摘 要

珠海航展中心配套服务设施提升工程(一期)(简称“珠海航展馆”)位于广东省珠海市珠海机场东侧，拟建建筑包括9、10、11号展览馆(图1)。总建筑面积约40000 m²。平面尺寸为336 m×80 m，最高高度28.8 m。本工程展馆属于中型展览建筑，展厅等级按展览面积划分为乙级。

图1 珠海新航展馆效果

航展馆平日作为停放飞机库使用，按照使用需求，可满足B737-800型C类飞机并排停放6架，交叉停放9架的需求；机库门正上方设置贵宾厅，存在上人荷载。

航展馆屋盖造型新颖，柱位规整，且屋盖结构外露可见，结合本工程的建筑特点，设计优选了建筑美观、受力合理的结构形式——空间四角锥网架+桁架组合体系。航展馆结构分为辅房混凝土结构、入口巨型桁架和屋面钢屋盖。屋面总长度为336 m，分两道结构缝，各个子块的结构长度分别为106，124，106 m(图2、图3)。其中辅房混凝土结构地上四层，屋面标高21.000 m；入口桁架位于机库门正上方，桁架跨度72 m，每个子结构分别由两个巨型桁架柱支撑(图4)；屋面网架跨度58.8 m，一侧支撑于辅房混凝土结构屋面上，一侧与巨型桁架梁连接，山墙部分另有钢柱支撑屋盖结构(图5)。屋面结构最高标高为27.700 m。

图2 结构平面 m

图3 结构三维轴测

图4 入口贵宾厅桁架结构立面 m

图5 结构典型剖面

2.1结构主要设计参数

本工程展览馆设计使用年限和结构设计基准期均为50 a；根据GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》第6.0.7条，本工程展览馆抗震设防类别为重点设防类(乙类)；钢筋混凝土结构和钢结构安全等级均为一级。抗震设防烈度为7度(0.10g)，第一组，抗震措施均按8度考虑，框架结构抗震等级为一级，钢结构抗震等级为三级，地基基础设计等级为甲级，耐火等级为一级，屋面防水等级为一级。

2.2竖向荷载

本工程金属屋面采用铝镁锰屋面，屋面恒载为1.0 kN/m²，不上人屋面活荷载为0.5 kN/m²；下弦吊挂荷载(管线活荷载)为0.1 kN/m²(上弦风管荷载另加)，不设马道。每个下弦节点预留下挂吊点活荷载3 kN。

对于机库门正上方的高位VIP厅(钢桁架标高16.000 m标高)附加恒荷载2.0 kN/m²；活荷载2.5 kN/m²(隔墙荷载另加)。

2.3 竖向荷载传力分析

类比于国内其他机库结构，本项目最显著的特点是机库门上方的入口桁架具有上人功能。这在结构设计和具体传力路径上具有显著的特殊性，主要有以下特点：

1)重力荷载比例分配。经统计，网架部分的总重力荷载(自重+恒载+活载)为67560 kN，占钢结构总重力荷载的40%，入口桁架梁柱部分的总重力荷载为101280 kN,占钢结构总重力荷载的60%。对于传统机库，机库门上方的入口桁架(或张弦结构)一般仅作为支撑结构的一部分，自身并无含使用需求的竖向荷载。

2)屋盖传力比例分配。本屋盖结构一端支撑于辅房混凝土柱顶上，另外一侧支撑于入口巨型桁架梁柱上，山墙面也兼做屋盖网架的竖向支撑。由于支撑结构刚度的不同，对于网架来说，其传力路径并不会按比例分配。经统计，对于屋盖网架的所有重力荷载，其传至桁架梁柱的内力比例为60.6%，传至山墙侧的内力比例为3.7%，传至辅房混凝土柱顶的内力比例为35.7%(图6)。即屋盖总荷载的85%(60%+40%×60.6%)由入口桁架承担。

图6 屋面网架重力荷载传力路径

3)网架传至辅房的内力基本沿网架短跨方向均匀传递，而传至入口桁架的内力在靠近桁架梁处时迅速往两边有桁架柱的位置传递，这导致靠近桁架位置网架的非跨度方向的弦杆承担了很多内力。在结构设计过程中，采用人工干涉网架传力力流理念，对靠近机库门附近的网架横向弦杆进行局部抽空，利用刚度效应使得屋盖传力力流优先传至巨型桁架结构，满足力流控制需要。

2.4 风荷载

本工程濒临海边，且属台风高发区，项目位置背山临海，更属抗风不利位置。根据广东省DBJ 15-101—2014《建筑结构荷载规范》附图E.5-1 ，全省基本风压分布值取其基本风压，该地区风荷载与上下川岛在同一取值范围，主体结构承载力按100 a重现期的基本风压1.1 kPa进行设计(风敏感建筑)，变形验算按50 a重现期的基本风压0.95 kPa。

根据业主意见，风压取值需满足17级台风风速60～65 m/s的要求，本工程按照风压分布线取值，按1.1 kPa设计，换算成气象学的风速，最大可承受62.9 m/s的瞬时最大风速，能够满足业主要求。

由本工程结构特点可知，机库门的开启方式对风荷载取值有着重大影响，因此本工程风洞试验须给出以下4个工况的风洞试验结果：1)所有机库门均关闭状态；2)所有机库门均开启状态；3)边跨机库门开启、中间跨机库门关闭状态；4)边跨机库门关闭、中间跨机库门开启状态。

针对不同工况的风洞试验，得出不同分区(图7)的等效风压结果,并对不同风压的风洞结果进行评估分析(表1)，可发现相对于采用机库门完全关闭的工况1，机库门开启或半开启的屋面负风压均会有不同程度的提高，其中大面区和高风压区增加幅度较大，风敏感区风压也略有增加。

表1 不同风洞试验工况等效负风压比较

图7 屋面风压分区

由于本项目屋盖下弦吊挂大量空调风管，如在强台风作用下不可避免引起这些吊挂设备的晃动。同时考虑到本机库非维修机库，非航展期间基本上保持关闭。因此，从实际使用需求和经济性考量，业主决定采用管理手段确保在高于8级风情况下，本工程机库门保持关闭状态。因此，本工程具体计算分析以采用风洞试验工况1的结果为主，并结合规范取值包络设计。

2.5变形控制标准

根据JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》3.5.1条和GB 50017—2017《钢结构设计标准》附录B.2.4条的相关规定，本工程屋盖结构挠跨比限值为1/250。由于机库门对桁架变形要求较高，且为上人屋面，本工程入口桁架挠跨比限值为1/500，且须通过起拱措施改善使用条件，确保机库门正常使用和安装。

2.6结构分析软件及阻尼比

采用3D3S V14.1对屋面钢结构和入口桁架进行整体结构分析，并采用MIDAS/Gen对结构计算进行复核。下部混凝土结构与屋盖钢结构的阻尼比不同，其中，混凝土构件阻尼比取0.05，钢构件取0.02。

本结构相比与其他结构有以下显著特点：1)入口机库门上方为大跨度桁架结构；2)机库门正上方由于建筑使用功能的要求，须设置贵宾厅满足上人要求，较传统机库结构荷载大大增加。因此本工程从设计伊始就针对结构特点进行选型，力求寻找一个经济、合理、传力直接的体系。

3.1屋盖网架与桁架做法对比

根据本工程特点，采用倒三角空间立体桁架方案(图8)，桁架高度5 m，上弦宽度3 m，桁架间距12 m。网架方案与桁架方案的对比结果见表2，表中D为恒荷载，L为活荷载，W为风荷载。

图8 桁架方案结构模型

表2 网架方案和桁架方案计算结果

由表2的对比结果可知：1)采用屋盖桁架方案时，结构用钢量较网架方案增加约40%～50%，经济效益不明显。2)因考虑桁架方案会造成檩条跨度增大，檩条用钢量增加约10 kg/m²。3)本工程功能为展馆，须在较密区域预留下挂动荷载，采用桁架方案间距为12 m，很难满足现场布展需要。若满足需要，则要加做1道下弦檩条层，又会增加用钢量。4)从计算结果看，桁架方案X向刚度偏柔。相同高度下，桁架方案变形比网架方案大。5)网架结构是空间超静定结构，而桁架为单向受力结构，网架结构防连续倒塌能力较桁架结构强。6)从现场施工角度看，单榀立体桁架存在大量高空相贯焊，影响现场施工进度。综上，建议采用网架方案，满足实际使用需求和经济需求。

3.2屋盖分缝做法对比

本结构屋盖长度336 m，超过300 m。根据超限细则，属屋盖超长超限结构。因此，针对本工程是否设置结构缝以及网架网格布置形式(图9、图10)进行比较，分为4种方案：1)斜交正放四角锥，不分缝方案；2)斜交正放四角锥，分缝方案；3)正交正放四角锥，不分缝方案；4)正交正放四角锥，分缝方案。

图9 正交正放网架网格

图10 斜交正放网架网格

1)经济指标对比。采用方案1和方案4经济指标更为明显，网架用钢量均在80 kg/m²左右，其他方案约多10%～15%。

2)从表3结果看，方案2斜交正放分缝方案中各个单体振型模态不协调，且分缝处两侧变形差异过大，加大变形缝处漏水隐患。方案3短向弦杆承担内力过大，长向弦杆过长，很难帮助网架承担竖向荷载。

表3 屋盖分缝计算结果

3)从温度产生的轴力看，分缝方案主桁架最大轴力为不分缝方案的60%。采用分缝方案能够有效降低温度影响。

4)建筑和屋面系统的分缝处应采取相关措施，解决防水问题。

综上，综合造价和施工进度原因建议采用方案4的正交正放网架分缝方案。

3.3网架高度对比

一般而言，建筑专业希望网架尽量扁平，结构专业从受力方面则希望网架高度尽量高。但是实际上，网架高度往往受网格分格、杆件角度、荷载大小、变形限值等方面影响，尤其是杆件长细比影响，并不是网架越高越经济。针对本工程不同网架高度进行经济性和适用性比对，选取4.0，4.5，5.0,5.5，6.0 m的5种不同网架高度，计算结果如表4所示。对本工程各高度的网架均进行软件优选，保证其应力比满足规范要求。由表4可知，对本工程各高度的网架均进行软件优选过程，保证其应力比满足规范要求；随着网架高度的降低，由恒+活或恒+风产生的位移越来愈大，网架4.0 m时变形已不满足规范要求；从用钢量而言，不同高度下网架用钢量基本保持在一个量级上，这个是因为网架高度过高，虽可以有效改善变形，但大部分腹杆杆件长度过长，受网架长细比控制的杆件个数显著增多，一定程度上抵消了因受力引起的网架用钢量增加；各种网架高度下，机库大门上方的主桁架变形基本保持在1/700～1/800之间，具有足够的刚度避免对机库大门的影响。

表4 不同网架高度计算结果对比

综上所述，建议网架高度为5 m，能够有效控制屋面网架变形(L/374,L为跨度)，且用钢量适中。

3.4网架螺栓球和焊接球做法对比

对于中小跨度的网架一般采用螺栓球节点，而对于大跨度网架采用焊接球或者栓焊混合节点。本工程中网架净跨度58.8 m，对两种节点的网架受力进行分析，同时考虑功能及其他影响：1)若根据网架受力按螺栓球节点计算，有一半以上规格超过φ300螺栓球，须采用焊接球处理。2)本工程功能为展馆，须预留下挂动荷载，不建议采用螺栓球节点。3)根据内力计算，有较多杆件受力超过1000 kN，超过M64甚至M85高强螺栓的极限抗拉压承载力。4)本工程网架拟采用地面组装整体提升方案，在吊装过程中用焊接球做法更为可靠，其施工过程中的挠度梁相对可控。5)本工程地处台风高发地区，杆件受力拉压变向频繁，若采用螺栓球节点，容易产生疲劳问题。

综上，建议屋面网架整体采用焊接球节点，其中与大桁架弦杆之间采用相贯焊。

4.1主要截面和材质

本工程机库所在位置采用空间管桁架结构，结构跨度为72 m，桁架钢柱主要为圆形截面，截面范围φ500×20～φ800×40，山墙位置钢柱为箱型截面，截面为B600×1000×25×25，桁架梁杆件为圆形截面，截面范围为φ299×10～φ800×40，材质主要为Q420B和Q355B两种。

网架为正交正放四角锥网架，采用焊接球节点，焊接球共计5个规格，最大规格为WSR5522，杆件为无缝钢管，最大规格为P273×16，材质均为Q345B。桁架与格构柱牛腿连接，网架一端通过球型铰支座固定于混凝土辅房上，一端与桁架顶端连接。本工程钢结构用钢量约5000 t，其中网架部分约1500 t，平均用钢量约62 kg/m²，桁架部分由于大跨度和荷载原因，用钢量较大，约3500 t。

4.2振型模态分析

振型模态分析采用多重Ritz向量法，采用60个振型进行计算，各向质量参与系数均大于90%，满足GB 50011—2011《建筑抗震设计规范》的要求(图11～图13)。

图11 整体模型(T₁=0.958 s，Y向平动)

图12 整体模型(T₂=0.934 s，Y向平动)

图13 整体模型(T_Z=0.499 s，第1阶竖向振动)

4.3屋盖变形分析

在D+L标准组合下，屋盖最大下挠142.322 mm(图14)，挠跨比1/4 141，满足挠跨比小于1/250的要求。在D+W标准组合下，屋盖最大上挠74.35 mm(图15)，挠跨比1/790，满足挠跨比小于1/250的要求。在竖向地震单工况作用下，屋盖最大挠度1.5 mm(图16)，远低于D+L组合或D+W组合，说明本项目竖向地震非控制工况。在机库门方向的风荷载作用下，屋盖最大水平位移为93.457 mm(图17)，侧移比为1/296<1/250，满足GB 50017—2017要求。对于72 m主桁架，其在D+L标准组合下，最大挠度为92.717 mm(图18)，挠跨比为1/806,远小于GB 50017—2017。同时，为了机库门精确安装，要求对主桁架进行适当预起拱措施。

图14 屋面网架在D+L工况下的竖向位移 mm

图15 屋面网架在D+W工况下的竖向位移 mm

图16 屋面网架在竖向地震单工况下的竖向位移 mm

图17 整体结构在水平风荷载下的水平Y向位移 mm

图18 主桁架在D+L工况下的竖向位移 mm

4.4构件设计结果

在多遇地震作用下，构件承载力验算满足要求(图19和图20)。

图19 网架部分设计应力比(最大0.805)

图20 桁架部分设计应力比(最大0.893)

根据本项目的性能目标，应保证在罕遇地震组合作用下(不考虑风荷载和温度荷载),关键受力构件应力比不大于1.1。对于网架部分，局部腹杆(共5根)应力比超过1.1，关键构件(弦杆)均满足性能目标要求(图21)；对于桁架部分，局部桁架腹杆应力比超1.1，关键构件(桁架梁柱弦杆)均满足性能目标要求(图22)。

图21 网架部分罕遇地震组合应力比(最大1.34)

图22 桁架部分罕遇地震组合应力比(最大1.68)

本项目设置上人贵宾厅是相比于国内其他机库结构的最大显著特点。针对上人贵宾厅，其振动加速度直接影响整体振动舒适性评价。根据JGJ/T 441—2019《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》的4.2.1节，竖向振动加速度峰值不应超过0.150 m/s²。

对步行荷载采用“连续步行(IABSE)”模型，分别对大跨度桁架的中部和悬挑端进行分析(图23)。舒适行走(行人密度<1人/m²)同时考虑贵宾厅楼盖的实际活动空间(宽度14.6 m)，设置分析的最大同步人数为10人。假定10人同时分别从贵宾厅楼面中线(行走路线1)和室外阳台边缘结构悬挑位置(行走路线2)行走贯穿贵宾厅。

图23 不同行走路线位置

根据分析结果，行走路线1的加速度峰值为0.0034 m/s²(图24)，行走路线2的加速度峰值为0.0302 m/s²(图25)，两者均满足峰值加速度限值要求。阳台边缘振动加速度较贵宾厅中线振动加速度显著增加，同时对于入口桁架的跨中段和悬挑段振动加速度显著增加，符合结构特点。人行荷载引起的楼面响应十分微小，贵宾厅的舒适性能得到足够保障，舒适度满足设计规范的要求。

图24 人群连续步行的加速度时程曲线(行走路线1)

图25 人群连续步行的加速度时程曲线(行走路线2)

防腐做法：喷砂除锈Sa2.5级，且满足GB 8923—88《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》，表面粗糙度Rz为30～75 μm，底漆或金属覆盖层采用无机富锌底漆，干膜厚度或镀层厚度80 μm(2遍)，封闭漆采用环氧树脂，干膜厚度30 μm(1遍)，中间漆采用环氧云铁中间漆，干膜厚度100 μm(2遍)，桁架面漆为丙烯酸聚氨酯，网架面漆为丙烯酸改性聚硅氧烷，干膜厚度60 μm(2遍)。

防火做法：本工程耐火等级为二级，桁架柱弦杆、钢柱防火涂料采用厚型，耐火极限为2.5 h，干膜厚度不小于30 mm(挂φ4镀锌钢丝网)，屋盖网架防火涂料采用超薄型，耐火极限为1 h，干膜厚度不小于1.5 mm；其余钢结构防火涂料采用超薄型，耐火极限为1.5 h，干膜厚度不小于1.5 mm。

钢结构网架最大安装高度27.7 m，本工程在珠海金湾机场附近，为不停航施工，施工要求较严格，常规吊装作业无法实施，且网架结构杆件众多，若采用常规的分件高空散装方案，需要搭设大量的高空脚手架，不但高空组装、焊接工作量巨大，而且存在较大的质量、安全风险，并且对整个工程的施工工期会有很大的影响。

结合本工程结构受力特点、较严格的施工工期和工程所处位置要求，桁架与网架采用“地面分区拼装、分区提升、高空补档”的施工工艺。将屋面网架结构在地面拼装成整体后，利用“超大型构件液压同步提升技术”将其分两次提升：1)仅网架部分从地面整体提升至6.000 m标高，与桁架部分进行嵌补连接(图26)；2)桁架和网架部分嵌补完毕后整体提升至屋面标高(图27)。

图26 第1次提升——网架部分提升

图27 第2次提升——网架和桁架部分整体提升

提升吊点设置于混凝土辅房上，由于混凝土辅房高度不能满足提升要求，故考虑在混凝土辅房上设置提升支架进行网架结构的提升安装。

同时为了保证提升过程中结构与结构设计、施工模拟结果一致，要求采用第三方施工监测。对结构进行提升施工过程的理论分析，实测应力、位形，将理论值与实测值进行对比，以评估安全性，并指导现场，提升工作质量。

1)本工程濒临海边，根据机库门的不同开启模式设计4种不同工况用于风洞试验，并对4组风洞试验结果进行分析比较，且考虑室内吊挂空调风管因素，综合考虑，采用管理手段保证台风天气下关闭机库门进行结构设计，确保结构安全。

2)针对本工程的入口桁架跨度大和桁架满足上人要求两大不同特点，从不同方面进行结构选型，最终确定采用管桁架+四角锥网架混合结构形式。分析屋盖传力路径和承担比例，有针对性地对结构进行加强。

3)对于上人大跨度桁架，使用连续步行(IABSE)模型进行舒适度分析，确保使用过程中的舒适性。

4)为满足本项目不停航施工的严苛现场条件，根据本项目的结构受力特点，确定采用“超大型构件液压同步提升技术”对整体结构分两次提升方案。

5)在本项目全结构设计和施工周期内，从方案选型、结构设计、现场施工和第三方监测等方面保证整体钢结构方案的顺利推进。