广东省飞行大队警用机库结构设计

2016-08-12吴一非广东省建筑设计研究院广东广州510010

低碳世界 2016年19期

关键词：机库屋盖钢柱

吴一非（广东省建筑设计研究院，广东　广州　510010）

广东省飞行大队警用机库结构设计

吴一非（广东省建筑设计研究院，广东广州510010）

广东省飞行大队警用直升机飞行保障基地机库总长度172m，南北跨度43m，机库部分采用的是平面主次桁架、矩形钢柱的全钢结构。本文主要介绍了机库的结构体系、整体结构设计计算，对关键节点进行了有限元数值分析。

结构体系整体计算分析；有限元数值分析

1　工程概况

本工程为广东省公安厅飞行大队警用直升机飞行保障基地，位于广州增城，目前是全国最大的警用飞机库。保障基地的平面布局采用“机库+指挥塔台+机库”的模式，由指挥塔台和两座机库组成，机库位于指挥塔台两侧对称布置。基地外轮廓为近似矩形，平面东西向长172m，南北向宽为43m。两侧机库分别与塔台间设200mm宽防震缝，整个保障基地即由防震缝分为三个独立的结构单元组成，本文主要介绍两侧机库的设计情况。

2　机库结构体系

直升机库作为特殊的一类大跨度建筑，要求飞机库具有跨度大以及高大空旷的特点，并且由于飞机出入机库的需要，所以大门一侧必须可以做到完全开敞。为了满足这一使用要求，而且能使得结构可以对称布置，本工程机库采用8根矩形钢管柱用于支承屋盖，机库北面、西面配合建筑窗墙布置布有若干抗风柱，且东边与混凝土结构的指挥塔台相接而布了两根构造钢柱，南面为直升机出入大门，如图1所示。抗风柱和构造钢柱的柱顶与桁架相接部分设为铰接并释放竖向约束。屋盖采用的是主次平面管桁架结构，为增强屋盖结构的整体性，沿屋盖周边的上、下弦弦杆布置了回字形的水平刚性系杆及交叉圆钢支撑。

图1　一侧机库平面图

为增强整体结构的抗侧刚度，在机库西面、东面矩形钢柱与相邻的抗风柱或构造钢柱间各设有两道柱间交叉撑，在机库南面、北面的中间两根矩形钢柱间设了一道柱间交叉撑，如图2所示。

图2　飞行保障基地实景图

3　机库结构设计计算

3.1设计条件及荷载计算

（1）本项目抗震设防烈度为Ⅵ度（0.05g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。

（2）基本风为压0.50kN/m2，地面粗糙度为B类。（由于紧邻机库东、西侧有建筑，仅考虑南、北以及屋顶风荷载）。

（3）屋面附加恒载0.40kN/m2，活载0.50kN/m2，以及±25℃温度荷载。

（4）本项目风荷载为50年一遇基本风压0.50kN/m2，柱顶高10m，机库座落在一个山坡上，山坡高50m左右，风压高度变化系数考虑修正系数为2.0；体型系数取0.8+0.5，迎风面、背风面分别取0.80、0.50；

风振系数=（1+1.5×0.42×1/1）=1.63

迎风面风荷载标准值=1.63×0.8×2×0.5=1.30

背风面风荷载标准值=1.63×0.5×2×0.5=0.82

背风面风荷载标准值=1.63×0.6×2×0.5=0.98

3.2荷载及组合

附加恒载标准值为0.4kN/m2，活荷载标准值为上弦屋面0.5kN/m2，下弦吊挂0.1kN/m2；考虑±25℃的温度作用，施工时温度控制在15～20℃；基本风压为0.50kN/m2，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001，2006年版），屋面基本受风吸力作用，端部适当加大体型系数，机库正、背面风力作用与屋盖同时考虑；考虑X、Y和Z向地震作用。

综合以上荷载工况，计算过程中共考虑了39种荷载组合，主要荷载组合如下：

组合［1］1.2G+1.4Q

组合［2］1.35G+1.0Q

组合［3］1.0G+1.4W

组合［4、5］1.2G+1.4Q+1.4×0.6（±T）

组合［6、7］1.2G+0.7×1.4Q+1.4×0.6（±T）

组合［8］1.2GE+1.3EX+0.5EZ

组合［9］1.2GE+1.3EY+0.5EZ

3.3模型计算

模型计算采用MIDAS 7.8.0来进行计算分析。

屋顶采用圆钢管平面桁架，主桁架高2.675m，次桁架由于结构找坡，高度为2.675～3.2m，桁架的腹杆与弦杆采用铰接，次桁架与主桁架连接也为铰接，均采用相贯节点，腹杆及弦杆材质均为Q235B无缝钢管。支撑主桁架的8根立柱采用箱型焊接型钢，其余抗风柱采用H型钢，立柱和抗风柱的材质均为Q345B。

由于在计算中需要释放抗风柱与桁架的竖向约束，所以采用两个模型进行计算分析。模型1为屋顶桁架+8根箱形钢柱，此模型符合桁架的边界约束假定，于是模型用于计算屋顶的桁架，如“图3屋顶桁架+8根箱形钢柱模型（模型1）”所示。模型2为屋顶桁架+8根箱形钢柱+抗风柱，此模型符合钢柱的实际受力状况，用于钢柱的计算，如“图4屋顶桁架+8根箱形钢柱+抗风柱模型（模型2）”所示。

图3　屋顶桁架+8根箱形钢柱模型（模型1）

图4　屋顶桁架+8根箱形钢柱+抗风柱模型（模型2）

支承屋盖的8根矩形柱截面为700×500×15×30，抗风柱采用HM300×200的H型钢，材质为Q345B。桁架采用Q235B无缝圆钢管，主桁架弦杆尺寸为299×10，腹杆为159×6。次桁架弦杆的尺寸为245×8，腹杆为114×5。次桁架间均匀布有三榀水平支撑桁架，弦杆尺寸为159×6，腹杆为95×4。上下弦杆间的回字形交叉撑采用带花篮螺丝的φ20圆钢，柱间支撑采用φ30高强钢拉杆。主桁架高度为2.68m，次桁架为2.68～3.20m。矩形柱采用外包混凝土柱脚，矩形柱内还灌注C30混凝土至+ 1.20m标高作防冲撞加强措施。屋盖桁架总用钢量约为114t，折算成单位用钢量为43.10kg/m2。

3.4结构计算结果

计算分析得出，屋盖最大竖向位移为-51.6mm，约为跨度的1/814，满足规范关于大跨度屋盖1/400挠度限值要求。屋盖各构件最大强度应力比为0.70，矩形柱为0.48，满足强度要求。根据计算结果的应力云图可得，弦杆以及腹杆的最大应力为-119.5N/mm2和-144.32N/mm2，均小于Q235B钢材的强度设计值215N/mm2，满足计算要求。

图5　弦杆杆应力云图

图6　腹杆应力云图

4　关键节点有限元分析

本工程使用钢管柱内插置十字钢板来连接桁架和钢管柱，如图7、图8所示。这种节点的形式有别于与我们平时较为常用的桁架与柱顶铰接的节点方式，这种内插钢板的连接方式有着以下优点：①这种桁架与钢管柱的刚接形式有助于增强结构的整体性，使得结构的整体抗侧刚度以及抗扭刚度都要优于排架结构的形式。②这种节点的构造相对比较简单，对桁架的吊装以及施工精度要求不高，比较容易实现，从而降低了施工难度，加快了施工进度。

图7　桁架与钢管柱连接大样平面图

图8　桁架与钢管柱连接大样剖面

相较于桁架与矩形钢管中柱连接节点，桁架与矩形钢管边柱连接节点受力情况更为不利、应力分布情况更为复杂，而且这个连接节点关系到整体结构的安全性。于是根据整体模型的计算结果，额外对此处节点进行了有限元分析。节点分析采用有限元软件ANSYS9.0，模型均采用shell181单元，节点所施加荷载为所有工况中的最不利内力组合，十字节点板材质为Q345B。