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武汉国际航空工程中心机库大厅结构及楼板选型

发布时间:2020/09/15 点击量:
武汉国际航空工程中心项目是目前亚洲通用机场单体最大的机库,同时具备飞机维修和大型展厅功能,由机库大厅及附楼两部分组成。由于工程工期紧张,主体结构全部采用钢结构,基础采用预制管桩基础。通过方案比选,确定了机库大厅支承体系采用钢柱,并加密了山墙柱,屋盖采用平面主次桁架+屋面水平支撑的形式。本文介绍了机库大厅主要的节点形式,分析了温度作用对超长结构的影响。对附楼的结构体系、楼板选型进行了分析比选,对基础设计进行了简要介绍。
 
武汉国际航空工程中心项目(图1),位于湖北省武汉市经济技术开发区的汉南通用机场内,二期跑道西侧。航空工程中心的机库由机库大厅及机库附楼两部分组成(图2),总建筑面积为29618.52㎡。其中机库大厅面积19815.13㎡,附楼面积9803.39㎡,是目前亚洲通用机场单体规模最大的机库。主要功能是飞机维修,举办大型活动或展会时作为展厅。2017国际航联世界飞行者大会时作为静态展室内展馆,也将为2019年第七届世界军人运动会提供比赛场地。
 
武汉国际航空工程中心效果图(附楼一侧)
图1 效果图(附楼一侧)
武汉国际航空工程中心平面分区示意图
图2 平面分区示意图
 
机库大厅宽度288m,进深68m,柱网为(36m×8)×(34m×2),下弦标高为12m。机库大门采用推拉门,门高8.7m,每扇门宽9m,大门上设置有人行小门。机库大厅下弦布置8台3.2t吊车。
 
附楼平面尺寸为288m×10m,宽度方向为单跨;主要柱网为9m×10m,地上3层,一层层高为6.0m,二、三层层高为4.0m。
 
本工程设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,结构重要性系数为1.0。抗震设防烈度为6度,场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第一组,多遇地震场地特征周期为0.45s,抗震设防类别为标准设防类(丙类)。基本风压为0.35kN/㎡(50年一遇),地面粗糙度类别为B类,基本雪压为0.50kN/㎡(50年一遇,附楼)、0.60kN/㎡(100年一遇,机库大厅)。
 
一、机库大厅结构选型
 
机库大厅宽度方向柱距为36m,共8跨,进深方向柱距为34m,共2跨。屋盖荷载见表1。
 
机库大厅荷载取值
机库大厅荷载取值 表1
 
1、方案比选
 
机库大厅两个方向的柱距分别为36m和34m,从结构合理性考虑,钢桁架(方案一,图3)和钢框架(方案二,图4)均为可采用的方案,分别采用这两种方案进行了计算,见表2。
 
钢桁架计算模型
图3 钢桁架计算模型
钢框架计算模型
图4 钢框架计算模型
方案一、二计算结果比较
方案一、二计算结果比较 表2
 
屋盖的结构高度方案一比方案二约高1m,用钢量方案二比方案一约高62%,由于杆件数量少,方案二的施工速度比方案一快。考虑到本工程并无限高要求,采用方案二总造价较高,且美观效果不如方案一,所以综合考虑结构形式采用钢桁架形式(方案一)。
 
2、机库大厅结构设计
 
(1)支承体系
 
机库大厅宽度288m,进深68m,长宽比约为4.2,平面较为狭长,支承体系除提供可靠的竖向支承外,尚需有较为适宜的抗侧及抗扭刚度,分别采用以下三种支承体系进行计算比较。方案一:36m×34m柱网(图5);方案二:36m×34m柱网+左右山墙密柱(图6);方案三:36m×34m柱网+左右山墙及后山墙柱间支撑(图7)。
 
图5 方案一36m×34m柱网
图6 方案二36m×34m柱网+左右山墙密柱
图7 方案三36m×34m柱网+左右山墙及后山墙柱间支撑
 
从表3可见,由于平面狭长,方案一的支承体系抗扭能力较弱,周期比超过了0.9,较为不利。方案二通过两侧山墙增设的柱子可以有效加强结构整体的抗扭能力,改善整体受力性能。方案三在左右两侧山墙和后山墙增设柱间支撑后,抗扭能力明显加强,为三种方案中抗扭能力最好的,但由于结构平面长度较长,集中设置的柱间支撑集中了过多的水平力,导致支承体系应力集中和屋盖在柱间支撑位置受力突变,对结构整体受力有一定的不利影响。
 
周期计算结果比较 表3
 
通过以上分析,支承体系采用方案二,即36m×34m柱网+左右山墙密柱。
 
(2)屋面桁架布置方式
 
屋面桁架采用平面主次桁架[1]+屋面水平支撑的方式(图8~13)。主桁架沿288m方向设置,机库大门开口边结合大门安装需要设置两榀主桁架,中列柱和后山墙柱分别设置一榀主桁架,见图8,一个柱跨的典型主桁架布置见图11。
 
主桁架布置图
图8 主桁架布置图
次桁架布置图
图9 次桁架布置图
下弦支撑布置图
图10 下弦支撑布置图
典型主桁架示意图
图11 典型主桁架示意图
典型次桁架示意图
图12 典型次桁架示意图
上弦支撑布置图
图13 上弦支撑布置图
 
次桁架与主桁架垂直,沿68m方向设置,由于每个横向柱距内有一台四支点悬挂吊车,结合吊车轨道位置设置次桁架,每个柱距内为4榀,次桁架间距为9m和4.5m,见图9,典型次桁架布置见图12。
 
桁架下弦支撑沿纵横向柱列设置,同时设置一定数量贯通柱网的X形交叉支撑,保证桁架下弦面内的整体性,从而将屋盖承担的水平风荷载、吊车荷载、地震作用等有效地传给下部支承柱,下弦支撑布置见图10。上弦支撑沿桁架平面周边设置封闭支撑,并沿三个纵向柱列设置交叉支撑及一定数量的水平系杆,保证上弦桁架整体性,见图13。
 
(3)节点形式
 
考虑到机库兼做展厅,出于室内美观的要求,桁架主要节点连接形式采用相贯焊,上下弦水平支撑和桁架连接也采用相贯焊的形式。
 
吊车与桁架连接节点(图14)采用连接板贯通桁架下弦管的方式,保证吊车荷载可靠地传到桁架下弦。
 
吊车与桁架连接节点
图14 吊车与桁架连接节点
 
桁架与支承柱的支座节点采用平板压力支座,节点做法见图15。
 
桁架支座节点
图15 桁架支座节点
 
(4)超长钢结构温度影响分析
 
机库大厅宽度为288m,超过了规范规定的温度区段长度,属于超长钢结构,温度作用对结构的影响不容忽视。根据当地气候条件,计算温差按±35℃考虑,图16和图17分别给出了屋盖结构和支承柱在温度单工况下的应力。屋盖桁架温度应力最大值位于左右两侧主桁架接近支承柱的位置,最大应力约为15MPa;支承柱温度应力最大值位于左右山墙四角位置,最大应力约为122MPa。可以看出,温度作用对机库屋盖的受力影响较小,对支承柱影响较大,设计中根据荷载规范要求,考虑温度与恒荷载、活荷载、风荷载的组合,按最不利荷载组合进行构件验算。
 
屋盖桁架温度应力
图16 屋盖桁架温度应力/MPa
支承柱温度应力
图17 支承柱温度应力/MPa
 
二、附楼结构设计
 
1、结构体系
 
附楼平面尺寸为288m×10m,长宽比达到了28.8,体型过于狭长,需设置防震缝划分结构单元。设置三道防震缝,分割为四个结构单体,每个单体平面尺寸为72m×10m,虽然平面长宽比仍较大,但通过合理的加强措施,可以保证结构整体受力。附楼结构形式采用钢框架,柱子采用方钢管,梁采用焊接H型钢,楼梯采用钢楼梯。附楼柱距以9m×10m为主,考虑到楼板的经济合理跨度,每跨布置三道单向次梁,次梁间距为2.5m左右。
 
2、楼板选型
 
钢框架结构的楼板可采用无压型钢板的普通混凝土楼板、开口型压型钢板混凝土楼板、闭口型压型钢板混凝土楼板、钢筋桁架楼承板等。
 
普通混凝土楼板无压型钢板底模,需要现场支模浇注,现场工作量大,人工成本高,施工不便;开口型压型钢板混凝土楼板由于开口位置楼板有较大削弱,导致楼板刚度较差,舒适度和隔声效果差,属于规范不推荐的形式;闭口型压型钢板混凝土楼板和钢筋桁架楼承板的楼板厚度上无削弱,受力性能和使用性能好,但造价相对其他形式略高;钢筋桁架楼承板底模厚度仅为0.5mm,总体价格较为便宜,钢筋桁架在工厂制作完成,现场钢筋绑扎工作量小,施工速度快,综合效益良好,所以本工程采用钢筋桁架楼承板。
 
钢筋桁架楼承板板型选TD4-90,见图18,钢筋桁架上弦钢筋直径为10mm,下弦钢筋直径为10mm,压型钢板底模厚度为0.5mm。(备注:中构新材供货1.7万平方米钢筋桁架楼承板)
 
钢筋桁架楼承板大样图
图18 钢筋桁架楼承板大样图
 
三、基础设计
 
根据勘察报告,主要土层的地质参数见表4。
 
主要土层的地质参数
主要土层的地质参数 表4
 
机库大厅、附楼均采用预应力混凝土管桩(PHC桩),桩端持力层均为⑤-3层粉细砂层或⑤-2层粉细砂夹粉土层。附楼及机库大厅中柱采用抗压桩,机库大厅左右山墙柱采用抗压抗拔桩,桩型选用PHC500A100,单桩竖向抗压承载力特征值为1200kN,单桩抗拔承载力特征值为400kN,桩端全截面进入持力层的深度不小于1000mm。
 
结论
 
(1)工程的工期紧,设计采取了多项可缩短工期的措施,比如机库采用预制管桩、主体结构均采用钢结构、楼屋盖采用钢筋桁架楼承板等,提高了预制装配化率,保证了工程的如期竣工,也充分契合了国家的绿色建筑、装配化政策。
 
(2)通过方案比选,确定了机库大厅支承体系采用36m×34m柱网+左右山墙密柱,屋盖采用平面主次桁架+屋面水平支撑的形式。介绍了机库大厅主要的节点形式,分析了温度作用对超长结构的影响。
 
(3)通过分析比较,附楼结构形式采用钢框架,楼屋面板采用钢筋桁架楼承板,基础采用预应力混凝土管桩(PHC桩)。

作者简介:杨会杰,硕士,高级工程师,一级注册结构工程师

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