閆 毅

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院， 廣州 510010）

1 工程概況

機(jī)場(chǎng)航站樓7度（0.10g）設(shè)防，設(shè)計(jì)地震分組第3組，設(shè)計(jì)使用年限100年，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度185m，寬度82.5m，柱采用鋼筋混凝土柱，橫向柱距15m、15m、20m，縱向柱距12m，主體最高點(diǎn)21.5m，結(jié)構(gòu)采用Q345B， 屋頂為金屬屋面。

本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和使用年限為 50年， 建筑抗震設(shè)防類別為丙類，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分組第3組，建筑場(chǎng)地類別Ⅱ類。

2 屋蓋方案分析

機(jī)場(chǎng)航站樓屋蓋采用輕鋼屋面，且跨度較大。目前，在這種大跨度的屋蓋中，常采用空腹式空間結(jié)構(gòu)，其具有空間受力，剛度大，重量輕，造價(jià)低，外形美觀、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。本工程選用網(wǎng)架和桁架兩種空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 網(wǎng)架方案

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是各根桿件之間的互相支撐作用，其整體性好，剛度比較大，抗震能力也較強(qiáng)，故本工程采用網(wǎng)架做對(duì)比分析，一般大跨度的網(wǎng)架高度常為短跨的1/14～1/20。

本工程跨度為 82.5m，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，常做三層網(wǎng)架，最小高度為 4.1m，由于建筑造型決定，本工程中部為2層網(wǎng)架，高度2.7m。周邊局部為4層網(wǎng)架，兩端為2層網(wǎng)架，為了滿足腹桿夾角要求[1]，網(wǎng)格尺寸為3m×3m，采用正放四角錐網(wǎng)架。

2.2 桁架方案

桁架結(jié)構(gòu)具有造型簡(jiǎn)潔，流暢美觀的效果，本工程采用橫向桁架為主桁架，間距為6m，縱向?yàn)榇舞旒?，桁架桿件為方鋼管和矩形鋼管，為了配合建筑造型要求，設(shè)3層桁架，每層桁架高度為2.7m。橫向桁架上部放置檁條，檁條間距1.5m，間距3m設(shè)置隅撐，由于上弦桿失穩(wěn)的橫向力很小，檁條可約束上弦桿，隅撐可以約束下弦桿，所以本工程在建模的時(shí)候?qū)⑸舷覘U和下弦桿面外計(jì)算長(zhǎng)度可以設(shè)置為3m考慮他們的作用，以降低用鋼量。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的水平剛度，間隔36m設(shè)置一道水平支撐，支撐采用圓鋼，支管的長(zhǎng)度與截面高度大于24，可將腹桿設(shè)置為鉸接。

3 受力性能分析

3.1 荷載統(tǒng)計(jì)

屋蓋荷載有屋面恒載、活載、風(fēng)荷載組成：1）屋面恒載，除鋼結(jié)構(gòu)自重由計(jì)算程序按截面自動(dòng)計(jì)入外，屋面板為鋁鎂錳合金板，考慮保溫棉、吸引棉、檁條自重等取1.0KN/m2；2）屋面活載，根據(jù)《荷載規(guī)范》5.3.1條本工程取為 0.5KN/m2 ；3）吊頂活荷載 0.8KN/m2； 4）風(fēng)荷載，1.0KN/m2 。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)

本工程采用3D3S建模，并進(jìn)行各種工程組合的內(nèi)力和位移分析，根據(jù)規(guī)范要求[1]，7度區(qū)可不考慮水平和豎向地震作用，本工程為大跨度結(jié)構(gòu)，僅考慮水平地震作用，并考慮溫度荷載作用，溫度作用為-28至 37℃，主要滿足構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度（長(zhǎng)細(xì)比）、穩(wěn)定性和撓度要求以及結(jié)構(gòu)的撓度和柱頂水平位移要求[2]。

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 模態(tài)分析

屋頂采用桁架的航站樓，第一振型為X向平動(dòng)，周期為2.08s，第二振型為扭轉(zhuǎn)，周期為1.58s，第三周期Y向平動(dòng)，周期為1.45s，x向和Y向振型質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，周期比為0.75，滿足規(guī)范[2]；屋頂采用網(wǎng)架的航站樓，第一振型為X向平動(dòng)，周期為2.05s，第二振型為Y向平動(dòng)，周期為1.51s，第三周期Y向扭轉(zhuǎn)，周期為1.47s，x向和Y向振型質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，周期比為0.72，滿足規(guī)范[2]。從模態(tài)分析的數(shù)據(jù)可知，屋頂采用網(wǎng)架的航站樓，扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在高階振型，反映了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度好，這與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體性好、空間剛度大有關(guān)。結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型是結(jié)構(gòu)的固有屬性，只與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布有關(guān)[3]，這說(shuō)明屋頂采用網(wǎng)架的航站樓結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布相對(duì)合理。

3.3.2 內(nèi)力和變形分析

桁架屋蓋組合應(yīng)力比最大值為 0.89，荷載標(biāo)準(zhǔn)組合中懸挑端最大豎向位移為158mm ，相對(duì)撓跨比為 1/126，跨中撓度為 55mm ，相對(duì)撓跨比為 1/272。在各向風(fēng)荷載作用下，柱頂最大位移為20mm，最大層間位移角為1/650。在各向地震作用下，柱頂最大位移為15mm，最大層間位移角為1/666。

網(wǎng)架屋蓋組合應(yīng)力比最大值為 0.86,荷載標(biāo)準(zhǔn)組合中懸挑端最大豎向位移為155mm ，相對(duì)撓跨比為 1/129，跨中撓度為 51mm ，相對(duì)撓跨比為 1/294。在各向風(fēng)荷載作用下，柱頂最大位移為14mm，最大層間位移角為1/928。在各向地震作用下，柱頂最大位移為12mm，最大層間位移角為1/833。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可知，網(wǎng)架和桁架應(yīng)力比、撓跨比、層間位移角等各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[1，2]，但桁架的撓度和柱頂位移比網(wǎng)架的大，這與網(wǎng)架的空間剛度較強(qiáng)有關(guān)。

4 材料對(duì)比

桁架采用矩形鋼管、材料Q345，根數(shù)7645根，最小桿件為方鋼90x6.0，矩形鋼1000×400×28×16，總重1312895kg。網(wǎng)架采用16945kg，材料Q345，根數(shù)16945根，最小規(guī)格為φ60x4，最大規(guī)格為φ560×10，桿件總重689504 Kg，節(jié)點(diǎn)重量大約占桿件總重的25%，網(wǎng)架總重約861880kg。桁架重量比網(wǎng)架重451015kg，取鋼材價(jià)格4000元/噸，采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)省造價(jià)約180萬(wàn)。

5 施工可行性對(duì)比

施工方面，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比桁架結(jié)構(gòu)有更好的優(yōu)勢(shì)。桁架結(jié)構(gòu)需要高空焊接，對(duì)焊縫的質(zhì)量要求也比較高，相對(duì)來(lái)講其工作量也比較大，對(duì)人員安全要求較高，焊渣掉落對(duì)車(chē)輛進(jìn)出及人員進(jìn)出也造成安全隱患，施工周期長(zhǎng)。而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可以在地面進(jìn)行焊接，且不需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工，不需高空作業(yè)，最后采用整體吊裝方法可以有效的減少現(xiàn)場(chǎng)施工安全隱患，施工周期短。

6 綜合對(duì)比及建議

一個(gè)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，應(yīng)考慮綜合性的優(yōu)點(diǎn)，他應(yīng)該是便于施工安裝，節(jié)省造價(jià)，和減少日后維修費(fèi)等特點(diǎn)，更重要的是節(jié)省工期，提高竣工率和效率。網(wǎng)架和桁架的方案相比較，建議航站樓屋蓋采用網(wǎng)架方案。

首先，桁架的整體重量較高，且施工復(fù)雜，桁架的桿件需預(yù)先按將要焊接的各桿件焊縫形狀進(jìn)行腹桿及弦桿的下料切割，工序復(fù)雜。其次，桁架結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻，且側(cè)向剛度小，需要設(shè)置支撐，以抵抗縱向側(cè)力，支撐按構(gòu)造（長(zhǎng)細(xì)比）要求確定截面，未能充分發(fā)揮支撐桿件的強(qiáng)度，而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)剛度大、空間整體性好、抗震性能性能好。最后，桁架結(jié)構(gòu)平面?zhèn)髁?，各處?nèi)力不均勻，桿件規(guī)格不一致，無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)格化生產(chǎn)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布相對(duì)均勻，網(wǎng)架在它的桿件、螺栓球、焊接球、錐頭、高強(qiáng)螺栓等已標(biāo)準(zhǔn)化、可節(jié)省施工工期。

7 結(jié)論

（1）網(wǎng)架和桁架這兩種方案，建議機(jī)場(chǎng)航站樓屋蓋采用網(wǎng)架方案。

（2）網(wǎng)架以扭轉(zhuǎn)為主的振型則出現(xiàn)第三階振型，說(shuō)明網(wǎng)架比桁架空間剛度大，抗扭轉(zhuǎn)剛度更大。

（3）網(wǎng)架比桁架材料耗費(fèi)較少，經(jīng)濟(jì)性更好。

(4)網(wǎng)架桿件可實(shí)現(xiàn)規(guī)格化生產(chǎn)，施工簡(jiǎn)便，可采用高空散裝法和整體吊裝法，施工簡(jiǎn)便，節(jié)約施工周期。桁架則需要現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)，且焊縫質(zhì)量要求較高，施工周期長(zhǎng)。

[1]空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ7-2010[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB5011-2010（2016年版）[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

[3]李斌.高層建筑模態(tài)分析方法的應(yīng)用[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.