重慶江北國際機場T2A航站樓屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設計

艾治勇

（上海民航新時代機場設計研究院有限公司，上海 200335）

重慶江北國際機場T2A航站樓屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設計

艾治勇

（上海民航新時代機場設計研究院有限公司，上海 200335）

1 工程概況

該工程為重慶江北國際機場新建T2A航站樓工程，緊鄰江北國際機場原有T2B航站樓南側(cè)。工程鳥瞰圖如圖1所示。

圖1 江北國際機場新建T2A航站樓鳥瞰圖

新建T2A航站樓工程分主樓、新建A指廊和南北連廊。航站樓總建筑面積8.3萬m2。主樓屋面投影尺寸為205m×120m，A指廊屋面投影尺寸為226.5m×36m，南北連廊屋面投影尺寸分別為56m×18m和69m×18m。

工程下部主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)。上部屋蓋結(jié)構(gòu)為波浪式雙向弧形曲面形的單層正交空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，由3排5列共15個空腹格構(gòu)柱支承。支承柱分上下部分，下部分為鋼管混凝土格構(gòu)柱，上部分為四支梭形鋼管支柱，空腹格構(gòu)柱柱網(wǎng)尺寸為36m×45m。屋面單層正交空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主次梁為焊接矩形鋼梁。

2 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系

該工程屋蓋鋼結(jié)構(gòu)整體形態(tài)有以下特點：屋面為波浪式的雙向弧形曲面，四周挑檐呈荷葉邊形；空腹格構(gòu)柱分肢柱腳與下部混凝土框架柱網(wǎng)不一致，柱腳在出港層混凝土框架梁板高度內(nèi)由暗牛腿支承；左右山墻側(cè)大跨度屋蓋采用簡支搖擺柱支承；空側(cè)、陸側(cè)格構(gòu)柱一半外露于立面幕墻。

2.1 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)形式

該工程緊臨原有T2B航站樓南側(cè)，通過新建北連廊與之連為一體，原有T2B航站樓屋面為波浪形自由曲面?？紤]到新建T2A航站樓須與T2B航站樓建筑風格一致，在屋蓋結(jié)構(gòu)方案的選擇中，選擇了波浪式的雙向弧形單層曲面結(jié)構(gòu)，四周挑檐呈荷葉邊形。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)布置圖如圖2所示。

圖2 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)布置圖

屋蓋縱向布置10榀弧形主梁，為多點連續(xù)簡支鋼梁，間距18m，最大跨度30m。橫向布置13道弧形次梁，間距9（10）m，跨度18m。主次梁節(jié)點為剛性節(jié)點，形成一個單元尺寸為9m（10m）×18m的整體單層正交空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。同時在屋面縱向布置5道剛性支撐，橫向布置3道剛性支撐，以增強屋蓋結(jié)構(gòu)的整體性。剛性支撐采用弧形桿件，與屋蓋曲面的曲率半徑保持一致。

在結(jié)構(gòu)支承柱的布置中，考慮到經(jīng)濟性，由原T2B航站樓的2排4列倒放四角錐柱，調(diào)整為上部為正放四角錐支柱的3排5列空腹格構(gòu)柱。柱網(wǎng)尺寸由48m×90m相應調(diào)整為36m× 45m。

2.2 連續(xù)梁截面選擇

由于建筑要求在屋面結(jié)構(gòu)的構(gòu)件匯交節(jié)點區(qū)域保持平滑過渡，以保證屋面在整體和局部均為光滑弧面，所以每榀主、次鋼梁軸線均為不同半徑的弧形曲線。

在屋面單層正交空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)梁截面的選擇中，對圓形和矩形鋼管截面進行了比較。相比于圓形鋼管的易于加工、連接節(jié)點平滑、矩形鋼管存在構(gòu)件截面方位向量不同、正交鋼梁翼緣均不共面、構(gòu)件間存在空間扭轉(zhuǎn)偏差并難以處理的缺點，但是矩形鋼管截面比圓形鋼管截面的面外剛度大，力學性能更好，而且矩形鋼管存在四邊棱線，能很好地體現(xiàn)建筑形態(tài)和結(jié)構(gòu)的線條美。

正是由于矩形鋼管在力學性能和外觀兩個方面的優(yōu)點，該工程屋蓋選擇了矩形鋼管進行設計。縱向10榀主梁截面尺寸為□900×450，為矩形截面，中間設置通長縱隔板。橫向13榀次梁截面尺寸為□600×350，中間1榀為矩形截面，隨著屋面縱向弧形曲面的變化，其余12榀向兩側(cè)逐漸過渡為腹板垂直，翼緣傾斜的棱形截面，翼緣最大傾斜角達到15°。

2.3 格構(gòu)柱設計

該工程屋蓋共由15個空腹格構(gòu)柱支承，格構(gòu)柱截面尺寸為3.6m×3.6m。因建筑要求，格構(gòu)柱不能布置斜腹桿，因此采取了空腹形式。

為增強空腹格構(gòu)柱整體剛度，設計中采取了以下措施：（1）增大格構(gòu)柱分肢柱外露式剛接柱腳尺寸，以提高柱腳剛度。（2）下部格構(gòu)柱分肢柱與上部正放四角錐支柱之間采用整體鑄鋼件剛性連接。（3）鑄鋼節(jié)點以下分肢柱為鋼管混凝土柱，采用泵送頂升法灌注高強微收縮細實混凝土。（4）上部正放四角錐支柱頂布置4道高強鋼索，匯聚于下部格構(gòu)柱頂中心鑄鋼節(jié)點處。（5）格構(gòu)柱分肢柱與橫腹桿剛接節(jié)點內(nèi)增設加強套管，以提高節(jié)點剛度。

3 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設計與分析

3.1 分析模型與荷載、作用

該工程屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)分析與設計軟件SAP2000進行分析與設計。為了比較準確、全面地分析下部混凝土框架結(jié)構(gòu)與上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)之間的相互影響，特別是地震作用下整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，建立了包括下部混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體模型。在SAP2000的計算及設計模型中，屋蓋主次鋼梁及檁條為梁單元，格構(gòu)柱構(gòu)件為柱單元，剛性支撐為支撐桿單元，拉索為忽略自重的支撐桿單元。

工程設計安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，設計使用年限為50年，抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為6度。

根據(jù)國家設計規(guī)范[1-2]，鋼屋蓋的主要設計荷載和作用取值如下：

（1）屋面恒載：采用鋁合金保溫屋面系統(tǒng)+次檁、龍骨+穿孔鋁板吊頂，其設計荷載取0.65kN/m2，結(jié)構(gòu)自重由程序自動計算。

（2）屋面活荷載：為不上人屋面，取值為0.3kN/m2。

（3）風荷載：標準值按照下式計算：

wk=βzμzμsw0

?。簑0=0.40kN/m2。μz=1.42（B類地貌，屋面高度按32m計算）。風振系數(shù)βz：按照《重慶江北國際機場第二跑道及配套設施擴建工程新建航站樓數(shù)值風洞試驗與結(jié)構(gòu)風振分析報告》[3]選取，屋面中部取2.0，四周挑檐部分取2.5。風壓系數(shù)μs：按照上述報告中風壓體形系數(shù)分布圖選取，取0°、90°、180°、270°四個風向風壓系數(shù)進行組合。

（4）地震作用：6度抗震設防，地震作用加速度0.05g，第一組設計地震分組，Ⅱ類場地，阻尼比取0.035（整體模型）。采用振型分解反應譜法計算水平雙向地震作用和豎向地震作用。

（5）溫度作用：考慮年平均最高及最低溫差變化，計算溫度作用時取溫差+30℃、-15℃，作為可變荷載參與工況組合計算。

按照國家設計規(guī)范[1-2]，采取了包括標準組合和基本組合在內(nèi)的52組組合工況進行計算和設計。

3.2 自振特性

采用Ritz向量法對整體結(jié)構(gòu)模型的前36階模態(tài)進行分析，保證其各向振型質(zhì)量參與系數(shù)≥99%。相比于特征向量法，采用與荷載相關的Ritz向量法進行計算，避免了不參與動態(tài)響應的對于結(jié)構(gòu)精度沒有幫助的振型的計算，能夠更快地得到精確的振型計算結(jié)果，得到規(guī)范要求的更高的結(jié)構(gòu)質(zhì)量參與系數(shù)。

整體結(jié)構(gòu)模型的前4階振型及周期如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)前四階主要振型及周期

結(jié)構(gòu)振型存在以下3個主要特點：（1）結(jié)構(gòu)的前36階振型均以屋蓋結(jié)構(gòu)振型為主，說明屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度遠小于下部混凝土框架結(jié)構(gòu)剛度。（2）在一階振型中，屋蓋的X向平動主要體現(xiàn)在沿橫向波浪形伸縮變形。這與屋蓋形式為波浪式的單層雙向弧形曲面是一致的。（3）局部振型明顯，多數(shù)振型出現(xiàn)在屋蓋剛度薄弱處，如四周荷葉邊挑檐、左右山墻側(cè)搖擺柱支承屋面。

3.3 構(gòu)件設計及變形

構(gòu)件的強度設計控制值為：非抗震組合和多遇地震組合下重要構(gòu)件的強度、穩(wěn)定應力比≤0.7，一般構(gòu)件的強度、穩(wěn)定盈利比≤0.85。具體構(gòu)件設計見表1。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計

恒活標準組合工況下，屋蓋主梁跨中豎向變形值為65mm，其計算跨度為30m，撓跨比為1/450，小于《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[4]附錄A規(guī)定的允許撓度值1/400。

計算表明，水平位移由風載控制。風載作用下，中間格構(gòu)柱頂水平位移為30mm，對應計算高度為10m，位移角為1/ 300，滿足規(guī)范中允許位移角1/150的要求。

3.4 索預張力設計

為提高空腹格構(gòu)柱的整體剛度，在格構(gòu)柱上部正放四角錐支柱頂處布置有4道高強鋼索，匯聚于下部格構(gòu)柱頂中心鑄鋼節(jié)點處。

鋼拉索需施加一定的預張力，才能有效地提高其整體剛度。而預應張力的施加值需要通過計算確定，如果施加值過小，則不能提供作用；反之施加值過大，則會增加支柱的附加軸力，對結(jié)構(gòu)起負作用。

經(jīng)過計算分析，該工程按照恒活標準組合工況下，索不失效為施加預張力大小的控制原則，其具體值為250kN。

3.5 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定

由于該工程屋蓋為單層正交空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，整體剛度較弱，確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性具有十分重要的意義。設計中采用SAP2000分析軟件的非線性屈曲分析功能對整體結(jié)構(gòu)模型進行了穩(wěn)定分析。

首先采用特征值屈曲模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)模型的第一階屈曲模態(tài)。然后，采用一階屈曲模態(tài)作為結(jié)構(gòu)的初始缺陷分布，對整體結(jié)構(gòu)計算模型進行荷載-位移全過程幾何非線性分析。計算假定在整個過程中結(jié)構(gòu)始終處于彈性狀態(tài)。

上述分析過程中求得的臨界點的荷載值可以作為整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限承載力。將整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定極限承載力與結(jié)構(gòu)設計荷載效應的設計值相比，可以得到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)K。

為簡化計算，計算模型省略下部混凝土框架結(jié)構(gòu)和屋面支撐系統(tǒng)。取0.5kN/m2的活荷載為屈曲施加荷載，對應的一階屈曲模態(tài)特征值荷載因子為，經(jīng)換算其特征值屈曲荷載為62kN/m2。

在幾何非線性分析中，采用荷載控制方式來施加荷載。隨著荷載的增加，屋蓋結(jié)構(gòu)位移增加，當結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲時，其剛度矩陣出現(xiàn)奇異，計算結(jié)果不再收斂，此時，荷載－位移曲線接近平行于位移橫軸，即荷載不再增加而位移無限增大。計算求得的荷載-位移曲線則如圖4所示。

圖4 荷載-位移曲線

圖4中定義橫軸為屋面曲面拱頂處的豎向位移（位移沿-Z軸，故數(shù)值為負）。縱軸為Z方向的基底豎向反力合值（由于基底豎向反力合值與施加的豎向力合值平衡，故以此來間接反應施加荷載的變化），從而得到荷載-位移曲線。圖4中顯示基底豎向反力合值為640×103kN，經(jīng)過換算，結(jié)構(gòu)非線性屈曲荷載為26.7kN/m2。采恒活基本組合為設計控制工況時，對應的荷載因子（穩(wěn)定系數(shù)）K＝10.4。

從荷載-位移曲線可以看出，結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線呈極值型，在達到極限承載力時，荷載因子為10.4。需要指出的是，上述結(jié)果是在材料始終保持彈性假定的條件下得到的，實際上，當荷載因子為1.85左右時，屋面單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的部分主、次梁構(gòu)件開始達到屈服強度，故整體結(jié)構(gòu)為強度極限狀態(tài)控制。

同時，計算模型是在考慮了初始缺陷后，荷載-位移曲線為極值型，表明整體結(jié)構(gòu)對初始缺陷不敏感。

4 節(jié)點設計

航站樓作為重要的公共交通建筑，其建筑細部要求很高，特別是鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點，很多處于外露狀態(tài)。在節(jié)點剛度和強度滿足計算要求的同時，其構(gòu)造尺寸要小、細部構(gòu)造簡潔、接觸面清晰平整，耐久可靠、造型美觀。該工程設計中有以下典型的節(jié)點設計。

4.1 格構(gòu)柱柱腳節(jié)點

由于建筑功能要求，格構(gòu)柱柱腳必須在出港層混凝土框架梁板高度內(nèi)設置，并且與下部混凝土框架柱網(wǎng)節(jié)點不重合。經(jīng)過仔細分析，設計采用了外露式剛接柱腳。格構(gòu)柱分肢柱截面為直徑600mm的鋼管混凝土柱，在保證柱腳剛度及符合下部混凝土框架暗牛腿允許埋植深度的前提下，柱腳底板及頂板直徑尺寸為1150mm。12根預埋錨栓采用了錨板機械連接的錨固形式，錨栓直徑為56mm和80mm兩種。

由于采用空腹格構(gòu)柱形式，在不同工況組合下，其分肢柱反力有較大的不均勻性。特別是中排格構(gòu)柱，在工況組合4（1.2恒載+0.98活載+1.4正溫度作用）的計算中，其山墻側(cè)邊肢柱腳豎向反力為+1355kN（受壓），而其對角肢柱腳豎向反力為-501kN（受拉）。

在柱腳的設計中，充分考慮了分肢柱受力的不均勻性，選取了組合工況受力最大的組合，分別進行設計。

4.2 鑄鋼節(jié)點

設計中主要采用了2種鑄鋼節(jié)點，一是下部格構(gòu)柱分肢柱與上部正放四角錐支柱之間采用的彎管連接節(jié)點，二是拉索節(jié)點。鑄鋼材質(zhì)為GS-20Mn5（DIN17182），其力學性能見表2，并采用有限元分析軟件ANSYS（V10.0）對該節(jié)點進行彈性分析。

表2 鑄鋼材質(zhì)

考慮該工程格構(gòu)柱彎管連接位置受力大，且由于加工制作工藝所限，對直徑600mm的鋼管，采用冷彎加工難以加工出半徑為600mm的彎弧，采用熱彎加工，則對鋼管的化學性能和力學性能造成較大的改變和損失，因此設計時采用了鑄鋼連接節(jié)點。

節(jié)點分析中選取了可以適應于發(fā)展塑性、蠕變、應力剛化、大變形和大應變的SOLID92單元進行有限元分析。根據(jù)《建筑用鑄鋼節(jié)點技術(shù)規(guī)程》[5]有關有限元分析規(guī)定，本鑄鋼件有限元模型約束其主管下端，其余管端均按整體模型中所提取力施加，得到節(jié)點Von Mises應力分布如圖5（a）所示。

格構(gòu)柱頂拉索鑄鋼節(jié)點的有限元分析，同樣采用了SOLID92單元，根據(jù)整體模型所提取構(gòu)件內(nèi)力值，對四個耳板孔施加了600kN拉力包絡值。施加位置和區(qū)域為拉力方向的半個耳板孔壁圓周。通過計算，得出節(jié)點單元Von Mises應力云圖如圖5（b）所示。

圖5 鑄鋼節(jié)點Von Mises應力云圖

經(jīng)過節(jié)點有限元分析得知，彎管連接節(jié)點應力最大值為46.2MPa，拉索節(jié)點鑄鋼最大應力值為165.6MPa。最大應力沿節(jié)點厚度方向發(fā)展不深，僅停留在表面位置?？芍T鋼件內(nèi)部應力在規(guī)范要求范圍內(nèi)，該應力值能夠滿足《建筑用鑄鋼節(jié)點技術(shù)規(guī)程》[5]第4.3.9條“用有限元分析結(jié)果確定鑄鋼節(jié)點的承載力設計值時，承載力設計值不宜大于極限承載力的1/3”的條文要求。

綜上所述，鑄鋼件節(jié)點設計滿足相關規(guī)范要求，是安全的。

4.3 主次梁剛接節(jié)點

典型的主次鋼梁剛接節(jié)點如圖6所示。

圖6 主次鋼梁節(jié)點圖

由于屋面為波浪式的雙向弧形曲面，當屋蓋單層正交空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主次鋼梁截面均為矩形截面時，構(gòu)件間將不可避免地存在空間扭轉(zhuǎn)偏差的情況，體現(xiàn)在主次梁剛接節(jié)點上則為翼緣連接的不連續(xù)、不平齊。雖然在次梁的截面形狀上進行了一定的棱形處理，以保證所有次梁上翼緣與屋面弧形曲面一致，但由于主梁保持為矩形截面，這樣在主次梁連接節(jié)點處，將存在次梁翼緣與主梁翼緣的橫向傾斜偏差。設計中采取了次梁截面橫貫主梁腹板，主梁截面內(nèi)與次梁同方向處增設縱橫隔板加強的處理措施，同時次梁翼緣進行加腋處理。

經(jīng)過以上處理的剛接節(jié)點加工制作簡單，傳力明確、受力合理。

5 結(jié)論

重慶江北國際機場新建T2A航站樓工程造型新穎，其建筑外形與原有T2B航站樓主樓風格一致、互補。工程已完工并投入使用?？偨Y(jié)該工程的結(jié)構(gòu)設計，有如下結(jié)論：

（1）屋蓋采用單層正交空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系，既滿足了結(jié)構(gòu)性能要求，又實現(xiàn)了波浪式的雙向弧形曲面屋面的建筑形態(tài)要求，使兩者得以協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

（2）經(jīng)過深入分析空腹格構(gòu)柱的剛度及受力形態(tài)，在滿足建筑功能及外觀要求的前提下，采取多道技術(shù)措施，有效提高空腹格構(gòu)柱的整體剛度。

（3）結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析表明，對于空腹格構(gòu)柱+單層正交空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的屋蓋結(jié)構(gòu)形式，其整體結(jié)構(gòu)為強度極限狀態(tài)控制。并且荷載-位移曲線為極值型，整體結(jié)構(gòu)對初始缺陷不敏感。

（4）在鑄鋼件的設計使用上，結(jié)合工程特點進行設計，所采用節(jié)點受力性能合理，制作簡潔。

[1]中國建筑科學研究院.GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[2]中華人民共和國建設部.GB50011-2001建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3]重慶江北國際機場第二跑道及配套設施擴建工程新建航站樓數(shù)值風洞試驗與結(jié)構(gòu)風振分析報告[R].上海：上海交通大學空間結(jié)構(gòu)研究中心，2008.

[4]中華人民共和國建設部.GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[5]同濟大學，等.CECS235-2008建筑用鑄鋼節(jié)點應用技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2008.

責任編輯：孫蘇

Structural design of Steel roof of Terminal T2A of Chongqing Jiangbei International Airport

重慶江北國際機場新建T2A航站樓主樓屋蓋為波浪式的雙向弧形曲面。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用空腹格構(gòu)柱+單層正交空間網(wǎng)格（雙向弧形）的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)設計包括動力特性和靜力分析，以及非線性屈曲穩(wěn)定分析。結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定，選用的構(gòu)件截面、連接節(jié)點形式合理、美觀，很好地體現(xiàn)了建筑形態(tài)和設計理念。

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)；單層正交空間網(wǎng)格；空腹格構(gòu)柱；鑄鋼節(jié)點

The main building roof of terminal T2A newly established in Chonqing Jiangbei international airport is of wavelike hyperbolic steel.The structural system of vierendeel laced columns and single-layered orthogonal space grid is applied in the roof steel structure.Dynamic and static characteristics and non-linear buckling are analyzed in structural design.The results show that the steel roof is stable with reasonable and aesthetic cross section and connection mode and well reflects architectural form and design concept.

steel roof structure;single-layered orthogonal space grid;vierendeel laced columns;cast steel joint

TU393.3

：A

：1671-9107（2013）01-0025-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.01.025

2012-11-25

艾治勇（1976-），男，重慶人，研究生，工程師，主要從事大跨鋼結(jié)構(gòu)設計及研究。