某機場大跨度連跨鋼結構機棚優(yōu)化設計與研究

李旭，田偉，王立志，李杜宇

（中國人民解放軍95338 部隊，廣州510403）

1 工程簡介

某機場鋼結構工程位于貴陽市，工程結構長度為746m，由寬度52m×5，52m×2，52m×3，52m×4 的連跨機棚及3 個休息廳共7 部分組成，實際效果如圖1 所示。由于該機棚面積較大，單位面積用鋼量直接關系到項目成本，故需要對本機棚進行優(yōu)化設計與研究。

圖1 某機場大跨度連跨機棚照片

2 機棚結構選型分析

結構選型是結構設計的首要工作，結構形式對用鋼量影響較大，需要先對結構形式分析。根據(jù)建筑造型和使用要求，常用結構形式有管桁架結構、門式剛架結構、鋼網(wǎng)架結構等，然后分析3 種結構屋蓋的用鋼量[1,2]。管桁架用鋼量最小，門式剛架用鋼量最大，原因如下：（1）該建筑單體為兩面支承、兩面開敞的結構，結構單向受力明顯，空間整理受力性能良好的鋼網(wǎng)架結構發(fā)揮不出優(yōu)勢。（2）與網(wǎng)架結構相比,管桁架結構省去了下弦縱向桿件和網(wǎng)架的球節(jié)點。此外，其各方向穩(wěn)定性相同,節(jié)省了材料用量。（3）結構跨度52m 超過了門式剛架的適用范圍，門式剛架結構經(jīng)濟性較差，對于拱形結構，門式剛架的鋼梁制作亦較為復雜，不太適用。

綜上所述，最終結構選型為鋼柱+鋼管桁架結構。機棚采用三角形管桁架結構體系,管桁架上弦設水平支撐，沿縱向設置鋼桁架，休息廳采用鋼框架結構體系。

3 機棚柱距優(yōu)化設計

機棚結構設計中，橫向結構柱距布置對梁、柱及主鋼架、支撐系統(tǒng)等單位面積用鋼量有較大的影響。眾所周知，單位面積用鋼量是影響建筑經(jīng)濟性的一項重要指標。因此，由于條件所束，本文在此僅以機棚柱距為變量，以單位面積用鋼量為目標，以上述條件為約束條件對結構柱距進行優(yōu)化。限于篇幅，僅列出5 跨結構部分的分析結果。52m×5 跨結構計算模型如圖2 所示。本項目機棚大跨度鋼結構橫向劃分為6m、9m 及12m 3 個規(guī)劃距離。

圖2 52m×5 跨結構計算模型

梁柱及主鋼架等單位面積用鋼量與結構橫向柱距之間的關系如圖3 所示。根據(jù)圖3 可知，隨著柱距的增加，鋼柱、鋼梁及主鋼架單位用鋼量隨之降低，而柱距增加到12m 時，相應的用鋼量最低，經(jīng)過比較分析可知，機棚的梁柱等構件用鋼量與鋼柱距離有直接關系。

圖3 鋼柱鋼梁及主鋼架單位用鋼量與柱距關系

支撐柱之間的距離的變化對整個屋面的支撐系統(tǒng)有極大的影響，為此，確定合理的支撐系統(tǒng)的合理規(guī)劃，應注重經(jīng)濟柱距的設置。支撐系統(tǒng)的用鋼量與柱距關系曲線如圖4 所示。由圖4 可知，當柱距為6m 時，鋼結構鋼量使用量最?。讳撝酁?2m 時，鋼結構鋼量使用最大。支撐系統(tǒng)各個單位的面積使用中，鋼量的增長隨著柱間距的增大而增大；當柱距發(fā)生改變時，因柱距的變化直接影響整個機棚鋼結構支撐系統(tǒng)的用鋼量，并且隨著柱距的增大，機棚用鋼量也與其保持增長，此時，剛性系桿單位用鋼量較之于建設初期有明顯的變化，但是柱距支撐單位面積保持不變，而支撐系統(tǒng)面積用鋼量也因柱距變化有所增長。

綜合上述分析，建立以柱距為變量，以單位面積用鋼量為目標函數(shù)，并以此為基礎尋找其在解空間中的最優(yōu)點，以獲得更為經(jīng)濟的機棚設計方案。經(jīng)分析，機棚柱距取9m 時，其經(jīng)濟性最優(yōu)，且滿足機棚使用及安全性要求。結果說明，以優(yōu)化問題對機棚進行結構設計是可行的。

圖4 支撐系統(tǒng)構件與用鋼量關系

4 整體用鋼量優(yōu)化

在本工程，結構用鋼量計算除了考慮柱間距的影響，還要綜合以下2 個方面考慮：（1）管桁架寬度A和厚度B對整體用鋼量的影響；（2）溫度應力的克服對用鋼量的影響。

本機棚結構管桁架采用倒三角管桁架結構，其剖面圖如圖5 所示。由于建筑矢高確定為5m，結構設計時可供選擇的只有桁架寬度A和厚度B。管桁架的厚度與屋蓋的荷載及跨度有關，同時，該厚度也決定了屋蓋結構的豎向剛度，立體管桁架的厚度可取跨度的1/20～1/12[3]。分別選取了不同的A值與B值進行了試算比較，比較結果如表1 所示。

圖5 倒三角管桁架結構圖

表1 改變厚度B用鋼量變化表

從表1 可知，在改變厚度B的情況下，結構撓度均滿足設計要求，是因為結構為拱形造型，對抵抗豎向變形有利，同時，屋蓋本身荷載較小，計算絕對撓度較小。

由于結構為單向受力，管桁架的寬度A加大能增強屋蓋平面外剛度，對豎向受力無顯著影響。考慮到屋蓋整體剛度取決于屋面支撐的大小，因此，加大管桁架寬度A沒有必要，屋蓋用鋼量也隨著管桁架寬度的增加而增加?？紤]腹桿的相貫和搭接，其角度建議不應小于30°。在原設計中的屋蓋厚度為3.8m，優(yōu)化后成為2.78m。

本結構中，溫度應力對用鋼量的影響較大。局部設置了單向滑動支座（見圖6）。考慮建筑單體單方向超長，52m×5 的模型設計時比較了設置單向滑動支座對基礎及支承柱的影響，其中，模型1 未設置滑動支座，模型2 端部設置單向滑動支座，計算結果如表2 所示。

圖6 滑動支座

表2 設置滑動支座對結構的影響

由表2 可知，設置單向滑動支座的模型，溫度作用下其端部變形變化較小，增大了約20.8%，其結果能滿足正常使用需要。鋼柱截面及基礎大小影響更大，單根鋼柱用鋼量減小42.6%，單個基礎混凝土用量減少50%。

本工程機棚鋼結構原設計綜合用鋼量為2778t，主管桁架的用鋼量為2100t，其他結構為678t。優(yōu)化后，用鋼量為2124t，主管桁架的用鋼量為1104t，次桁架170t，其他結構為870t。

5 溫度應力綜合優(yōu)化方案

根據(jù)規(guī)范[4]可知，貴陽月最低平均溫度為-3℃，月最高月平均溫度為32℃，考慮合龍溫度10～15℃，計算溫差為22℃，設計時取溫差25℃。在原設計中，結構長度為746m，遠超過規(guī)范規(guī)定的150m[5]。本建筑單跨平面尺寸長度為52m×5=260m，溫度作用的影響不容忽視。大跨度結構均為超靜定結構，其溫度引起的變形受到約束，會產(chǎn)生附加的內(nèi)力，因此，必須在結構分析中考慮溫度的作用。

基于本工程為四面敞開式工程，溫差變化對結構整體設計的合理性最有重大影響，分采用如下結構優(yōu)化方案：

抗應力設計：原設計中14 跨機棚為整體設計，優(yōu)化設計在休息室處設置伸縮縫，大大減小應力釋放對整體結構的損害，增大了機棚整體安全性；在優(yōu)化設計中，根據(jù)建筑使用功能，最終結構分成了52m×5，52m×2，52m×3，52m×4，以及3 個獨立鋼框架，極大減小了溫度作用的影響。

屋面桁架整體移動性設計：原設計中桁架部分不能整體移動，設計優(yōu)化中使用單項滑動支座可使整體屋面作單向移動，保證在任何外力作用下屋面的應力釋放功能。

屋面桁架球連接設計：為保證整體屋面構件連接精度，對重要節(jié)點采用球結設計。

6 結論

從機棚鋼結構成本出發(fā)，基于機棚項目的經(jīng)濟性，對項目設計進行優(yōu)化。為了準確獲取實際數(shù)據(jù)，以便計算出最為合理的技術數(shù)據(jù)，通過對機棚建模并進行力學分析，并以柱距為變量，結構單位面積用鋼量為目標，總結隨著柱距變化，結構各部分單位面積用鋼量的變化規(guī)律，然后對結構給予優(yōu)化，篩選出最合理的結構，得出機棚最終優(yōu)化設計方案，進而實現(xiàn)項目成本的合理節(jié)約，最終對整個項目成本進行有效的控制。