张家界机场工程结构设计说明
6 结构设计
6.1 前言
6.1.1 设计采用的标准、规范和规程
在张家界机场工程结构设计中，遵循中国国家现行标准、规范和规程。
6.1.2 设计使用年限与安全等级
设计使用年限与安全等级按照相关的国家设计规范确定。
6.1.3 主要结构材料
钢材
普通强度钢材 Q235B Q345B
混凝土
混凝土梁板 C20
混凝土墙柱 C40
钢筋
热轧钢筋 HPB235 HRB335 HRB400
6.1.4 设计荷载
航站楼楼面及屋面荷载，风荷载和雪荷载标准值按现行规范取值，其中屋面按不上人活载取0.5KN/m2，附加恒载取1.0KN/m2，基本风压取为0.35KN/m2，地面粗糙度为C类，基本雪压取为0.45KN/m2。
6.2 航站楼大厅结构设计
6.2.1 模型
航站楼大厅由空间三角管桁架、反拱平面桁架与反拱钢梁组成。其
中平面桁架弦杆及反拱钢梁采用方钢管，其余杆件采用圆钢管。单榀空
间桁架间距18m，柱距为36m、27m不等。
图1 空间三角管桁架（间距18m）
图2 空间桁架及平面桁架布置图
图3 钢结构屋盖整体模型图
空间三角管桁架三边长均为3m，下弦支撑于混凝土柱顶。为保持三
管桁架及柱子侧向稳定性，增大结构侧向刚度，设置横向曲线平面桁架，
桁架弦杆采用方钢管，腹杆采用圆钢管。
空间桁架截面尺寸如下图所示：
反拱钢梁采用方钢管，与平面桁架弦杆一致，方便将来檩条与主体
钢结构的连接。反拱体系有其合理性，反拱处在拉弯状态，不存在构件
的稳定问题，材料的强度相比于压弯构件可以得到较充分的利用，使结
构用钢量大大减少，以节省造价。
图5 钢梁反拱效应示意图
6.2.2 结构杆件
杆件类型杆件截面钢号
空间桁架弦杆Φ245×12; Φ245×16; Φ273
×16；Φ273×20
Q345B
腹杆Φ133×6；Φ159×8; Φ203×
10；
Q235B
Φ245×12 Q345B
平面桁架弦杆□200×200×16×16 Q345B
腹杆Φ133×6；Φ159×8; Φ203×
10；
Q235
反拱钢梁□200×200×8×8 Q345B
56.4kg/m2.
6.2.3 结构计算分析
结构杆件均用FRAME单元模拟，空间和平面桁架弦杆认为通长刚接，
腹杆均为铰接。侧向方钢管与空间桁架上弦相贯连接，按刚接分析。空
间桁架下弦铰接与柱顶，模型中释放混凝土柱顶的旋转自由度。
1) 静力荷载工况分析
1.2恒荷载+1.4活荷载作用下分析结果如下图所示：
图6 单榀空间桁架轴力图（KN）
图7 单榀空间桁架剪力图（KN）
图8 单榀空间桁架弯矩图（KN*M）
计算结果表明，空间桁架以轴向受力为主，在柱顶支座处下弦杆存在较大的剪力和弯矩。
图9 钢梁及平面桁架轴力图（KN）
图10 钢梁及平面桁架剪力图（KN）
图11 钢梁及平面桁架弯矩图（KN*M）
计算结果表明，空间桁架平面内外刚度均表较大，与平面桁架一起为反拱钢梁组成刚度非常好的边界，反拱钢梁处于比较有利的受力状态。截面可以大大减小，节省结构整体用钢量。整个体系中，只有平面桁架上下弦杆受力较大。
1.0恒荷载+1.4风荷载作用下分析结果如下图所示：
图12 单榀空间桁架轴力图（KN）
图13 单榀空间桁架剪力图（KN）
图14 单榀空间桁架弯矩图（KN*M）图15 钢梁及平面桁架轴力图（KN）图16 钢梁及平面桁架剪力图（KN）
图13 钢梁及平面桁架弯矩图（KN*M）
1.0恒荷载+1.0活荷载及1.0恒荷载+1.0风荷载作用下结构的变形图如下所示：
图14结构变形图(mm, 1.0恒荷载+1.0活荷载)
图15结构变形图(mm, 1.0恒荷载+1.0风荷载)
1.0恒荷载+1.0活荷载作用下，反拱钢梁竖向挠度为61mm（L/295）
1.0恒荷载+1.0风荷载作用下，反拱钢梁竖向挠度为36mm（L/495）2) 模态分析
图16 大厅屋盖结构第1模态(Y向平动)
图17 大厅屋盖结构第2模态(X向平动)
图18 大厅屋盖结构第3模态(扭转振动)
图19 大厅屋盖结构第4模态(平面桁架平面外振动)
Mode Period UX UY UZ RZ
1 2.225 0.00 1.00 0.00 0.83
2 1.677 0.95 0.00 0.00 0.17
3 1.567 0.05 0.00 0.00 0.00
4 0.350 0.00 0.00 0.00 0.00
5 0.349 0.00 0.00 0.00 0.00
6 0.34
7 0.00 0.00 0.00 0.00
7 0.347 0.00 0.00 0.00 0.00
8 0.347 0.00 0.00 0.00 0.00
9 0.344 0.00 0.00 0.00 0.00
10 0.332 0.00 0.00 0.00 0.00
11 0.331 0.00 0.00 0.00 0.00
12 0.329 0.00 0.00 0.00 0.00
第一扭转周期/第一平动周期=1.567/2.225=0.704<0.85
3) 柱子线性屈曲分析
图20 柱Y向屈曲(屈曲系数K=3.766)
在恒+活初始荷载作用下的轴向力为N=1549KN, 其临界荷载为
Ncr=3*N=3.766x1549=5833.5KN，该杆件
长度为18800mm, I=1.44e10mm4，可得主杆平面内的计算长度为
cr
N
EI
l
π
μ=
=3.768
4) 构件应力比图
图21 大厅钢屋盖构件应力比图
图中除由于三管桁架下弦在中柱支座处负弯矩较大，而钢管截面抗弯能力较差，存在8个单元应力比未通过验算外，其余构件应力比均满足要求。弦杆在支座处可以通过释放自由度或者在节点中采取构造措施如加套管等来使其通过应力比验算。
6.3 指廊结构设计
6.3.1 模型
指廊大厅屋盖由方钢管折梁组成，按照建筑所要求的曲线变化形式确定单榀折钢梁的设计几何。榀间距按3m排列，折钢梁跨度即柱子横向间距为26m，柱子纵向间距15m。方钢管折梁支撑在柱顶或者纵向连接柱子的钢梁上。结构模型图如下所示：
图22单榀折钢梁模型图
图23指廊结构整体模型图
6.3.2 结构杆件
杆件类型杆件截面钢号
折钢梁□300×300×12×12
□300×300×8×8
Q345B
纵向钢梁□500×500×16×16 Q345B
柱间支撑Φ351×12 Q345B
封边钢梁□200×200×8×8 Q345B
为74kg/m2.
6.3.3 结构计算分析
结构杆件均用FRAME单元模拟。模型中除柱间支撑按照铰接计算外，
屋盖各钢结构构件均按照刚接连接，支撑于柱顶，并释放混凝土柱顶的
旋转自由度。
1) 静力荷载工况分析
1.2恒荷载+1.4活荷载作用下分析结果如下图所示：
图24 指廊钢屋盖轴力图（KN）
图25 指廊钢屋盖剪力图（KN）
图26 指廊钢屋盖弯矩图（KN*M）
1.0恒荷载+1.4风荷载作用下分析结果如下图所示：
图27 指廊钢屋盖轴力图（KN ）
图28 指廊钢屋盖剪力图（KN ）
图29 指廊钢屋盖弯矩图（KN*M ）
1.0恒荷载+1.0活荷载及1.0恒荷载+1.0风荷载作用下结构的变形图如下所示：
图30 结构变形图(mm, 1.0恒荷载+1.0活荷载)
图31 结构变形图(mm, 1.0恒荷载+1.0风荷载)
钢屋盖受力总体呈现平面结构的受力特性，但在屋盖矢跨比变化处折钢梁由压弯构件变成拉弯构件，此处受力状况较为复杂。由于跨度较大，折钢梁顶点竖向位移较大，在两种组合工况作用下分别为107mm （L/242）、118m （L/220），可以满足轻钢规范的要求。施工时，可以采取起拱的方法抵消恒载作用下的位移以减小折钢梁顶点的总体位移值。 2) 模态分析
图32 指廊屋盖结构第1模态(Y 向平动)
图33 指廊屋盖结构第2模态(扭转振动)
图34 指廊屋盖结构第3模态(竖向振动)
Mode
Period
UX
UY
UZ
RZ
1 0.924 0.000 1.000 0.000 0.690
2 0.626 0.000 0.000 0.000 0.230
3 0.441 0.00
4 0.000 0.000 0.000 4 0.417 0.000 0.000 0.054 0.000
5 0.33
6 0.000 0.001 0.000 0.001 6 0.312 0.000 0.000 0.004 0.000
7 0.244 0.042 0.000 0.000 0.002
8 0.235 0.000 0.000 0.000 0.003
9 0.195 0.900 0.000 0.000 0.053 10 0.190 0.004 0.000 0.000 0.000 11 0.178 0.001 0.000 0.000 0.000 12
0.170 0.000 0.000 0.000 0.000
第一扭转周期/第一平动周期=0.626/0.924=0.677<0.85
3) 柱子线性屈曲分析
图35 柱Y向屈曲(屈曲系数K=22.62)
在恒+活初始荷载作用下的轴向力为N=613.4KN, 其临界荷载为Ncr=22.62*N=22.62x613.4=13875KN，该杆件
长度为16500mm, I=2.56e10mm4，可得主杆平面内的计算长度为
cr
N
EI
l
π
μ=
=3.712
4) 构件应力比图
图36 指廊屋盖钢构件构件应力比图
指廊屋盖钢构件均满足应力比要求，少数构件应力比在0.9以上，
需加以调整。柱间支撑长细比可按200控制。
6.4 需深化设计的内容
1) 考虑风振效应，选取适当的风荷载
2) 航站楼屋盖刚度较强，柱子刚度较弱，完整模型时应该添加柱间支撑，
增加侧向刚度。
3) 航站楼平面桁架平面外刚度较弱，应该添加系杆。
4）指廊屋盖折钢梁可以进一步优化，或者采用变截面构件。
5）指廊屋盖轮廓线变化处应力复杂，需进一步研究受力性能，或者优化
结构布置。