李春生， 劉人懷， 王 璠， 郭學(xué)來， 杜岳濤

(1.暨南大學(xué)“重大工程災(zāi)害與控制”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510632;2.暨南大學(xué) 力學(xué)與土木工程系，廣東廣州510632，3.廣州飛機(jī)維修工程有限公司，廣東廣州510470)

現(xiàn)代大型維修機(jī)庫結(jié)構(gòu)跨度大，體型高大、扁平，三邊支承一邊開口，剛度與質(zhì)量分布不均勻，屋蓋結(jié)構(gòu)承受荷載復(fù)雜，特別是屋蓋結(jié)構(gòu)有大量懸掛運(yùn)輸設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行對屋蓋變形要求嚴(yán)格，有些大型機(jī)庫屋蓋結(jié)構(gòu)采用多級主次桁架體系，代表性的有東京國際機(jī)場成田1號機(jī)庫(1972年)，跨度為198 m，進(jìn)深 90 m;德國慕尼黑機(jī)場 3號維修機(jī)庫(1993)，跨度為150 m+150 m，進(jìn)深90 m，廣州白云國際機(jī)場廣州飛機(jī)維修工程公司(下稱GAMECO)10號維修機(jī)庫(2003年)，跨度為100 m+150 m+100 m，進(jìn)深100 m，機(jī)庫屋蓋采用多級桁架體系，傳力明確，布置簡潔，但是用鋼量較大.

由于大跨機(jī)庫近30年才開始出現(xiàn)，且數(shù)量較少，特別是靜力實(shí)驗(yàn)困難，維修機(jī)庫的靜力特性研究主要是采用有限元分析，Joseph F.Thelen［1］、S.LUKE［2］、H. Pasternak［3］、朱 丹［4］、Pei.Yongzhong［5］、郭鵬［6］對當(dāng)時的典型大跨的機(jī)庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和設(shè)計方法研究;靜力實(shí)驗(yàn)研究主要關(guān)注節(jié)點(diǎn)受力，丁蕓孫［7］、曾毅恒［8］開展了大跨機(jī)庫節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)研究.

關(guān)于大跨飛機(jī)維修庫屋蓋的模型實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)很少，丁蕓孫［7］為150～220 m大跨機(jī)庫方案的分析做了(4.5×6)m的模型試驗(yàn)，靜力原型實(shí)驗(yàn)研究報道極少，戴國欣［9］對一航站樓大跨鋼桁架鑄鋼節(jié)點(diǎn)性能現(xiàn)場研究，目前對該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，主要是采用計算機(jī)分析軟件進(jìn)行受力分析，同時不同的維修機(jī)庫的結(jié)構(gòu)形式、跨度差異很大，需要對其進(jìn)行有針對性的分析，設(shè)計人員很難把握有限元模擬與實(shí)際結(jié)構(gòu)的誤差，造成大跨機(jī)庫的設(shè)計困難和經(jīng)驗(yàn)較少，因此開展大跨機(jī)庫屋蓋結(jié)構(gòu)原型實(shí)驗(yàn)研究具有重要的工程應(yīng)用價值和學(xué)術(shù)價值.

GAMECO公司10號機(jī)庫位于廣州新白云國際機(jī)場，由維修機(jī)庫、噴漆機(jī)庫、航材庫和與之配套的附樓組合而成，其中機(jī)庫大廳長350 m，進(jìn)深100 m，屋蓋結(jié)構(gòu)采用大跨度多級鋼桁架空間結(jié)構(gòu)體系，分為跨度(100+150)m的維修區(qū)和跨度100 m的噴漆區(qū)，屋蓋下弦標(biāo)高29 m、局部18 m，機(jī)庫屋面最大標(biāo)高為44 m，為三聯(lián)圓弧拱形屋面.鋼桁架沿縱、橫向分級設(shè)置，形成由多級主、次桁架構(gòu)成的空間受力體系，各級桁架按受力狀態(tài)選擇其高度和腹桿布置形式，并在不等高的各級桁架上、下弦平面中分別設(shè)置水平支撐構(gòu)件.它是目前中國跨度最大的桁架結(jié)構(gòu)機(jī)庫，鋼結(jié)構(gòu)的連接、材性、疲勞、應(yīng)力集中、焊接缺陷、銹蝕等缺陷以及施工誤差會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能的劣化，因此在廣州飛機(jī)維修公司的支持下，我們對10號機(jī)庫進(jìn)行了機(jī)庫屋蓋結(jié)構(gòu)原型靜力試驗(yàn).

1 屋蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 屋蓋主結(jié)構(gòu)體系

10號機(jī)庫維修區(qū)前桁架(F)跨度為(100+150)m的連續(xù)梁，多級桁架結(jié)構(gòu)體系受力關(guān)系明確、滿足變形要求，構(gòu)造簡捷、加工安裝方便，且空間桿件少，便于噴漆區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)中大截面通風(fēng)管道的穿行布置.另外，在主桁架體系之上設(shè)計了屋面支撐系統(tǒng)，以滿足建筑立面設(shè)計要求(圖1).

圖1 10號機(jī)庫屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)布置圖Fig.1 10#Hangar roof truss structure layout

在屋蓋結(jié)構(gòu)體系中，由于主、次各級桁架跨度及承受的豎向荷載差異很大，因此，各級桁架設(shè)計高度相差也很大，形成了多層上、下弦平面，第一級桁架(F)是屋蓋結(jié)構(gòu)主受力構(gòu)件，沿機(jī)庫長向布置.為雙榀空間桁架，間距3.5 m，維修區(qū)跨度(100+150)m，桁架高10.5 m;噴漆區(qū)跨度100 m，高8.0 m.在整個屋蓋結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)桁架對屋蓋的其他部分的作用相當(dāng)于彈性支撐，承擔(dān)了較大的荷載.第二級桁架(S)是屋蓋受力次桁架，為雙榀空間桁架，沿機(jī)庫進(jìn)深方向布置，間距5.0 m，維修區(qū)跨度76.5 m，高8.0 m.噴漆區(qū)高跨跨度約29.4 m，低跨跨度約46.1 m，高5.0 m.吊車桁架(C)按懸掛運(yùn)輸設(shè)備行走的需要沿機(jī)庫長向布置，支承于S桁架上，最大間距21.5 m，高4.5 m.第三級桁架(T)為沿機(jī)庫進(jìn)深方向布置、支承于C桁架上的下一級次桁架，直接承擔(dān)屋面系統(tǒng)的荷載，并為C桁架提供側(cè)向穩(wěn)定支點(diǎn).尾庫和機(jī)頭庫屋蓋均由沿長向主連續(xù)桁架(B、R)和沿進(jìn)深方向次桁架(TP)構(gòu)成.

1.2 屋蓋支撐體系

10號機(jī)庫建筑總高為44 m，水平風(fēng)荷載及地震作用對結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生很大的影響，由于機(jī)庫特殊功能要求，大門一側(cè)全開敞，機(jī)庫前部大門一側(cè)沿350 m長共布置了4根受力柱，后部由于機(jī)頭、機(jī)尾庫位置的限制，布置了兩列共32根受力柱，柱距從8～45 m不等，整個建筑的抗側(cè)力構(gòu)件布置極不均勻，因此桁架結(jié)構(gòu)體系中水平支撐系統(tǒng)的設(shè)計十分重要，要求屋蓋結(jié)構(gòu)有良好的整體剛度，能夠合理、有效地傳遞和分配水平力.

2 原型實(shí)驗(yàn)工況與有限元分析

2.1 原型實(shí)驗(yàn)工況

靜力試驗(yàn)研究機(jī)庫屋蓋結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在靜載荷作用下的強(qiáng)度、剛度以及應(yīng)力、變形分布情況，是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和靜力分析正確性的重要手段［9］.機(jī)庫原型結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)比較復(fù)雜，難度大，鮮有文獻(xiàn)報道，業(yè)主要求本次靜力試驗(yàn)只能利用生產(chǎn)間隙進(jìn)行，因此確定采用通過移動吊車和升降平臺來獲得加載工況，同時監(jiān)測環(huán)境溫度變化獲得溫差工況，在不同時期進(jìn)行了6次加載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性很好.

作為大型多功能機(jī)庫，為滿足多型號飛機(jī)維修的要求，該機(jī)庫屋蓋設(shè)計選用了多種懸掛飛機(jī)維修設(shè)施，其中包括各2臺懸掛起重機(jī);2臺懸掛升降維修工作平臺，1套懸掛機(jī)身修理塢，重1 200 kN.其中雙跨升降維修平臺重669 kN，單跨升降維修平臺重471 kN，雙跨懸掛起重機(jī)重459 kN，單跨懸掛起重機(jī)重261 kN，由于現(xiàn)場試驗(yàn)不能影響生產(chǎn)，本項(xiàng)目研究是以移動懸掛設(shè)備荷載、溫度差作為荷載施加工況，確定采用移動升降平臺和起重機(jī)來對屋蓋結(jié)構(gòu)施加荷載，即把2臺起重機(jī)和2臺升降工作平臺移動到100 m維修區(qū)的最邊端，然后再把2臺起重機(jī)和2臺升降工作平臺移動到150 m維修區(qū)的跨中，形成試驗(yàn)荷載工況，結(jié)構(gòu)靜力計算求解出結(jié)構(gòu)上關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力等結(jié)果，以此為依據(jù)對結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行考核，確定結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求，分析主要集中在對實(shí)驗(yàn)工況下結(jié)構(gòu)桿件的變形量、應(yīng)力以及分析關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力變化.

2.2 結(jié)構(gòu)有限元建模與試驗(yàn)荷載工況計算

采用有限元分析軟件Midas/Gen建立有限元分析模型，其中柱采用梁單元，桿件大部分采用桿單元，極少部分選用了梁單元，鋼板采用面單元，材料、截面按英國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范BS5950、BS4-93標(biāo)準(zhǔn)選擇.建成一個具有9 113個單元、3 028個節(jié)點(diǎn)，4種材料，78種截面類型的三維分析模型.

在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，獲得結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)最大變形桿件以及變形量(圖2)，最大應(yīng)力桿件，試驗(yàn)因此確定測量點(diǎn)和測試項(xiàng)目.

3 原型試驗(yàn)與分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測與分析

(1)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點(diǎn)布置 監(jiān)測分析主要考慮以下工況組合:正常工作狀態(tài)時的吊車荷載，溫度應(yīng)力，通過變形的全過程監(jiān)控，得到相應(yīng)荷載作用下的變形數(shù)據(jù)，測得桁架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置點(diǎn)在荷載作用下的空間位置變化，為了準(zhǔn)確地反映出桁架的安裝位置和受力后的變形情況，在F、S、C桁架的節(jié)點(diǎn)上布設(shè)觀測點(diǎn)，在機(jī)庫250 m跨維修區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)中選取24個測點(diǎn)進(jìn)行整體屋蓋結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測.

(2)監(jiān)測方法 由于試驗(yàn)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)較高，且不能長時間中斷生產(chǎn)，因此不能安裝百分表測量位移和撓度.如果在屋蓋的馬道和桁架上架設(shè)儀器，人、儀器、測點(diǎn)無法有效分開，基準(zhǔn)點(diǎn)選取也困難.因此，根據(jù)實(shí)際情況并對幾種施測方法進(jìn)行反復(fù)比較，并測試了現(xiàn)場環(huán)境對實(shí)測結(jié)果的影響，最后確定采用高精度全站儀不測儀器高的三維坐標(biāo)測量方法［10］.

圖2 機(jī)庫結(jié)構(gòu)在懸吊荷載下變形情況Fig.2 Hangar structure deformation by suspended Load

采用自主建站的方法，在機(jī)庫內(nèi)布設(shè)獨(dú)立的閉合控制網(wǎng).基準(zhǔn)點(diǎn)選在與機(jī)庫屋蓋結(jié)構(gòu)沒有關(guān)聯(lián)的地基上.使用全站儀，以基準(zhǔn)點(diǎn)作為測站和后視點(diǎn)，為了減小誤差，考慮到監(jiān)測精度要求和長期監(jiān)測工作的便利，建立強(qiáng)制觀測墩并做到穩(wěn)固和長期保存，監(jiān)測點(diǎn)為桁架關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，每個監(jiān)測點(diǎn)安裝固定的高精度反射棱鏡，這樣可消除每次觀測時棱鏡安裝的對點(diǎn)誤差，提高測距精度，以此作為分析比較變形量的依據(jù).利用TCA2003測量機(jī)器人對反射棱鏡進(jìn)行自動觀測，精確讀取反射棱鏡十字絲交叉處的坐標(biāo)值，通過測水平角、豎直角和斜距各6個測回，原始數(shù)據(jù)再通過軟件處理與平差，以準(zhǔn)確控制實(shí)驗(yàn)精度，計算出各觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，荷載工況前后的坐標(biāo)差值可視為該節(jié)點(diǎn)的位移變化量，并以100 m與150 m跨交界的立柱頂點(diǎn)為高程監(jiān)測后視點(diǎn)，用精密電子水準(zhǔn)儀及配套的銦鋼水準(zhǔn)尺復(fù)核F桁架部測點(diǎn)的撓度，整個監(jiān)測過程在穩(wěn)定的氣候條件下進(jìn)行，其精度滿足荷載試驗(yàn)要求.

(3)測量儀器與設(shè)備 使用儀器經(jīng)過計量檢定，高精度的TCA2003全站儀(測角精度為±0.5″，測距精度為±(1 mm+1×ppm D)、Leica反射棱鏡，高精度的Trimble DINI精密電子水準(zhǔn)儀及配套的銦鋼水準(zhǔn)尺(精度為±0.3 mm/km).

(4)位移實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 位移實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表1.

在移動懸掛設(shè)備荷載作用下，整個結(jié)構(gòu)變形以S、C桁架最大.屋蓋桁架最大豎向計算撓度出現(xiàn)在C桁架跨中節(jié)點(diǎn)，該桁架靠近F桁架150 m跨跨中位置，其撓度為F、S、C三級桁架豎向變形相迭加的結(jié)果，最大豎向計算撓度為－90 mm，實(shí)測撓度為－27 mm，分別滿足規(guī)范對有軌道的工作平臺梁和吊車桁架容許撓度值L/600和L/500的要求，因此桁架剛度高于計算剛度，桁架也能滿足眾多懸掛維修設(shè)備正常工作的要求.通過對溫差作用的分析和實(shí)測，溫差作用主要反映在結(jié)構(gòu)變形量的變化，可以看到11℃溫差引起桁架桿件縱向位移較大，沿機(jī)庫長度方向最大水平位移約12 mm.有限元數(shù)值解中Y方向的值比較大，是因?yàn)橛邢拊Ｐ椭袥]有考慮10號機(jī)庫Y方向緊挨著的裙房結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn).

3.2 重要桁架的應(yīng)變監(jiān)測與分析

(1)重要桁架的確定與測點(diǎn)布置 根據(jù)移動懸掛設(shè)備荷載工況最不利位置，選取150 m跨中為一品S、C桁架以及相應(yīng)的F桁架進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，分析在實(shí)驗(yàn)工況下結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力.測點(diǎn)布置前應(yīng)按照理論分析結(jié)果，尋找結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力控制點(diǎn)，然后以控制點(diǎn)為主要監(jiān)控對象，其他位置處設(shè)置輔助監(jiān)控點(diǎn).測點(diǎn)主要布置于下弦桿和腹桿上，且測點(diǎn)主要布置于桿件跨中，由于現(xiàn)場防火要求高且不能長時間中斷生產(chǎn)，確定采用應(yīng)變片電測法測量應(yīng)變，桿件截面的應(yīng)變片布置，應(yīng)綜合考慮桿件截面特性和受力狀態(tài)等因素.

對重要控制點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力的監(jiān)測，為此對F、S、C桁架結(jié)構(gòu)需要監(jiān)測的桿件編號，確保各點(diǎn)在空間的位置按試驗(yàn)設(shè)計要求進(jìn)行定位，保證了桁架的整體準(zhǔn)確定位，進(jìn)行逐一檢查.由于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的測點(diǎn)布置數(shù)目較多，應(yīng)變數(shù)據(jù)同步采集性要求高，因而采用東京測器公司的TDS-530計算機(jī)應(yīng)變采集系統(tǒng)，可自動完成數(shù)據(jù)的實(shí)時處理與分析，以準(zhǔn)確控制實(shí)驗(yàn)精度，通過監(jiān)控，得到相應(yīng)荷載作用下的應(yīng)變數(shù)據(jù)(見表2).

(2)研究設(shè)備和儀器 桿件應(yīng)變測量由目前穩(wěn)定性最好的日本東京測器的TDS-530和東華DH3816靜態(tài)電阻應(yīng)變測量系統(tǒng)，由于機(jī)場范圍內(nèi)干擾源多，應(yīng)變測量采取了以下防干擾措施:①采用雙層屏蔽多芯導(dǎo)線進(jìn)行橋路測量;②采用高穩(wěn)定性應(yīng)變儀并進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)置;③屏蔽網(wǎng)接在應(yīng)變儀外殼接地點(diǎn)，接地點(diǎn)應(yīng)良好接地，對地絕緣電阻應(yīng)盡可能小;④應(yīng)變片與被測構(gòu)件的絕緣電阻需符合要求，這樣有效地抑制了電磁波和靜電干擾.

(3)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 在移動懸掛設(shè)備荷載作用下，重要桁架的應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果均小于有限元計算值，強(qiáng)度富余，結(jié)構(gòu)承載安全有保證，也能滿足眾多懸掛維修設(shè)備正常工作的要求.從表2中可以看出，大部分測點(diǎn)有限元計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較吻合.有些測點(diǎn)兩者差異略大，原因應(yīng)是結(jié)構(gòu)實(shí)為空間結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，特別是某些節(jié)點(diǎn)，例如F桁架與S桁架結(jié)合處的節(jié)點(diǎn)與桿件受力極為復(fù)雜，有限元的模擬是相當(dāng)?shù)暮喕?

表1 荷載實(shí)驗(yàn)位移值結(jié)果Table 1 Displacement statistics by Load experiment

表2 荷載實(shí)驗(yàn)應(yīng)變值結(jié)果表Table 2 Strain statistics by Load experiment

4 結(jié)論

在移動懸掛設(shè)備荷載作用下，整個結(jié)構(gòu)變形以S、C桁架最大.屋蓋桁架最大豎向計算撓度出現(xiàn)在C桁架跨中節(jié)點(diǎn)，該桁架靠近F桁架150 m跨跨中位置，其撓度為F、S、C三級桁架豎向變形相迭加的結(jié)果，實(shí)測撓度小于計算撓度，分別滿足規(guī)范對有軌道的工作平臺梁和吊車桁架容許撓度值L/600和L/500的要求，因此桁架剛度高于計算剛度，桁架也能滿足眾多懸掛維修設(shè)備正常工作的要求.

在移動懸掛設(shè)備荷載作用下，重要桁架的應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果均小于有限元計算值，桁架有一定的安全裕度，也能滿足眾多懸掛維修設(shè)備正常工作的要求.

通過對溫差作用的分析和實(shí)測，溫差作用引起桁架桿件縱向位移較大，對于大跨鋼桁架結(jié)構(gòu)，溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)縱向變形的影響很大.巨大溫度應(yīng)力導(dǎo)致鋼桁架端部與混凝土支柱結(jié)合處受力劣化.因此，對此類結(jié)構(gòu)，確定合適的施工安裝溫度十分重要，要盡量減少在使用期的結(jié)構(gòu)溫差，此外，屋面及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱設(shè)計可以減少溫差對結(jié)構(gòu)的不利影響.

近年來國內(nèi)飛機(jī)維修業(yè)發(fā)展迅速，民用航空維修機(jī)庫的跨度、規(guī)模都已躋身于世界前列.本工程為我國目前規(guī)模最大的桁架機(jī)庫，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，存在諸如結(jié)構(gòu)與種類繁多的懸掛維修設(shè)備、結(jié)構(gòu)與懸掛機(jī)庫大門、結(jié)構(gòu)與建筑造型的關(guān)系等特殊問題，通過對該工程的原型實(shí)驗(yàn)研究，可為國內(nèi)大跨度飛機(jī)維修機(jī)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計、使用提供有益的參考和借鑒.

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