吳一非（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東　廣州　510010）

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廣東省飛行大隊(duì)警用機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳一非（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510010）

廣東省飛行大隊(duì)警用直升機(jī)飛行保障基地機(jī)庫(kù)總長(zhǎng)度172m，南北跨度43m，機(jī)庫(kù)部分采用的是平面主次桁架、矩形鋼柱的全鋼結(jié)構(gòu)。本文主要介紹了機(jī)庫(kù)的結(jié)構(gòu)體系、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元數(shù)值分析。

結(jié)構(gòu)體系整體計(jì)算分析；有限元數(shù)值分析

1　工程概況

本工程為廣東省公安廳飛行大隊(duì)警用直升機(jī)飛行保障基地，位于廣州增城，目前是全國(guó)最大的警用飛機(jī)庫(kù)。保障基地的平面布局采用“機(jī)庫(kù)+指揮塔臺(tái)+機(jī)庫(kù)”的模式，由指揮塔臺(tái)和兩座機(jī)庫(kù)組成，機(jī)庫(kù)位于指揮塔臺(tái)兩側(cè)對(duì)稱布置。基地外輪廓為近似矩形，平面東西向長(zhǎng)172m，南北向?qū)挒?3m。兩側(cè)機(jī)庫(kù)分別與塔臺(tái)間設(shè)200mm寬防震縫，整個(gè)保障基地即由防震縫分為三個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元組成，本文主要介紹兩側(cè)機(jī)庫(kù)的設(shè)計(jì)情況。

2　機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)體系

直升機(jī)庫(kù)作為特殊的一類大跨度建筑，要求飛機(jī)庫(kù)具有跨度大以及高大空曠的特點(diǎn)，并且由于飛機(jī)出入機(jī)庫(kù)的需要，所以大門一側(cè)必須可以做到完全開(kāi)敞。為了滿足這一使用要求，而且能使得結(jié)構(gòu)可以對(duì)稱布置，本工程機(jī)庫(kù)采用8根矩形鋼管柱用于支承屋蓋，機(jī)庫(kù)北面、西面配合建筑窗墻布置布有若干抗風(fēng)柱，且東邊與混凝土結(jié)構(gòu)的指揮塔臺(tái)相接而布了兩根構(gòu)造鋼柱，南面為直升機(jī)出入大門，如圖1所示。抗風(fēng)柱和構(gòu)造鋼柱的柱頂與桁架相接部分設(shè)為鉸接并釋放豎向約束。屋蓋采用的是主次平面管桁架結(jié)構(gòu)，為增強(qiáng)屋蓋結(jié)構(gòu)的整體性，沿屋蓋周邊的上、下弦弦桿布置了回字形的水平剛性系桿及交叉圓鋼支撐。

圖1　一側(cè)機(jī)庫(kù)平面圖

為增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，在機(jī)庫(kù)西面、東面矩形鋼柱與相鄰的抗風(fēng)柱或構(gòu)造鋼柱間各設(shè)有兩道柱間交叉撐，在機(jī)庫(kù)南面、北面的中間兩根矩形鋼柱間設(shè)了一道柱間交叉撐，如圖2所示。

圖2　飛行保障基地實(shí)景圖

3　機(jī)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1設(shè)計(jì)條件及荷載計(jì)算

（1）本項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度（0.05g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

（2）基本風(fēng)為壓0.50kN/m2，地面粗糙度為B類。（由于緊鄰機(jī)庫(kù)東、西側(cè)有建筑，僅考慮南、北以及屋頂風(fēng)荷載）。

（3）屋面附加恒載0.40kN/m2，活載0.50kN/m2，以及±25℃溫度荷載。

（4）本項(xiàng)目風(fēng)荷載為50年一遇基本風(fēng)壓0.50kN/m2，柱頂高10m，機(jī)庫(kù)座落在一個(gè)山坡上，山坡高50m左右，風(fēng)壓高度變化系數(shù)考慮修正系數(shù)為2.0；體型系數(shù)取0.8+0.5，迎風(fēng)面、背風(fēng)面分別取0.80、0.50；

風(fēng)振系數(shù)=（1+1.5×0.42×1/1）=1.63

迎風(fēng)面風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值=1.63×0.8×2×0.5=1.30

背風(fēng)面風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值=1.63×0.5×2×0.5=0.82

背風(fēng)面風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值=1.63×0.6×2×0.5=0.98

3.2荷載及組合

附加恒載標(biāo)準(zhǔn)值為0.4kN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為上弦屋面0.5kN/m2，下弦吊掛0.1kN/m2；考慮±25℃的溫度作用，施工時(shí)溫度控制在15～20℃；基本風(fēng)壓為0.50kN/m2，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001，2006年版），屋面基本受風(fēng)吸力作用，端部適當(dāng)加大體型系數(shù)，機(jī)庫(kù)正、背面風(fēng)力作用與屋蓋同時(shí)考慮；考慮X、Y和Z向地震作用。

綜合以上荷載工況，計(jì)算過(guò)程中共考慮了39種荷載組合，主要荷載組合如下：

組合［1］1.2G+1.4Q

組合［2］1.35G+1.0Q

組合［3］1.0G+1.4W

組合［4、5］1.2G+1.4Q+1.4×0.6（±T）

組合［6、7］1.2G+0.7×1.4Q+1.4×0.6（±T）

組合［8］1.2GE+1.3EX+0.5EZ

組合［9］1.2GE+1.3EY+0.5EZ

3.3模型計(jì)算

模型計(jì)算采用MIDAS 7.8.0來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析。

屋頂采用圓鋼管平面桁架，主桁架高2.675m，次桁架由于結(jié)構(gòu)找坡，高度為2.675～3.2m，桁架的腹桿與弦桿采用鉸接，次桁架與主桁架連接也為鉸接，均采用相貫節(jié)點(diǎn)，腹桿及弦桿材質(zhì)均為Q235B無(wú)縫鋼管。支撐主桁架的8根立柱采用箱型焊接型鋼，其余抗風(fēng)柱采用H型鋼，立柱和抗風(fēng)柱的材質(zhì)均為Q345B。

由于在計(jì)算中需要釋放抗風(fēng)柱與桁架的豎向約束，所以采用兩個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算分析。模型1為屋頂桁架+8根箱形鋼柱，此模型符合桁架的邊界約束假定，于是模型用于計(jì)算屋頂?shù)蔫旒?，如“圖3屋頂桁架+8根箱形鋼柱模型（模型1）”所示。模型2為屋頂桁架+8根箱形鋼柱+抗風(fēng)柱，此模型符合鋼柱的實(shí)際受力狀況，用于鋼柱的計(jì)算，如“圖4屋頂桁架+8根箱形鋼柱+抗風(fēng)柱模型（模型2）”所示。

圖3　屋頂桁架+8根箱形鋼柱模型（模型1）

圖4　屋頂桁架+8根箱形鋼柱+抗風(fēng)柱模型（模型2）

支承屋蓋的8根矩形柱截面為700×500×15×30，抗風(fēng)柱采用HM300×200的H型鋼，材質(zhì)為Q345B。桁架采用Q235B無(wú)縫圓鋼管，主桁架弦桿尺寸為299×10，腹桿為159×6。次桁架弦桿的尺寸為245×8，腹桿為114×5。次桁架間均勻布有三榀水平支撐桁架，弦桿尺寸為159×6，腹桿為95×4。上下弦桿間的回字形交叉撐采用帶花籃螺絲的φ20圓鋼，柱間支撐采用φ30高強(qiáng)鋼拉桿。主桁架高度為2.68m，次桁架為2.68～3.20m。矩形柱采用外包混凝土柱腳，矩形柱內(nèi)還灌注C30混凝土至+ 1.20m標(biāo)高作防沖撞加強(qiáng)措施。屋蓋桁架總用鋼量約為114t，折算成單位用鋼量為43.10kg/m2。

3.4結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算分析得出，屋蓋最大豎向位移為-51.6mm，約為跨度的1/814，滿足規(guī)范關(guān)于大跨度屋蓋1/400撓度限值要求。屋蓋各構(gòu)件最大強(qiáng)度應(yīng)力比為0.70，矩形柱為0.48，滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云圖可得，弦桿以及腹桿的最大應(yīng)力為-119.5N/mm2和-144.32N/mm2，均小于Q235B鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215N/mm2，滿足計(jì)算要求。

圖5　弦桿桿應(yīng)力云圖

圖6　腹桿應(yīng)力云圖

4　關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元分析

本工程使用鋼管柱內(nèi)插置十字鋼板來(lái)連接桁架和鋼管柱，如圖7、圖8所示。這種節(jié)點(diǎn)的形式有別于與我們平時(shí)較為常用的桁架與柱頂鉸接的節(jié)點(diǎn)方式，這種內(nèi)插鋼板的連接方式有著以下優(yōu)點(diǎn)：①這種桁架與鋼管柱的剛接形式有助于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，使得結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度以及抗扭剛度都要優(yōu)于排架結(jié)構(gòu)的形式。②這種節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造相對(duì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)桁架的吊裝以及施工精度要求不高，比較容易實(shí)現(xiàn)，從而降低了施工難度，加快了施工進(jìn)度。

圖7　桁架與鋼管柱連接大樣平面圖

圖8　桁架與鋼管柱連接大樣剖面

相較于桁架與矩形鋼管中柱連接節(jié)點(diǎn)，桁架與矩形鋼管邊柱連接節(jié)點(diǎn)受力情況更為不利、應(yīng)力分布情況更為復(fù)雜，而且這個(gè)連接節(jié)點(diǎn)關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的安全性。于是根據(jù)整體模型的計(jì)算結(jié)果，額外對(duì)此處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析。節(jié)點(diǎn)分析采用有限元軟件ANSYS9.0，模型均采用shell181單元，節(jié)點(diǎn)所施加荷載為所有工況中的最不利內(nèi)力組合，十字節(jié)點(diǎn)板材質(zhì)為Q345B。

圖9　節(jié)點(diǎn)有限元模型及應(yīng)力分布云圖

從有限元分析的結(jié)果看，節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力大部分都在0.4f以下，只有次桁架受壓腹桿與節(jié)點(diǎn)板交接處局部較小區(qū)域應(yīng)應(yīng)力集中產(chǎn)生較大應(yīng)力，但對(duì)整體節(jié)點(diǎn)的安全性能沒(méi)有影響。從而判定設(shè)計(jì)滿足要求，結(jié)構(gòu)形式是合理和安全的。

5　結(jié)論

在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)體系的進(jìn)行了合理選擇，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度計(jì)算分析，并布置了水平系桿、交叉撐及柱間支撐以加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。詳細(xì)的分析以及設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)揮了材料的力學(xué)性能指標(biāo)，并且受力均衡合理。最后對(duì)桁架與矩形柱連接的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，確保了本工程的結(jié)構(gòu)安全。

本項(xiàng)目對(duì)機(jī)庫(kù)的選型和設(shè)計(jì)分析，并通過(guò)有限元軟件的分析研究，可以對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值和經(jīng)驗(yàn)。

［1］《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

［2］《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2008）［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

2016-6-22

TU391

A

2095-2066（2016）19-0183-02