某机场大跨度连跨钢结构机棚优化设计与研究

李旭，田伟，王立志，李杜宇

（中国人民解放军95338 部队，广州510403）

1 工程简介

某机场钢结构工程位于贵阳市，工程结构长度为746m，由宽度52m×5，52m×2，52m×3，52m×4 的连跨机棚及3 个休息厅共7 部分组成，实际效果如图1 所示。由于该机棚面积较大，单位面积用钢量直接关系到项目成本，故需要对本机棚进行优化设计与研究。

图1 某机场大跨度连跨机棚照片

2 机棚结构选型分析

结构选型是结构设计的首要工作，结构形式对用钢量影响较大，需要先对结构形式分析。根据建筑造型和使用要求，常用结构形式有管桁架结构、门式刚架结构、钢网架结构等，然后分析3 种结构屋盖的用钢量[1,2]。管桁架用钢量最小，门式刚架用钢量最大，原因如下：（1）该建筑单体为两面支承、两面开敞的结构，结构单向受力明显，空间整理受力性能良好的钢网架结构发挥不出优势。（2）与网架结构相比,管桁架结构省去了下弦纵向杆件和网架的球节点。此外，其各方向稳定性相同,节省了材料用量。（3）结构跨度52m 超过了门式刚架的适用范围，门式刚架结构经济性较差，对于拱形结构，门式刚架的钢梁制作亦较为复杂，不太适用。

综上所述，最终结构选型为钢柱+钢管桁架结构。机棚采用三角形管桁架结构体系,管桁架上弦设水平支撑，沿纵向设置钢桁架，休息厅采用钢框架结构体系。

3 机棚柱距优化设计

机棚结构设计中，横向结构柱距布置对梁、柱及主钢架、支撑系统等单位面积用钢量有较大的影响。众所周知，单位面积用钢量是影响建筑经济性的一项重要指标。因此，由于条件所束，本文在此仅以机棚柱距为变量，以单位面积用钢量为目标，以上述条件为约束条件对结构柱距进行优化。限于篇幅，仅列出5 跨结构部分的分析结果。52m×5 跨结构计算模型如图2 所示。本项目机棚大跨度钢结构横向划分为6m、9m 及12m 3 个规划距离。

图2 52m×5 跨结构计算模型

梁柱及主钢架等单位面积用钢量与结构横向柱距之间的关系如图3 所示。根据图3 可知，随着柱距的增加，钢柱、钢梁及主钢架单位用钢量随之降低，而柱距增加到12m 时，相应的用钢量最低，经过比较分析可知，机棚的梁柱等构件用钢量与钢柱距离有直接关系。

图3 钢柱钢梁及主钢架单位用钢量与柱距关系

支撑柱之间的距离的变化对整个屋面的支撑系统有极大的影响，为此，确定合理的支撑系统的合理规划，应注重经济柱距的设置。支撑系统的用钢量与柱距关系曲线如图4 所示。由图4 可知，当柱距为6m 时，钢结构钢量使用量最小；钢柱距为12m 时，钢结构钢量使用最大。支撑系统各个单位的面积使用中，钢量的增长随着柱间距的增大而增大；当柱距发生改变时，因柱距的变化直接影响整个机棚钢结构支撑系统的用钢量，并且随着柱距的增大，机棚用钢量也与其保持增长，此时，刚性系杆单位用钢量较之于建设初期有明显的变化，但是柱距支撑单位面积保持不变，而支撑系统面积用钢量也因柱距变化有所增长。

综合上述分析，建立以柱距为变量，以单位面积用钢量为目标函数，并以此为基础寻找其在解空间中的最优点，以获得更为经济的机棚设计方案。经分析，机棚柱距取9m 时，其经济性最优，且满足机棚使用及安全性要求。结果说明，以优化问题对机棚进行结构设计是可行的。

图4 支撑系统构件与用钢量关系

4 整体用钢量优化

在本工程，结构用钢量计算除了考虑柱间距的影响，还要综合以下2 个方面考虑：（1）管桁架宽度A和厚度B对整体用钢量的影响；（2）温度应力的克服对用钢量的影响。

本机棚结构管桁架采用倒三角管桁架结构，其剖面图如图5 所示。由于建筑矢高确定为5m，结构设计时可供选择的只有桁架宽度A和厚度B。管桁架的厚度与屋盖的荷载及跨度有关，同时，该厚度也决定了屋盖结构的竖向刚度，立体管桁架的厚度可取跨度的1/20～1/12[3]。分别选取了不同的A值与B值进行了试算比较，比较结果如表1 所示。

图5 倒三角管桁架结构图

表1 改变厚度B用钢量变化表

从表1 可知，在改变厚度B的情况下，结构挠度均满足设计要求，是因为结构为拱形造型，对抵抗竖向变形有利，同时，屋盖本身荷载较小，计算绝对挠度较小。

由于结构为单向受力，管桁架的宽度A加大能增强屋盖平面外刚度，对竖向受力无显著影响。考虑到屋盖整体刚度取决于屋面支撑的大小，因此，加大管桁架宽度A没有必要，屋盖用钢量也随着管桁架宽度的增加而增加。考虑腹杆的相贯和搭接，其角度建议不应小于30°。在原设计中的屋盖厚度为3.8m，优化后成为2.78m。

本结构中，温度应力对用钢量的影响较大。局部设置了单向滑动支座（见图6）。考虑建筑单体单方向超长，52m×5 的模型设计时比较了设置单向滑动支座对基础及支承柱的影响，其中，模型1 未设置滑动支座，模型2 端部设置单向滑动支座，计算结果如表2 所示。

图6 滑动支座

表2 设置滑动支座对结构的影响

由表2 可知，设置单向滑动支座的模型，温度作用下其端部变形变化较小，增大了约20.8%，其结果能满足正常使用需要。钢柱截面及基础大小影响更大，单根钢柱用钢量减小42.6%，单个基础混凝土用量减少50%。

本工程机棚钢结构原设计综合用钢量为2778t，主管桁架的用钢量为2100t，其他结构为678t。优化后，用钢量为2124t，主管桁架的用钢量为1104t，次桁架170t，其他结构为870t。

5 温度应力综合优化方案

根据规范[4]可知，贵阳月最低平均温度为-3℃，月最高月平均温度为32℃，考虑合龙温度10～15℃，计算温差为22℃，设计时取温差25℃。在原设计中，结构长度为746m，远超过规范规定的150m[5]。本建筑单跨平面尺寸长度为52m×5=260m，温度作用的影响不容忽视。大跨度结构均为超静定结构，其温度引起的变形受到约束，会产生附加的内力，因此，必须在结构分析中考虑温度的作用。

基于本工程为四面敞开式工程，温差变化对结构整体设计的合理性最有重大影响，分采用如下结构优化方案：

抗应力设计：原设计中14 跨机棚为整体设计，优化设计在休息室处设置伸缩缝，大大减小应力释放对整体结构的损害，增大了机棚整体安全性；在优化设计中，根据建筑使用功能，最终结构分成了52m×5，52m×2，52m×3，52m×4，以及3 个独立钢框架，极大减小了温度作用的影响。

屋面桁架整体移动性设计：原设计中桁架部分不能整体移动，设计优化中使用单项滑动支座可使整体屋面作单向移动，保证在任何外力作用下屋面的应力释放功能。

屋面桁架球连接设计：为保证整体屋面构件连接精度，对重要节点采用球结设计。

6 结论

从机棚钢结构成本出发，基于机棚项目的经济性，对项目设计进行优化。为了准确获取实际数据，以便计算出最为合理的技术数据，通过对机棚建模并进行力学分析，并以柱距为变量，结构单位面积用钢量为目标，总结随着柱距变化，结构各部分单位面积用钢量的变化规律，然后对结构给予优化，筛选出最合理的结构，得出机棚最终优化设计方案，进而实现项目成本的合理节约，最终对整个项目成本进行有效的控制。