某飞机维修机库网架设计研究
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作者: 把石仓
摘要：针对某工程飞机维修中心的三层棋盘形钢网架屋盖，采用钢网架设计软件MSTCAD对其进行静力分析设计；并采用SAP2000对整体结构进行了抗震反应谱分析，该文可为其他大跨度飞机维修机库的网架结构的设计提供借鉴。
关键词：机库；设计；静力分析；动力分析
中图分类号：G424 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）20-4847-02
Repair of an Aircraft Hangar Space Truss Design
BA Shi-cang
（Eastern Airlines Yunnan Branch.， Kunming 650200，China）
Abstract： Based on the three layer board steel grid roof shape of a project aircraft repair center， steel grid design software MSTCAD to carry on the analysis and design of static； and SAP2000 is used for seismic response spectrum analysis of the overall structure， this paper can provide reference for the design of grid structure of other long-span aircraft repair hangar.
Key words： hangar； design； static analysis； dynamic analysis
随着科学技术日新月异的进步，航空、航天事业的发展，飞机的设计不断地推陈出新。大型飞机的不断涌现，必然导致大跨度维修库应运而生。以目前对维修库的净跨要求来说，维修库的跨度基本都在60m以上，已经属于大跨度结构。另外，飞行频率的增大也对机场配套设施如飞机库的构造和功能提出了更高的要求[1]。
飞机库以其大跨度、大开口、悬挂吊车的大起重量，对屋盖的结构形式要求很高。网架结构因其突出的优势，可以满足飞机库建筑的需要，在国内外已应用于越来越多的飞机库[2～4]。由于机库的特殊要求，上部网架只能采用三边支承的结构形式，即内部空间大，中间完全无柱，大门处完全开敞，便于飞机停靠及内部设备布置。但是屋盖结构仅三边支承，结构体系严重不对称；为了调整结构刚度趋于均匀，通常在大门口部设置边桁架结构。同时也为可移动的机库大门提供上部支点。
针对某飞机维修机库项目的方案设计，结合机库设计的理念及方法，该文着重介绍该机库的结构方案设计思路及方法。
1 工程概况
某工程飞机维修中心机库是一座能同时容纳两架B737-600型飞机的维修机库，机库大厅平面尺寸为85m×58.5m，建筑物结构的安全等级为二级，建筑物设计使用年限为50年，建筑物抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组；建筑抗震设防类别为重点设防类。结构平面布置形式为：大门所在的前边一侧全部开敞，其余三边设置支承柱。机库屋盖结构采用斜放四角锥三层钢管网架与大门开口边钢桁架相结合的方案。节点采用焊接空心球节点；大门边桁架采用由水平支撑连接的钢桁架，屋盖及大门桁架结构共有杆件6089根，节点1511个。杆件选用φ60mm×3.5mm到φ219mm×14mm的13种圆钢管，其中φ180mm×10mm及以上的杆件为Q345无缝管，其他为Q235焊接管。大门处钢桁架高10.7m，网架矢高7.20m，结构找坡5%，背立面网架高4.5m。
机库结构的三边支承柱为25根钢筋混凝土柱。其中：大门柱4根，采用矩形现浇混凝土实心柱，截面1.4m×1.0m，角柱2根，采用正方形线浇钢筋混凝土实心柱，截面1.2m×1.2m。边柱10根，后柱9根，采用矩形现浇钢筋混凝土实心柱，截面1.2m×0.6m。侧向柱距5.0m，9.0m，后侧支承柱距8.5m。左右两侧支承柱各自在中部设置两个柱间支撑节间，后侧柱列设置两个柱间支撑节间，柱间支撑均采用上下两个X形支撑。
2 结构分析
网架上弦恒荷载0.7kN/m2，下弦恒荷载为轨道重量；屋面活荷载：0.5kN/m2；基本风压0.45kN/m2；屋盖下弦悬挂起重量5t五支点电动悬挂吊车。按现行荷载规范（GB50009-2001） 进行荷载工况组合，其中考虑温度作用（±25℃）以及水平和竖向地震作用。
2.1 结构静力分析
采用浙江大学空间结构研究所开发的MSTCAD对机库屋顶网架结构进行建模。为了简化计算，将下部框架柱等效为弹性支座，柱间支撑顶部的支座在支撑平面内视为固定。所以ZZ4，ZZ5，ZZ6，ZZ20，ZZ21，ZZ22的Y向设为固定，ZZ11，ZZ12，ZZ14，ZZ15的X向设为固定。通过MSTCAD的满应力优化设计，计算结果显示：屋盖结构中内力绝对值大于600KN的杆件均出现在大门桁架上，跨中杆件最大拉力为2466.2KN，可见大门桁架处承担了很大的竖向荷载，起到了约束屋盖结构变形的边梁，对网架自由边提供了弹性支承。机库内侧桁架杆件内力略大于外侧，表明大门处双榀桁架具有良好的空间共同工作性能，下弦杆将荷载传递给后侧及两侧的框架柱上，有效地减轻了大门处桁架的负担。
为保证屋盖正常使用状态，该文对屋盖进行了挠度计算，大门桁架最大竖向挠度出现在跨中位置，最大挠度值为165mm；屋盖最大竖向挠度出现屋盖跨中且靠大门1/3处，其挠度为大门桁架与网架跨中竖向变形相叠加的结果，最大挠度值为176mm，小于规范限值L/300（L为网架短向跨度）。 静力分析结果表明，大跨度机库屋面材料较轻，结构自重较小，五支点悬挂吊车荷载在全部竖向荷载中占很大的比例，对结构构件的内力与变形会产生很大的影响。吊车荷载参与的组合对于大多数屋盖杆件其控制作用，吊车经过处与节点相邻的腹杆内力很大，是恒荷载作用内力的几倍，且引起内力的反号，因此，吊车荷载是大跨度屋盖结构设计的主要荷载之一，各种吊车运行的工况都必须从分考虑到！准确来讲，吊车荷载作用到屋架可以按影响线的方法算出最不利杆件内力，而网架是多次超静定结构，按原理做出空间影响面求最不利内力，但由于计算影响面工作量繁多，且网架结构形式不同，影响面也不同，对于工程设计来说是没必要的，所以，该文还是按照最原始的办法及排列组合各种吊车荷载位置，将吊车轨道认为是固定于网架上的简支梁，取每个节点上所受的最大值。由于维修机库吊车使用频率低，运行速度较慢，故设计中不考虑该结构的疲劳。
2.2 结构模态分析
采用美国CSI研发的SAP2000对整体结构进行建模并进行结构模态分析，结构的质量分布与其重力荷载代表值一致，依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001） 重力荷载代表值取（1.0恒载+0.5雪荷载）。
通过多次的结构优化，机库整体刚度趋于对称。由输出数据可看出（具体数据略去），结构频率相当密集，大多数振型包含了两种以上的振动，具有耦连性，由此反映出大跨度屋盖结构动力特性的复杂性，改变任何一个设计参数，都会引起频率的改变[5]。优化后所选取计算振型数满足我国结构规范提出的结构模态分析中所考虑振型质量累计参与系数的要求，《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002） 》中5.1.13条第二款规定的“计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%”。低阶振型没有出现明显水平扭转，说明该结构具有良好的抗扭刚度。开敞处的边桁架与并列门柱对整体结构起到很好作用！
2.3 结构抗震分析
采用SAP2000对整体结构在多遇地震作用时进行了双向振型反应谱弹性分析；取前60个振型，用CQC法组合。阻尼比取为0.035。
依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001） ，构件的地震作用效应与其他荷载效应的基本组合，考虑水平和竖向地震作用按下式计算：
[S=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψwγwSwk] （1）
验算的荷载组合有：1.2恒载+0.6活载+1.3水平地震作用（X，Y向）；1.0恒载+0.5活载+1.3水平地震作用（X，Y向）；1.2恒载+0.6活载+1.3竖向地震作用；1.0恒载+0.5活载+1.3竖向地震作用；1.2恒载+0.6活载+1.3水平地震作用（考虑双向地震）+0.5竖向地震作用；1.0恒载+0.5活载+1.3水平地震作用（考虑双向地震）+0.5竖向地震作用。
根据各工况组合对网架杆件进行校核，校核结果显示，各杆件均满足要求，未出现超应力杆件。
3 结束语
本文通过对某维修机库屋盖网架结构的静动力分析可得出以下结论：
1） 对于三边支承，一边开口的大跨度网架，采用钢桁架与钢网架的组合结构能够获得较好的空间力学特性，是不超过100m跨度机库的优选方案。
2） 当大跨度屋盖采用斜放四角锥网架时，能够有效地将荷载传递到两侧及后侧框架柱上；屋盖最大变形出现在跨中且靠大门1/3处。
3） 大跨度网架结构的水平刚度与竖向刚度比较相近，水平与竖向抗震设计同样重要；大跨度网架结构部分杆件的水平地震反应可能大于竖向地震反应。
参考文献：
[1] 蓝天.空间结构的十年――从中国看世界[C]//第六届空间结构学术会议论文集，1992.
[2] 丁芸孙.大跨度飞机库空间结构设计的交流探讨.空间结构热点工程技术交流会，1998：13-25.
[3] 丁芸孙，朱坊云.中型大跨度飞机库空间结构设计介绍[C]//第十届空间结构学术会议论文集，2002： 573-579.
[4] 刘树屯，关忆卢.首都机场306×90m 飞机库屋盖设计和施上[J].建筑结构学报，1997，18（3）：47-55.
[5] 沈顺高.大跨度机库方案的概念设计与动力性能研究[J].北京：清华大学，2002.
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