石家庄机场改扩建工程结构设计

摘　要　本文用实际工程分析大跨度空间桁架结构的受力特性、构造连接。一些设计做法可作为类似工程的参考。

关键词　钢结构；钢桁架；空间结构

1　工程概况

石家庄机场是国内民用航空运输干线机场，是2008奥运会首都机场的主要备降场和分流机场之一，是河北省空中交通门户和对外开放的窗口。

T1航站楼改扩建工程是在原航站楼总建筑面积2.59万m2基础上，通过分期施工、重新安排流程组织等手段，在保证原有航站楼正常使用的前提下，新增建面积3万m2，扩建后新旧航站楼建筑面积约5.5万m2。T1航站楼效果图见图1。

图1 T1航站楼效果图

新建工程主体采用框架结构，地上2层，部分夹层3层，局部一层地下室，屋面部分采用三角桁架空间受力体系，详见图2屋面桁架平面图、图3屋面桁架立面图。屋面材料选用轻质锰镁压型钢板。对旧有航站楼进行立面及屋面改造，顺弧线延伸方向加设三角桁架。

图2 屋面桁架平面图

图3 屋面桁架立面图

2　屋面桁架空间体系

新建部分由8榀竖向倒三角桁架组成主要受力构件，端榀桁架间距9m，其余各榀间距18m，桁架跨度为52m，向陆侧方向悬挑12m，向空侧方向悬挑7.5m，见图2屋面桁架平面图。为考虑空间美观桁架平面呈梭形，支座最宽，中间较细，形状为梭形。最高榀桁架顶部距室外地面26.08m，距2层地面20.88m，最低榀桁架距室外地面16.976m，距2层地面11.77m。其他各榀桁架从低至高依次排列成流线型，见图3屋面桁架布置立面图。竖向桁架由3榀横向桁架连接，横向连接桁架及桁架上方屋面檩条、拉杆及支撑桁架直径1.2m钢管混凝土柱组成空间受力体系，见图4屋面桁架空间图。图5为框架及屋面桁架空间图，为保证整体立面风格，空间桁架由新建建筑向旧有建筑物延伸，在旧有建筑屋顶做短跨悬挑桁架，详见图2屋面桁架平面图。

图4 屋面桁架空间图

图5 框架及屋面桁架空间图

3　结构设计

3.1　结构设计基本概况

本工程结构设计基准期为50年，设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级，建筑抗震设防类别为重点设防，地基基础设计等级为甲级。

依据抗震规范，T1航站楼所属地区抗震设防烈度为6度，地震加速度值为0.05g，所属设计地震分组为第一组。按照河北省建设厅下发文件，冀建抗办〔2002〕02号，《河北省抗震防灾办公室关于贯彻执行〈中国地震动参数区画图〉的通知》，所建工程场地为正定县，抗震设防烈度为7度，地震加速度值为0.10g，所属设计地震分组为第一组。场地类别Ⅲ类，特征周期为0.40s，建筑抗震地段属可进行建设的一般场地。

屋盖钢桁架结构其布置平面内总长264.4m，总宽70.2m。整个屋面呈光滑圆弧过渡，本工程中所有主、次桁架弦杆、屋面主檩条及钢压杆均需做弯弧处理。本工程采用空间主桁架和弧形空间次桁架相结合的结构体系。空间主桁架直接支承结构主体的钢管混凝土柱顶上。为保证结构的整体稳定性，每榀主桁架之间有3榀空间次桁架连接，在主次桁架间设置有水平方向的柔性交叉支撑。

该结构自身重力荷载较轻，且位于郊区空旷地区，风荷载作用效用显著，计算所取基本风压值ω0＝0.35kN／m2，地面粗糙度为B类。风荷载体型系数按照封闭式拱形屋面取值，迎风面体形系数取＋0.8，拱形顶部取－0.8，背风面取－0.5；陆侧桁架悬挑12m处对于正面风体型系数＋1.0。其他荷载取值为：屋面恒载0.6kN／m2（包括上下层屋面板、屋面支撑、檩条、保温等），屋面活荷载0.5kN／m2，雪荷载0.35kN／m2（屋面为轻型结构，考虑半坡雪荷载对建筑不利影响）。

主要受力构件圆管采用材质均为Q345C直缝焊接钢管；所有钢板球、连接板、加劲板、预埋件等材质均采用Q345B；高强度螺栓均为10.9级摩擦型，锚栓均采用Q345锚栓，桁架支座销轴采用40Cr钢。上述材料均能满足结构体系受力要求。

3.2　结构计算分析

工程设计中桁架腹杆与主杆相连计算模型一般分为三种情况：铰接、半铰半刚接和刚接。铰接模型中腹杆为拉压二力杆；刚接模型中腹杆不仅受拉力或压力，而且会承受弯矩和剪力；半刚半角腹杆受力情况处于铰接和刚接之间。经计算分析比较，铰接模型中桁架腹杆受力较小，桁架主杆受力较大，桁架挠度较大；刚接模型中桁架腹杆受力较大，桁架主杆受力较小，桁架挠度较小。桁架腹杆和主杆相贯连接实际受力情况为半刚半铰接情况，且偏向于铰接情况，一般工程经验腹杆和主杆连接刚度系数取0.1～0.3。经综合考虑，这三种情况构件设计指标取包络值。

根据上述结构体系分析与荷载选取，确定钢桁架截面尺寸，详见图6、图7、图8。上弦主杆为325mm，壁厚16mm，下弦主杆为377mm，壁厚18mm，上弦弦间腹杆140mm，壁厚5.5mm，上弦桁架支座处最宽点4000mm，中部宽1850mm，桁架高度2890mm。经计算分析，恒载、活载、风载等不利工况组合下，取计算模型桁架腹杆和主杆铰接连接，桁架中部向下位移最大位移为97mm，竖向变形为结构总跨度1／536，满足《钢结构设计规范》的最大要求，且具有较大的刚度储备。

新建部分和旧有改造部分之间桁架抗震缝宽400mm，桁架由两个倒立三角形组成三角形桁架，截面尺寸详见图9。

图6 钢桁架截面尺寸

图7 钢桁架平面图

图8 钢桁架侧立面图

图9 新旧桁架相对位置图

结构体系计算采用SAP2000及PKPM公司SWATE两种程序进行计算分析。结构自振周期详见表1，结构体系在最大水平位移及剪重比详见表2。

表1 结构自振周期表

表2 结构体系的最大水平位移及剪重比

屋面构件的稳定性对于大跨度结构来说至关重要，良好的屋面支撑体系已成为这类结构设计关键问题之一。经计算分析，屋面竖向受力桁架稳定性由三条横向连接桁架来保证，并且支座处横向桁架也可较好地传递水平地震力，屋面檩条不仅向桁架传递屋面板竖向重量外还可起到增加屋面刚度的作用，檩条间斜拉杆撑杆和上述构件共同组成屋面支撑体系。屋面各种杆件布置详见图10。建筑专业对室内顶要求棚美观简洁，需要屋面的拉杆、檩条、撑杆等屋面支撑构造均埋藏于上下层屋面板间，只有横向三道连接桁架在室内可见，详见图11。为了完成上述要求，且保证有效的传递水平力，檩弦杆连接形式不能采用相贯连接，而采用檩条用连接托板与桁架连接，详见图12。

图10 屋面支撑体系平面图

图11 室内效果图

图12 桁架与桁架与檩条连接图

3.3　桁架支座设计

本工程虽然是轻型屋面体系，但是跨度大、两侧长悬挑，并且空间体型复杂造成支座受力复杂，见桁架支座内力表3，表中支座上拔力是在风荷载工况下出现的，其他支座水平和竖向力为最不利工况下的组合。桁架支座形式可以有两种选择。其一为焊接球支座，优点是加工简单，缺点是和支座受力模型假设出入较大，且焊接球需打断下弦受力主杆，使下弦主杆内力通过焊接球传递；其二为单项转动铰支座，优点是下弦杆传力途径直接，通过转动轴可有效释放支座弯矩，减小桁架内力，缺点是加工复杂造价较高。经过计算比较，最终确定采用转动铰支座形式，见图13。图中上下构件焊接复杂焊缝集中，故采用钢铸件，可以很好保证支座的安全性。

表3 桁架支座内力表

图13 支座详图

4　结语

石家庄机场T1航站楼自2008年投入使用后，经历过较大风荷载（每秒风速20m／s），超设计雪荷载（平均屋面积雪580mm，局部700mm），汶川地震传至石家庄地震波。在这些不利荷载下，结构体系始终处于弹性阶段，未发生任何塑性变形，结构构件没有任何损坏。这充分说明了上述结构设计充分保证了结构的安全性。