天津滨海国际机场T2航站楼位于天津市东丽区滨海国际机场内(图1)，由主楼、指廊、直段指廊与指廊端头组成，其中主楼为地上两层、局部地下两层结构;指廊为地上两层结构;主楼和指廊局部设有夹层。T2航站楼采用组合结构形式，屋盖为双层网壳结构，其他部分为钢筋混凝土框架结构。航站楼全长690m，宽403m，总建筑面积247 000m²。

　　 航站楼屋盖结构呈双曲面，分为A区、B区、C区、D区，共4个区段(图2)，总投影面积102 050m²，最高点标高43.7m，最低点标高32.3m，南端最大悬挑长度30m，最大厚度6.0m，悬挑端厚度减至1.5m，采用正放四角锥双层网壳结构，节点采用焊接空心球节点。A区屋盖对应航站楼主楼部分，共设5排6列钢柱，柱网尺寸为60m×45m。陆侧8根钢柱呈树状，分枝部分与屋盖节点相连;其余钢柱采用锥形圆钢管，与网壳下弦连接。B区对应直段指廊，柱网尺寸为45m×30m;C区对应指廊，柱网尺寸为45m×45m;D区对应指廊端头，柱网尺寸为8.5m×16.5m。B区和C区指廊钢柱采用锥形圆钢管;D区指廊端头钢柱采用等截面圆钢管。A区屋盖网壳结构的网格尺寸约为5.0m×5.0m;B区、C区和D区屋盖网壳结构的网格尺寸约为3.75m×3.75m。结构杆件为圆钢管，采用14种截面尺寸，分别为ф76×4，ф89×4，ф114×4，ф140×4，ф159×6，ф159×8，ф180×8，ф180×10，ф219×10，ф245×12，ф273×12，ф299×14，ф325×14，ф325×25。

　　 机场航站楼为大型公共建筑，为一个城市或地区的地标性建筑，一旦破坏会产生极其严重的生命财产损失与重大的社会影响^[1]。根据《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153—2008)^[2]的规定，滨海机场T2航站楼的安全等级为一级。根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)^[3]，航站楼为人流密集的大型公共建筑，因此其建筑结构抗震设防类别为乙类。屋盖网壳采用Q235钢。其他结构主要设计参数如下:设计基准期为50年，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期T_g为0.55s，小震阻尼比为0.02，控制应力比为0.85，压杆容许长细比为180，拉杆容许长细比为250，支座附近杆件容许长细比为150。

　　 经荷载计算与分析，航站楼屋面上弦恒荷载为0.70kN/m²，下弦吊挂荷载为0.50kN/m²，玻璃幕墙自重为1.00kN/m²。根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)^[4]的规定，屋面活荷载为0.50kN/m²，基本雪压为0.45kN/m²。考虑到A区、D区相连处存在高低屋面，D区屋面与A区相邻部分考虑雪荷载的不均匀分布。基本风压为0.60kN/m²(100年重现期)，地面粗糙度类别为B类。根据天津地区近30年的气象资料，天津基本气温最高值取35℃，基本气温最低值取-12℃，合拢温度宜确定为23℃±4℃。考虑到太阳辐射对网壳结构的温箱效应，设计时网壳结构的最高温度设定为比最高气象气温增加20℃，即55℃。考虑合拢温度的正负误差，设计时结构的正温度差取+36℃，负温度差取-39℃。由于屋面网壳结构矢跨比小于1/5，根据《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)^[5]的规定，需同时考虑水平与竖向地震作用进行结构抗震验算。

　　 大跨度空间结构为风敏感结构，需通过风洞测压试验以获得屋盖结构的风压特性^[6]。本项目委托建研科技股份有限公司开展风洞试验，根据其提供的《天津滨海国际机场T2航站楼风洞测压试验报告》^[7]中的相关数据，屋盖结构上表面除个别区域外绝大部分区域的风荷载均为负压。试验模型比例为1∶260，测点数量为765个(含163个双面测点)。以风荷载体型系数与高度变化系数的乘积作为风荷载平均压力系数。迎风来流方向的屋盖边缘上表面平均压力系数最大;远离来流部分的屋盖上表面平均压力系数较小。迎风来流方向的屋盖悬挑部分下表面也为负压，且平均压力系数较大;背风屋盖悬挑部分下表面风荷载平均压力系数为正值。屋盖立面在迎风方向为正风压，侧风立面与背风立面均为负风压，且迎风面屋盖与立面交接部位的气流分离较强，结构边角部位的风压也较大。

　　 分别选择风压平均压力系数较大的70°，140°，250°与340°角作为不利风向角，取此4种风向对应的平均压力系数乘以风振系数和基本风压作为风荷载的标准值。4种风向对应的平均压力系数分别如图3～6所示。图3中70°风向角时，屋盖A区南侧和东侧、B区和D区东侧、C区北侧和东侧平均压力系数较大;图4中140°风向角时，屋盖A区东西两侧边缘处、C区南侧平均压力系数较大;图5中250°风向角时，屋盖B、C区西侧边缘处平均压力系数数值大于2;图6中340°风向角时，屋盖A区北侧平均压力系数较大，边缘处平均压力系数达到最大。

　　 采用空间结构计算程序MST建立数值模型。由于天津滨海国际机场T2航站楼采用双层网壳结构，根据《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)^[5]的规定，采用空间杆单元建立结构模型，杆单元两端铰接。计算模型包括钢屋盖与钢柱。

　　 滨海国际机场T2航站楼屋盖结构中A区与D区相连，而C区与B区、B区与D区之间通过结构缝分开。因此计算屋盖网壳结构自振周期时应分别以AD区、B区与C区为分析对象，分别计算其自振周期。各区前10阶自振周期如表1所示。

　　 由表1可知，C区屋盖基本自振周期最长，超过了1s;AD区屋盖基本自振周期最短;B区屋盖基本自振周期居中。主要原因是AD区屋盖网壳结构跨度相对B,C区跨度较大，设计时采用的杆件截面与节点规格相应增大，因此整体结构刚度相对较大。

　　 杆件应力比大于0.85时，结构杆件在强度与稳定方面的安全裕度过小，因此在设计时以0.85作为杆件应力比控制值。以0.1为应力比增量，统计最大应力比位于各区间内的结构杆件数量，做出柱状统计图如图7所示。

　　 由图7可知，最大应力比超过0.9的杆件数量为0，这是由于在结构设计时将杆件应力比最大值限定为0.85;最大应力比位于[0.7,0.8]的杆件数量最多，达到12 030根;最大应力比位于[0,0.1]的杆件最少，只有2 506根。可见结构的材料利用率较高。数值计算结果显示，结构受压杆件的控制应力为稳定应力。

　　 分别统计上弦杆、下弦杆与腹杆的最大应力比分布，统计如图8～10所示。

　　 由图8～10可知，天津滨海国际机场T2航站楼屋盖网壳结构中，无论是上弦杆、下弦杆还是腹杆，最大应力比位于[0.7,0.8]的杆件数量均是最多的。这说明结构设计满足预期的目标。

　　 对于上弦杆与下弦杆，当杆件的最大应力比不大于0.8时，分布于各稳定应力比区间的杆件数量随应力比的增大而增加。而对于腹杆，对应杆件数量最多的应力比区间为[0.7,0.8]，其次为[0.6,0.7]，再次为[0.1,0.2]，各应力比区间内腹杆的数量并非单调递增。这主要是由于腹杆截面的控制因素为长细比，腹杆中的轴向力较小，稳定不是杆件的控制因素。因此腹杆的材料利用率较上、下弦杆低，但腹杆对结构的刚度贡献较大。

　　 在荷载标准组合作用下，结构上弦杆、下弦杆与腹杆的位移云图分别如图11～13所示。

　　 在荷载标准组合作用下，网壳结构最大挠度为130mm，位于A区钢柱间跨中部位，130/45 000=1/346<1/250，即挠度130mm小于跨度45 000mm的1/250，满足规范要求。屋盖网壳结构悬挑部位的最大挠度为120mm，同样位于A区，120/20 600=1/172<1/125，即挠度120mm小于悬挑长度20 600mm的1/125，满足设计要求。结构最大挠度与悬挑部位最大挠度位置如图14所示。

　　 根据《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)^[5]的规定，空间网格结构需进行荷载-位移全过程分析以确定其极限承载力，根据极限承载力确定结构的容许承载力。分别以1～10阶屈曲模态作为结构的初始几何缺陷分布形式，采用有限元程序ABAQUS，利用弧长法计算航站楼各分区屋盖结构的弹塑性荷载-位移曲线，以第一个临界点作为其极限承载力^[8]。考虑初始几何缺陷的AD区、B区、C区各分区屋盖结构的极限承载力如表2所示。

　　 表2中各行的最小值即为各分区屋盖结构的极限承载力。AD,B,C三个分区屋盖结构的极限承载力分别为21.546,20.458,17.846kN/m²，分别对应第7阶、第1阶与第6阶屈曲模态。文献[9]认为可以以第1阶屈曲模态作为网壳结构的最不利几何缺陷状态，文献[5]也规定可以以第1阶屈曲模态作为初始几何缺陷状态计算网壳结构极限承载力。然而本文通过实际工程算例可知，网壳结构的最不利初始几何缺陷状态并不一定为最低阶屈曲模态，因此计算网壳结构的极限承载力时，应以多阶屈曲模态作为结构初始几何缺陷分布状态计算承载力，以最小值作为结构的极限承载力。

　　 (1)介绍了天津滨海国际机场T2航站楼钢屋盖的基本概况、结构特点与设计参数。分析了作用于屋盖结构上的各种荷载作用。根据风洞试验数据，确定了结构最大风压对应的最不利风向角，进而确定了结构的最不利风荷载。

　　 (2)计算了屋盖各分区结构的自振周期与杆件最大应力比。计算结果表明结构中无论是上弦杆、下弦杆还是腹杆，最大应力比位于[0.7,0.8]的杆件数量最多，表明结构设计在满足控制应力比的基础上最大程度地提高了材料的利用率。

　　 (3)分析结果表明上下弦杆截面的控制因素为稳定应力，而腹杆截面的控制因素为长细比，其材料利用率较上、下弦杆低，但对结构的刚度贡献较大。

　　 (4)计算了结构跨中与悬挑端的最大挠度，结果表明结构位移满足规范要求。

　　 (5)分别以1～10阶屈曲模态作为结构的初始几何缺陷分布形式，计算了结构各分区的极限承载力。计算结果表明网壳结构的最不利初始几何缺陷状态并不一定为最低阶屈曲模态，应以多阶屈曲模态作为结构初始几何缺陷分布状态计算承载力，以最小值作为结构的极限承载力。