網(wǎng)架為三層平板網(wǎng)架，網(wǎng)架總高度為8m，支撐形式均為下弦支撐。鋼材均采用Q355B 鋼。針對(duì)機(jī)庫(kù)大廳后部鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的選型，本文主要進(jìn)行以下四種常見(jiàn)的平板網(wǎng)架形式的對(duì)比分析：兩向正交正放、正交斜放四角錐、正交正放四角錐、正放抽空四角錐。四種網(wǎng)架形式所用的大門(mén)空間桁架均按照相同的排列原則進(jìn)行桿件排布。兩向正交正放、正交正放四角錐、正放抽空四角錐主要網(wǎng)格尺寸為4m，正交斜放四角錐上弦、下弦主要網(wǎng)格尺寸為4.24m。

2.3 荷載取值及計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型荷載取值、規(guī)范參數(shù)如下：設(shè)計(jì)使用年限50a；機(jī)庫(kù)各外表面均考慮恒荷載取值0.45kN/m2，平板網(wǎng)架下弦考慮智能維修系統(tǒng)、消防水管等恒荷載取值0.15kN/m2；屋面按不上人屋面考慮；風(fēng)壓為0.5kN/m2；雪荷載為0.45kN/m2；溫差按照-15℃到25℃取值；該工程抗震設(shè)防分類(lèi)為丙類(lèi)，本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8 度，第二組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)；吊車(chē)為4跨懸掛吊，起吊重量為12t。

本文各計(jì)算模型均按照以上計(jì)算參數(shù)、控制應(yīng)力比不大于1進(jìn)行迭代計(jì)算，網(wǎng)架整體指標(biāo)及桿件、節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、構(gòu)造均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，后文給出的計(jì)算數(shù)值均為迭代最終模型的計(jì)算結(jié)果。

3 結(jié)構(gòu)受力特性對(duì)比分析

3.1 陣型及周期

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)承受的荷載中動(dòng)力荷載非常普遍，陣型和周期是平板網(wǎng)架較為重要的動(dòng)力參數(shù)，一定程度上能夠反映結(jié)構(gòu)整體的受力性能。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般以前幾階振動(dòng)為主，尤其是第一階陣型的占比較大，四種網(wǎng)架形式的周期及陣型形式見(jiàn)表1。

表1 四種網(wǎng)架形式的周期及陣型形式

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)不同形式的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)前幾階陣型曲面較為相似，一階陣型均為左右對(duì)稱(chēng)陣型，第二、三階陣型存在左右反對(duì)稱(chēng)陣型、前后反對(duì)稱(chēng)陣型兩種。四種網(wǎng)架形式的周期總體相近，均在1s左右，正交斜放的各階周期（尤其是第一階）均最小，兩向正交正放則各階周期（尤其是第一階）均最大。

3.2 豎向位移

計(jì)算可知四種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式在各種荷載作用下最大位移出現(xiàn)的位置均相同，恒載和豎向地震作用下豎向變形最大處位于大門(mén)桁架中點(diǎn)附近，活載、風(fēng)載作用下豎向變形最大處出現(xiàn)在后部網(wǎng)架中線靠近大門(mén)一側(cè)的三分點(diǎn)附近，吊車(chē)荷載作用下第2軌道、第3軌道處（由大門(mén)向后部數(shù)）的豎向變形最大。

表2 列舉了各種荷載下的最大豎向位移數(shù)值。比較可知，恒載下豎向位移絕對(duì)值最大，其次是長(zhǎng)向和短向風(fēng)荷載，再次為活荷載，吊車(chē)荷載和豎向地震下位移絕對(duì)值均較小，不足恒載下的1/10。風(fēng)載下各節(jié)點(diǎn)位移絕對(duì)值基本小于恒載，不會(huì)起到控制作用，故而位移的控制荷載主要是恒+活的組合，這也與規(guī)范中的結(jié)構(gòu)撓度容許值采用恒+活的組合相印證[6]。

表2 四種網(wǎng)架形式在主要荷載工況下豎向位移最大絕對(duì)值/mm

對(duì)比表2 中不同網(wǎng)架形式的數(shù)值，可知正交斜放四角錐在各種工況下的位移絕對(duì)值均最小，兩向正交正放均最大，若以正交正放四角錐的恒+活下位移為基準(zhǔn)，則兩向正交正放的位移大22%，正交斜放四角錐的位移小15%，正放抽空四角錐的位移幾乎相同。

3.3 桿件內(nèi)力分布

本節(jié)分析恒+活工況下四種網(wǎng)架形式的內(nèi)力分布，整體受力特征相似，后部網(wǎng)架所受荷載傳遞至大門(mén)桁架和其余三邊的支座上，整體類(lèi)似開(kāi)口邊剛度較弱的四邊簡(jiǎn)支板；大門(mén)桁架的荷載傳遞至桁架兩側(cè)的支座，類(lèi)似簡(jiǎn)支梁。后部網(wǎng)架的上弦桿主要受壓，下弦桿主要受拉，中弦桿和斜腹桿的受力則普遍較小。

本文所研究的四種網(wǎng)架形式中只有正交斜放四角錐的弦桿是不平行于機(jī)庫(kù)平面的斜向放置，其余三種的弦桿均為正放。幾何構(gòu)型的不同也導(dǎo)致正交斜放四角錐的受力分布與其他三種有所不同，其內(nèi)力分布呈現(xiàn)出兩條明顯的由后側(cè)中部向前側(cè)兩角的斜向主受力帶，表現(xiàn)為上弦桿壓力最大的位置出現(xiàn)在上弦中部、呈“八”字型；其余三種網(wǎng)架上、下弦桿中內(nèi)力最大的桿件均分布在中部靠前的范圍內(nèi)，且大門(mén)桁架附近的桿件內(nèi)力相對(duì)更大。圖1 顯示了恒+活組合下上弦桿內(nèi)力分布的區(qū)別。

圖1 恒+活組合下上弦桿內(nèi)力分布的區(qū)別

橫向比較四種網(wǎng)架形式的內(nèi)力極值與內(nèi)力分布情況，可概括出以下規(guī)律：①對(duì)于網(wǎng)架部分，正交正放網(wǎng)架的上下弦桿內(nèi)力相對(duì)最大，內(nèi)力較大的桿件占比也較高，其次是正交正放四角錐，正交斜放四角錐和正放抽空四角錐的內(nèi)力相對(duì)最小，但正交斜放四角錐內(nèi)力較大桿件占比更高；②大門(mén)桁架部分的內(nèi)力情況則是正交斜放四角錐最大，其次是兩向正交正放，正交正放四角錐和正放抽空四角錐兩者接近，且內(nèi)力相對(duì)最小。

4 經(jīng)濟(jì)性、支座反力對(duì)比

4.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

用鋼量是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最常用的經(jīng)濟(jì)性考察指標(biāo)。鑒于機(jī)庫(kù)類(lèi)網(wǎng)架具有大門(mén)桁架部分，將大門(mén)桁架與后部網(wǎng)架分別統(tǒng)計(jì)進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)比數(shù)值見(jiàn)表3所示。

表3 四種網(wǎng)架形式經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

由表3 中數(shù)值可知，整體而言?xún)上蛘徽藕驼恍狈潘慕清F用鋼量較大，其中前者球節(jié)點(diǎn)占比也明顯高于其余網(wǎng)架形式，是經(jīng)濟(jì)性最差的一種；正放抽空四角錐整體用鋼量和球節(jié)點(diǎn)占比均較低，屬于經(jīng)濟(jì)性最好的一種。

4.2 支座反力對(duì)比

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座內(nèi)力關(guān)系著支座本身能否得到合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，同時(shí)支座反力也是下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要輸入條件，其中兩個(gè)切向的反力往往更為關(guān)鍵，其原因在于較大的切向支座反力會(huì)導(dǎo)致柱底彎矩過(guò)大。桁架和網(wǎng)架支座的絕對(duì)值最不利切向反力對(duì)比如表4所示。由表可知兩向正交正放的支座反力均最大，其余三者桁架支座反力相近，正放抽空四角錐網(wǎng)架支座反力為最小。

表4 絕對(duì)值最不利切向反力數(shù)值及位置(單位：kN)

5 結(jié)語(yǔ)

本文以相同設(shè)計(jì)條件下的兩向正交正放、正交斜放四角錐、正交正放四角錐、正放抽空四角錐四種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下主要結(jié)論，進(jìn)行維修機(jī)庫(kù)屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可參考。

①兩向正交正放在結(jié)構(gòu)剛度、變形、網(wǎng)架經(jīng)濟(jì)性及支反力等主要考察指標(biāo)上的性能均最差。

②正交斜放四角錐整體上具有最大的結(jié)構(gòu)剛度和變形控制能力，但經(jīng)濟(jì)性和支反力方面性能較差。

③兩種正放四角錐網(wǎng)架的受力模式和受力性能較為接近，正放抽空四角錐在經(jīng)濟(jì)性和支反力控制方面略強(qiáng)于正交正放四角錐。