廣東省飛行大隊警用機庫結構設計

吳一非（廣東省建筑設計研究院，廣東　廣州　510010）

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廣東省飛行大隊警用機庫結構設計

吳一非（廣東省建筑設計研究院，廣東廣州510010）

廣東省飛行大隊警用直升機飛行保障基地機庫總長度172m，南北跨度43m，機庫部分采用的是平面主次桁架、矩形鋼柱的全鋼結構。本文主要介紹了機庫的結構體系、整體結構設計計算，對關鍵節點進行了有限元數值分析。

結構體系整體計算分析；有限元數值分析

1　工程概況

本工程為廣東省公安廳飛行大隊警用直升機飛行保障基地，位于廣州增城，目前是全國最大的警用飛機庫。保障基地的平面布局采用“機庫+指揮塔臺+機庫”的模式，由指揮塔臺和兩座機庫組成，機庫位于指揮塔臺兩側對稱布置?；赝廨喞獮榻凭匦?，平面東西向長172m，南北向寬為43m。兩側機庫分別與塔臺間設200mm寬防震縫，整個保障基地即由防震縫分為三個獨立的結構單元組成，本文主要介紹兩側機庫的設計情況。

2　機庫結構體系

直升機庫作為特殊的一類大跨度建筑，要求飛機庫具有跨度大以及高大空曠的特點，并且由于飛機出入機庫的需要，所以大門一側必須可以做到完全開敞。為了滿足這一使用要求，而且能使得結構可以對稱布置，本工程機庫采用8根矩形鋼管柱用于支承屋蓋，機庫北面、西面配合建筑窗墻布置布有若干抗風柱，且東邊與混凝土結構的指揮塔臺相接而布了兩根構造鋼柱，南面為直升機出入大門，如圖1所示。抗風柱和構造鋼柱的柱頂與桁架相接部分設為鉸接并釋放豎向約束。屋蓋采用的是主次平面管桁架結構，為增強屋蓋結構的整體性，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　一側機庫平面圖

為增強整體結構的抗側剛度，在機庫西面、東面矩形鋼柱與相鄰的抗風柱或構造鋼柱間各設有兩道柱間交叉撐，在機庫南面、北面的中間兩根矩形鋼柱間設了一道柱間交叉撐，如圖2所示。

圖2　飛行保障基地實景圖

3　機庫結構設計計算

3.1設計條件及荷載計算

（1）本項目抗震設防烈度為Ⅵ度（0.05g），設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。

（2）基本風為壓0.50kN/m2，地面粗糙度為B類。（由于緊鄰機庫東、西側有建筑，僅考慮南、北以及屋頂風荷載）。

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

（4）本項目風荷載為50年一遇基本風壓0.50kN/m2，柱頂高10m，機庫座落在一個山坡上，山坡高50m左右，風壓高度變化系數考慮修正系數為2.0；體型系數取0.8+0.5，迎風面、背風面分別取0.80、0.50；

風振系數=（1+1.5×0.42×1/1）=1.63

迎風面風荷載標準值=1.63×0.8×2×0.5=1.30

背風面風荷載標準值=1.63×0.5×2×0.5=0.82

背風面風荷載標準值=1.63×0.6×2×0.5=0.98

3.2荷載及組合

附加恒載標準值為0.4kN/m2，活荷載標準值為上弦屋面0.5kN/m2，下弦吊掛0.1kN/m2；考慮±25℃的溫度作用，施工時溫度控制在15～20℃；基本風壓為0.50kN/m2，根據《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001，2006年版），屋面基本受風吸力作用，端部適當加大體型系數，機庫正、背面風力作用與屋蓋同時考慮；考慮X、Y和Z向地震作用。

綜合以上荷載工況，計算過程中共考慮了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模型計算

模型計算采用MIDAS 7.8.0來進行計算分析。

屋頂采用圓鋼管平面桁架，主桁架高2.675m，次桁架由于結構找坡，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，均采用相貫節點，腹桿及弦桿材質均為Q235B無縫鋼管。支撐主桁架的8根立柱采用箱型焊接型鋼，其余抗風柱采用H型鋼，立柱和抗風柱的材質均為Q345B。

由于在計算中需要釋放抗風柱與桁架的豎向約束，所以采用兩個模型進行計算分析。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，于是模型用于計算屋頂的桁架，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+抗風柱，此模型符合鋼柱的實際受力狀況，用于鋼柱的計算，如“圖4屋頂桁架+8根箱形鋼柱+抗風柱模型（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，抗風柱采用HM300×200的H型鋼，材質為Q345B。桁架采用Q235B無縫圓鋼管，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，矩形柱內還灌注C30混凝土至+ 1.20m標高作防沖撞加強措施。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結構計算結果

計算分析得出，屋蓋最大豎向位移為-51.6mm，約為跨度的1/814，滿足規范關于大跨度屋蓋1/400撓度限值要求。屋蓋各構件最大強度應力比為0.70，矩形柱為0.48，滿足強度要求。根據計算結果的應力云圖可得，弦桿以及腹桿的最大應力為-119.5N/mm2和-144.32N/mm2，均小于Q235B鋼材的強度設計值215N/mm2，滿足計算要求。

圖5　弦桿桿應力云圖

圖6　腹桿應力云圖

4　關鍵節點有限元分析

本工程使用鋼管柱內插置十字鋼板來連接桁架和鋼管柱，如圖7、圖8所示。這種節點的形式有別于與我們平時較為常用的桁架與柱頂鉸接的節點方式，這種內插鋼板的連接方式有著以下優點：①這種桁架與鋼管柱的剛接形式有助于增強結構的整體性，使得結構的整體抗側剛度以及抗扭剛度都要優于排架結構的形式。②這種節點的構造相對比較簡單，對桁架的吊裝以及施工精度要求不高，比較容易實現，從而降低了施工難度，加快了施工進度。

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點，桁架與矩形鋼管邊柱連接節點受力情況更為不利、應力分布情況更為復雜，而且這個連接節點關系到整體結構的安全性。于是根據整體模型的計算結果，額外對此處節點進行了有限元分析。節點分析采用有限元軟件ANSYS9.0，模型均采用shell181單元，節點所施加荷載為所有工況中的最不利內力組合，十字節點板材質為Q345B。

圖9　節點有限元模型及應力分布云圖

從有限元分析的結果看，節點區的應力大部分都在0.4f以下，只有次桁架受壓腹桿與節點板交接處局部較小區域應應力集中產生較大應力，但對整體節點的安全性能沒有影響。從而判定設計滿足要求，結構形式是合理和安全的。

5　結論

在設計過程中對結構體系的進行了合理選擇，對整體結構進行了強度、剛度計算分析，并布置了水平系桿、交叉撐及柱間支撐以加強整體結構的穩定性。詳細的分析以及設計使得結構構件發揮了材料的力學性能指標，并且受力均衡合理。最后對桁架與矩形柱連接的關鍵節點進行了有限元分析，確保了本工程的結構安全。

本項目對機庫的選型和設計分析，并通過有限元軟件的分析研究，可以對類似工程的設計和應用提供一定的參考價值和經驗。

［1］《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）［S］.北京：中國建筑工業出版社.

［2］《建筑抗震設計規范》（GB50011-2008）［S］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

2016-6-22

TU391

A

2095-2066（2016）19-0183-02