机场航站楼结构设计方案探讨

闫 毅

（广东省建筑设计研究院， 广州 510010）

1 工程概况

机场航站楼7度（0.10g）设防，设计地震分组第3组，设计使用年限100年，设计长度185m，宽度82.5m，柱采用钢筋混凝土柱，横向柱距15m、15m、20m，纵向柱距12m，主体最高点21.5m，结构采用Q345B， 屋顶为金属屋面。

本工程建筑结构安全等级为二级，结构设计基准期和使用年限为 50年， 建筑抗震设防类别为丙类，地基基础设计等级为丙类，抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组第3组，建筑场地类别Ⅱ类。

2 屋盖方案分析

机场航站楼屋盖采用轻钢屋面，且跨度较大。目前，在这种大跨度的屋盖中，常采用空腹式空间结构，其具有空间受力，刚度大，重量轻，造价低，外形美观、抗震性能好等优点。本工程选用网架和桁架两种空间结构进行对比分析。

2.1 网架方案

网架结构最大的特点是各根杆件之间的互相支撑作用，其整体性好，刚度比较大，抗震能力也较强，故本工程采用网架做对比分析，一般大跨度的网架高度常为短跨的1/14～1/20。

本工程跨度为 82.5m，根据工程经验，常做三层网架，最小高度为 4.1m，由于建筑造型决定，本工程中部为2层网架，高度2.7m。周边局部为4层网架，两端为2层网架，为了满足腹杆夹角要求[1]，网格尺寸为3m×3m，采用正放四角锥网架。

2.2 桁架方案

桁架结构具有造型简洁，流畅美观的效果，本工程采用横向桁架为主桁架，间距为6m，纵向为次桁架，桁架杆件为方钢管和矩形钢管，为了配合建筑造型要求，设3层桁架，每层桁架高度为2.7m。横向桁架上部放置檩条，檩条间距1.5m，间距3m设置隅撑，由于上弦杆失稳的横向力很小，檩条可约束上弦杆，隅撑可以约束下弦杆，所以本工程在建模的时候将上弦杆和下弦杆面外计算长度可以设置为3m考虑他们的作用，以降低用钢量。为了增强结构的水平刚度，间隔36m设置一道水平支撑，支撑采用圆钢，支管的长度与截面高度大于24，可将腹杆设置为铰接。

3 受力性能分析

3.1 荷载统计

屋盖荷载有屋面恒载、活载、风荷载组成：1）屋面恒载，除钢结构自重由计算程序按截面自动计入外，屋面板为铝镁锰合金板，考虑保温棉、吸引棉、檩条自重等取1.0KN/m2；2）屋面活载，根据《荷载规范》5.3.1条本工程取为 0.5KN/m2 ；3）吊顶活荷载 0.8KN/m2； 4）风荷载，1.0KN/m2 。

3.2 结构设计方法和标准

本工程采用3D3S建模，并进行各种工程组合的内力和位移分析，根据规范要求[1]，7度区可不考虑水平和竖向地震作用，本工程为大跨度结构，仅考虑水平地震作用，并考虑温度荷载作用，温度作用为-28至 37℃，主要满足构件的强度、刚度（长细比）、稳定性和挠度要求以及结构的挠度和柱顶水平位移要求[2]。

3.3 计算结果

3.3.1 模态分析

屋顶采用桁架的航站楼，第一振型为X向平动，周期为2.08s，第二振型为扭转，周期为1.58s，第三周期Y向平动，周期为1.45s，x向和Y向振型质量参与系数均大于90%，周期比为0.75，满足规范[2]；屋顶采用网架的航站楼，第一振型为X向平动，周期为2.05s，第二振型为Y向平动，周期为1.51s，第三周期Y向扭转，周期为1.47s，x向和Y向振型质量参与系数均大于90%，周期比为0.72，满足规范[2]。从模态分析的数据可知，屋顶采用网架的航站楼，扭转振型出现在高阶振型，反映了结构的抗扭刚度好，这与网架结构整体性好、空间刚度大有关。结构的自振频率和振型是结构的固有属性，只与结构的质量和刚度分布有关[3]，这说明屋顶采用网架的航站楼结构质量和刚度分布相对合理。

3.3.2 内力和变形分析

桁架屋盖组合应力比最大值为 0.89，荷载标准组合中悬挑端最大竖向位移为158mm ，相对挠跨比为 1/126，跨中挠度为 55mm ，相对挠跨比为 1/272。在各向风荷载作用下，柱顶最大位移为20mm，最大层间位移角为1/650。在各向地震作用下，柱顶最大位移为15mm，最大层间位移角为1/666。

网架屋盖组合应力比最大值为 0.86,荷载标准组合中悬挑端最大竖向位移为155mm ，相对挠跨比为 1/129，跨中挠度为 51mm ，相对挠跨比为 1/294。在各向风荷载作用下，柱顶最大位移为14mm，最大层间位移角为1/928。在各向地震作用下，柱顶最大位移为12mm，最大层间位移角为1/833。

经过对比分析可知，网架和桁架应力比、挠跨比、层间位移角等各项性能指标均满足规范要求[1，2]，但桁架的挠度和柱顶位移比网架的大，这与网架的空间刚度较强有关。

4 材料对比

桁架采用矩形钢管、材料Q345，根数7645根，最小杆件为方钢90x6.0，矩形钢1000×400×28×16，总重1312895kg。网架采用16945kg，材料Q345，根数16945根，最小规格为φ60x4，最大规格为φ560×10，杆件总重689504 Kg，节点重量大约占杆件总重的25%，网架总重约861880kg。桁架重量比网架重451015kg，取钢材价格4000元/吨，采用网架结构节省造价约180万。

5 施工可行性对比

施工方面，网架结构比桁架结构有更好的优势。桁架结构需要高空焊接，对焊缝的质量要求也比较高，相对来讲其工作量也比较大，对人员安全要求较高，焊渣掉落对车辆进出及人员进出也造成安全隐患，施工周期长。而网架结构可以在地面进行焊接，且不需要在现场进行施工，不需高空作业，最后采用整体吊装方法可以有效的减少现场施工安全隐患，施工周期短。

6 综合对比及建议

一个最优的结构方案，应考虑综合性的优点，他应该是便于施工安装，节省造价，和减少日后维修费等特点，更重要的是节省工期，提高竣工率和效率。网架和桁架的方案相比较，建议航站楼屋盖采用网架方案。

首先，桁架的整体重量较高，且施工复杂，桁架的杆件需预先按将要焊接的各杆件焊缝形状进行腹杆及弦杆的下料切割，工序复杂。其次，桁架结构刚度分布不均匀，且侧向刚度小，需要设置支撑，以抵抗纵向侧力，支撑按构造（长细比）要求确定截面，未能充分发挥支撑杆件的强度，而网架结构刚度大、空间整体性好、抗震性能性能好。最后，桁架结构平面传力，各处内力不均匀，杆件规格不一致，无法实现规格化生产。网架结构内力分布相对均匀，网架在它的杆件、螺栓球、焊接球、锥头、高强螺栓等已标准化、可节省施工工期。

7 结论

（1）网架和桁架这两种方案，建议机场航站楼屋盖采用网架方案。

（2）网架以扭转为主的振型则出现第三阶振型，说明网架比桁架空间刚度大，抗扭转刚度更大。

（3）网架比桁架材料耗费较少，经济性更好。

(4)网架杆件可实现规格化生产，施工简便，可采用高空散装法和整体吊装法，施工简便，节约施工周期。桁架则需要现场高空作业，且焊缝质量要求较高，施工周期长。

[1]空间网格结构技术规程：JGJ7-2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社，2010.

[2]建筑抗震设计规范：GB5011-2010（2016年版）[S]. 北京: 中国建筑工业出版社，2016.

[3]李斌.高层建筑模态分析方法的应用[D]. 上海：同济大学，2006.