大跨度飞机库的结构选型及性能优化研究

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随着我国综合国力的不断增强,民航业飞速发展,全国各地的大中城市正在新建或扩建众多大型机场,无论是规模还是数量均位居世界前列。另一方面,我国周边安全形势日益复杂,为适应现代战争的需要,军用机场越来越突显出其在国防设施中的重要地位。无论是民用还是军用机场,随着其规模的不断增大,国家对停机库及飞机维修库等配套设施的投入也越来越大,飞机的推陈出新,也对现代机库的使用功能提出了更高的要求。机库作为一种特殊的大跨空间结构,主要特点表现为大跨度、大空间、大开口。机库的结构选型,取决于飞机类别,停放的数量以及机场净空限制等诸多因素。现有的大跨度机库几乎都采用钢结构建造,但在自然环境下,存在钢结构容易锈蚀的致命弱点。尤其在东南沿海地区,受高温高湿气候及海风侵蚀等严重影响,机库主体结构腐蚀严重,尽管也采取了一些防腐措施,但效果并不理想,长期的维护成本高,且在维护过程中会影响机库的正常使用。而铝合金空间结构因其具有轻质高强、耐腐蚀等诸多优势,已在体育馆等建筑中得到了广泛应用,但在机库结构中还很少涉及。为此,本文试图通过对机库结构的选型及性能开展系统研究,探讨在机库中采用新型铝合金蜂窝板组合网壳结构体系的可行性,在总结国内外学者有关铝合金蜂窝板的等效理论及板杆共同工作研究成果的基础上,结合某军用机场飞机库工程实例,提出将“轻质高强”的铝合金蜂窝板组合网壳结构体系应用到机库结构中,并对这种新型机库结构进行抗风抗震性能研究,主要研究内容和结论如下:(1)首先,采用三种典型的蜂窝板等效理论,对蜂窝板进行静动力有限元分析,并与实体建模结果及理论计算值进行对比。结果表明,基于三种等效理论的计算结果与理论计算值的误差均在8%以内。蜂窝板的静力分析结果表明,基于“三明治夹芯板理论”的计算结果具有更高的精度;而自振特性分析结果表明,基于“蜂窝板理论”的计算结果最接近于理论值。(2)其次,分别采用完全协调法、点接触法和孔耦合法模拟板与杆之间的共同工作状况,并与试验值进行对比。结果表明,按三种模拟方法得到的荷载位移曲线与试验实测曲线非常接近。其中,采用孔耦合模型的有限元分析结果与试验值之间的误差最小,点接触模型次之,完全协调模型的误差最大。由于前两种模型的建模及计算量很大,为提高分析效率,本文采用完全协调模型,并通过等效板厚度折减的方式近似反映板与杆之间的不完全协调性,其综合厚度折减系数建议取0.82。(3)接着,以两座军用机场机库工程实例为研究背景,对大跨度机库屋盖开展结构选型及性能优化研究。对机库屋盖围护次结构的优化研究表明,用铝合金蜂窝组合板代替传统的彩钢瓦檩条围护体系,由于在蜂窝板与铝合金方管之间采用“锁铆”等特殊的“紧配合”连接方式,大大提升了连接性能,可有效避免传统围护结构在强风作用下,因连接件松动失效而发生彩钢板被掀起、吹落的情况。通过多方案的结构性能及经济指标综合对比分析,研究了支承构件刚度、矢跨比、支座形式等因素对机库结构静力性能的影响。结果表明,在同样的荷载作用下,支承构件的刚度越大,机库屋盖的受力性能越好;矢跨比对铝合金组合网壳结构有直接影响,当矢跨比为1:7时,其结构性能相对最优;采用固接连接方式的组合网壳最大位移约为铰接的60%。(4)最后,通过对比铝合金蜂窝板组合网壳机库结构在地震、风振作用下的响应分析,充分验证了铝合金组合网壳结构具有良好的抗风抗震性能,在同等荷载条件下,其最大水平位移约为无板网壳的55%~60%,杆件最大应力约为无板网壳的60%~80%,说明其整体刚度及承载力均明显优于无板网壳结构。综上,通过本文的系统研究并结合作者多年从事机库结构工程设计的体会,建议在沿海地区的机库结构设计中,可适当考虑采用这种具有良好抗风抗震性能及耐久性的铝合金组合网壳结构。
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