大跨度维修机库网架结构选型研究

张凯博

（中电投工程研究检测评定中心有限公司）

1 大跨度维修机库结构特点概述

维修机库作为飞机定检、维修的场地显得尤为重要[1]，近年来，智能维修系统的配备对维修机库建设提出了降低成本、提高安全与效率的更高要求。

维修机库上部结构一般采用大跨度钢网架结构[2]。大门一侧开敞，顶部屋架实际处于三边支撑、一边自由的边界条件下；而实际工程中，大门一侧的跨度往往达到百米以上[3]。其次，为了满足工艺需求，机库网架底部需要设置悬挂吊车及其他智能设备，也对结构变形提出了更高要求。

目前大跨度维修机库屋盖较为成熟的结构设计方案是桁架与平板网架结合使用，在大门一侧利用高度较大的桁架作为网架的支撑，提高开口边的刚度，大门桁架可采用上反、向下凸出或上下均凸出的方案[4-5]。

2 项目工程概况和几种平板网架选型

2.1 工程概况

本文以某实际工程为研究对象，该工程为某航空公司双机位维修机库，机库大厅可容纳两架A350机型同时进行定检及维修。机库大厅进深77m，屋盖下弦标高26.5m，机库大门跨度为156m，两侧分别设置长度为24m 的门库，下部采用钢筋混凝土框排架结构，主要柱距为12m，机库后侧形成36m的局部柱距。

2.2 平板网架选型

机库大门桁架采用五层空间桁架，桁架宽度为5m，桁架总高度为16m，门库部分支座形式为释放竖向刚度的弹簧支座。后部网架为三层平板网架，网架总高度为8m，支撑形式均为下弦支撑。钢材均采用Q355B 钢。针对机库大厅后部钢网架结构的选型，本文主要进行以下四种常见的平板网架形式的对比分析：两向正交正放、正交斜放四角锥、正交正放四角锥、正放抽空四角锥。四种网架形式所用的大门空间桁架均按照相同的排列原则进行杆件排布。两向正交正放、正交正放四角锥、正放抽空四角锥主要网格尺寸为4m，正交斜放四角锥上弦、下弦主要网格尺寸为4.24m。

2.3 荷载取值及计算参数

计算模型荷载取值、规范参数如下：设计使用年限50a；机库各外表面均考虑恒荷载取值0.45kN/m2，平板网架下弦考虑智能维修系统、消防水管等恒荷载取值0.15kN/m2；屋面按不上人屋面考虑；风压为0.5kN/m2；雪荷载为0.45kN/m2；温差按照-15℃到25℃取值；该工程抗震设防分类为丙类，本地区抗震设防烈度为8 度，第二组，场地类别为Ⅱ类；吊车为4跨悬挂吊，起吊重量为12t。

本文各计算模型均按照以上计算参数、控制应力比不大于1进行迭代计算，网架整体指标及杆件、节点的应力、构造均能满足规范要求，后文给出的计算数值均为迭代最终模型的计算结果。

3 结构受力特性对比分析

3.1 阵型及周期

网架结构承受的荷载中动力荷载非常普遍，阵型和周期是平板网架较为重要的动力参数，一定程度上能够反映结构整体的受力性能。网架结构一般以前几阶振动为主，尤其是第一阶阵型的占比较大，四种网架形式的周期及阵型形式见表1。

表1 四种网架形式的周期及阵型形式

通过对比发现不同形式的网架结构前几阶阵型曲面较为相似，一阶阵型均为左右对称阵型，第二、三阶阵型存在左右反对称阵型、前后反对称阵型两种。四种网架形式的周期总体相近，均在1s左右，正交斜放的各阶周期（尤其是第一阶）均最小，两向正交正放则各阶周期（尤其是第一阶）均最大。

3.2 竖向位移

计算可知四种网架结构形式在各种荷载作用下最大位移出现的位置均相同，恒载和竖向地震作用下竖向变形最大处位于大门桁架中点附近，活载、风载作用下竖向变形最大处出现在后部网架中线靠近大门一侧的三分点附近，吊车荷载作用下第2轨道、第3轨道处（由大门向后部数）的竖向变形最大。

表2 列举了各种荷载下的最大竖向位移数值。比较可知，恒载下竖向位移绝对值最大，其次是长向和短向风荷载，再次为活荷载，吊车荷载和竖向地震下位移绝对值均较小，不足恒载下的1/10。风载下各节点位移绝对值基本小于恒载，不会起到控制作用，故而位移的控制荷载主要是恒+活的组合，这也与规范中的结构挠度容许值采用恒+活的组合相印证[6]。

表2 四种网架形式在主要荷载工况下竖向位移最大绝对值/mm

对比表2 中不同网架形式的数值，可知正交斜放四角锥在各种工况下的位移绝对值均最小，两向正交正放均最大，若以正交正放四角锥的恒+活下位移为基准，则两向正交正放的位移大22%，正交斜放四角锥的位移小15%，正放抽空四角锥的位移几乎相同。

3.3 杆件内力分布

本节分析恒+活工况下四种网架形式的内力分布，整体受力特征相似，后部网架所受荷载传递至大门桁架和其余三边的支座上，整体类似开口边刚度较弱的四边简支板；大门桁架的荷载传递至桁架两侧的支座，类似简支梁。后部网架的上弦杆主要受压，下弦杆主要受拉，中弦杆和斜腹杆的受力则普遍较小。

本文所研究的四种网架形式中只有正交斜放四角锥的弦杆是不平行于机库平面的斜向放置，其余三种的弦杆均为正放。几何构型的不同也导致正交斜放四角锥的受力分布与其他三种有所不同，其内力分布呈现出两条明显的由后侧中部向前侧两角的斜向主受力带，表现为上弦杆压力最大的位置出现在上弦中部、呈“八”字型；其余三种网架上、下弦杆中内力最大的杆件均分布在中部靠前的范围内，且大门桁架附近的杆件内力相对更大。图1 显示了恒+活组合下上弦杆内力分布的区别。

图1 恒+活组合下上弦杆内力分布的区别

横向比较四种网架形式的内力极值与内力分布情况，可概括出以下规律：①对于网架部分，正交正放网架的上下弦杆内力相对最大，内力较大的杆件占比也较高，其次是正交正放四角锥，正交斜放四角锥和正放抽空四角锥的内力相对最小，但正交斜放四角锥内力较大杆件占比更高；②大门桁架部分的内力情况则是正交斜放四角锥最大，其次是两向正交正放，正交正放四角锥和正放抽空四角锥两者接近，且内力相对最小。

4 经济性、支座反力对比

4.1 网架结构经济性对比

用钢量是网架结构最常用的经济性考察指标。鉴于机库类网架具有大门桁架部分，将大门桁架与后部网架分别统计进行对比研究，对比数值见表3所示。

表3 四种网架形式经济性指标

由表3 中数值可知，整体而言两向正交正放和正交斜放四角锥用钢量较大，其中前者球节点占比也明显高于其余网架形式，是经济性最差的一种；正放抽空四角锥整体用钢量和球节点占比均较低，属于经济性最好的一种。

4.2 支座反力对比

网架结构支座内力关系着支座本身能否得到合理的结构构造，同时支座反力也是下部结构设计的重要输入条件，其中两个切向的反力往往更为关键，其原因在于较大的切向支座反力会导致柱底弯矩过大。桁架和网架支座的绝对值最不利切向反力对比如表4所示。由表可知两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，正放抽空四角锥网架支座反力为最小。

表4 绝对值最不利切向反力数值及位置(单位：kN)

5 结语

本文以相同设计条件下的两向正交正放、正交斜放四角锥、正交正放四角锥、正放抽空四角锥四种网架结构的计算结果进行对比分析，得到如下主要结论，进行维修机库屋盖结构设计时可参考。

①两向正交正放在结构刚度、变形、网架经济性及支反力等主要考察指标上的性能均最差。

②正交斜放四角锥整体上具有最大的结构刚度和变形控制能力，但经济性和支反力方面性能较差。

③两种正放四角锥网架的受力模式和受力性能较为接近，正放抽空四角锥在经济性和支反力控制方面略强于正交正放四角锥。