航站楼结构设计

  • 来源:建筑创作
  • 关键字:航站楼,中国建筑,地震带
  • 发布时间:2015-09-24 09:10

  结构设计综述

  昆明长水国际机场位于我国西南地区小江地震带的中段西缘。航站楼南北长约850m,东西宽约1120m,由前中心区中央大厅、后中心区、中央指廊和东西指廊组成,前中心区地下三层、地上三层,其他区地下一层,地上二、三层,地下层包括行李传送通道和预留的APM捷运通道。航站楼±0.000标高为2102.35m。

  需要解决的问题

  1.航站楼面临复杂的场地环境

  根据中国建筑西南勘察设计研究院提供的《昆明长水国际机场新航站区岩土工程勘察报告》,拟建场地跨越多个地貌单元,地形起伏不平,场区属岩溶区,岩溶非常发育,多条断层从场区穿过,属高地震烈度区。场地地质构造见图1,场地断层分布见图2,航站楼与场地地质的关系见图3。场地岩土种类多,包括不同地质时代的灰岩、白云岩、白云质灰岩、砂岩、泥岩、红黏土等。

  挖填方后地基极不均匀,为土岩组合地基。

  航站区地形在浑水塘油库南面较为平坦,地形起伏不大,总体上向西南倾斜,高程逐渐降低,该区域钻孔孔口标高在2064~2085m,高差21m。

  场区地貌总体以岩溶地貌为主,其次为构造剥蚀丘陵地貌。

  根据地貌的成因与形态,昆明长水国际机场工程可划分为三个地貌单元区:岩溶地貌、构造剥蚀地貌及冲洪积地貌。

  场地地下水总体上可划分为南北两个水文地质单元,北属扬官庄水文单元,南属大板桥水文单元,分水岭位于F10附近,可能有一定动态变化。在航站区分水岭位于P1d泥岩分布带,南侧地下水丰水期埋深40~50m,标高2022~2045m,北侧丰水期地下水埋深35~50m,标高2030~2045m,水位季节变化幅度约在5.0~8.0m,地下水位对降雨(特别是强降雨)反应迅速,降雨后水位快速提高。

  2.航站楼面临严峻的地震形势

  根据云南省地震工程研究院提供的《昆明长水国际机场新航站区场地地震安全性评价报告》,工程场地位于近南北向小江地震带中段西缘,历史上场地主要受小江地震带的影响,场地周边其他的地震带影响是次要的。航站楼与小江断裂带的关系如图4所示。

  近场区为历史强震多发地段,自公元1599年有破坏性地震记载,至今共计有M≥4.7级地震7次,其中5~5.9级4次、6~6.9级2次、8级1次,主要集中在场地东侧,为小江地震带内强震。所以,场地受本地强震的影响是主要的。

  距机场只有12km的小江断裂带为世界上活动级别最高的断裂带之一,500年来,平均150年发生一次近8级地震,至今170年没有7级以上地震,形势愈来愈严峻。场地周边地震分布见图5。

  3.航站楼结构复杂

  (1)结构超长

  航站楼A区(核心区)结构平面为324m×256m;E区、F区下部混凝土结构分4段,屋顶钢结构连成整体,结构计算长度均超过了300m。根据规范要求,此部分结构需进行多点多维地震输入。

  (2)屋顶支承结构为钢彩带结构

  航站楼A区(核心区)屋顶支承结构为钢彩带结构;钢彩带结构的设计难度很大,如平面外计算长度取值(规范没有规定)、彩带的稳定、节点构造、钢结构制作问题等。

  (3)A区(核心区)为满足建筑要求,采用了索幕墙结构

  航站楼的主入口正立面,其内部是航站楼中最为重要的出发、到达大厅等公共空间,其立面效果对于航站楼整体建筑形象和内部空间来讲都是最为重要的环节。

  采用悬索幕墙系统,可以取得最大的通透效果,体现钢结构彩带的立面特色,表现出作为昆明重点形象工程所应具有的建筑形象。

  昆明长水国际机场航站楼工程索结构有以下几个方面的特点:

  ①幕墙的受力索穿过钢彩带结构;

  ②索网结构不规则;

  ③支撑索结构的为钢彩带结构,钢彩带与索结构的变形会相互影响;

  ④索节点的构造复杂;

  ⑤索的张拉施工难度很大。

  结构选型

  为满足建筑布局灵活多变的功能要求,经综合考虑,航站楼主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构,钢筋混凝土柱为圆柱。屋顶采用钢网架结构,支撑屋顶的结构采用钢结构,其中央大厅屋顶支撑结构为“钢彩带”,以体现“七彩云南”的主题。

  主体钢筋混凝土框架结构分为16段,按防震缝设置;屋顶钢结构分为7段,段与段之间设伸缩缝。

  由于昆明长水国际机场建设面临严峻的地震形势和复杂的工程地质问题,加之航站楼结构复杂,前中心区支撑屋顶的钢结构采用了国内罕见的彩带形状,为保证航站楼结构的抗震安全,前中心区主体结构采用了隔震技术。隔震层位于基础与地下室底板之间,隔震层层高3m,采用(铅芯)橡胶支座与粘滞阻尼器组合隔震体系。

  航站楼主体结构基本柱网12m×12m,12m×18m,支撑钢结构屋面的柱网36m×36m,36m×24m。混凝土结构柱为圆形,直径1200~2800mm;框架梁采用主次梁结构,部分区域为满足建筑师美观的要求,采用了清水混凝土结构,结构梁高主要为700~900mm,主梁梁宽主要为1000~1300mm,次梁梁宽主要为500~600mm;次梁间距主要分为两种,一种间距根据结构合理要求,一种间距按建筑天花要求;结构楼板厚主要为160mm、200mm。部分结构楼层梁及托柱转换梁,跨度较大或荷载较重,采用了预应力技术。由于航站楼主体结构较长,分段后的地上及地下混凝土结构长度仍超过规范建议值较多,设计中采用了一系列措施解决结构超长问题,如在长度较长的结构楼层的梁、板内设置了预应力钢筋。工程的结构设计基准期为50年,结构安全等级为一级,抗震设防烈度为8度,基本地震加速度为0.2g,建筑场地类别为Ⅱ类,抗震设防类别为乙类,设计地震分组为第二组。

  研究内容

  由于昆明长水国际机场存在许多技术难题,设计中对相关新技术进行了专题的研究,并将研究成果应用在设计中,指导设计工作,使昆明长水国际机场航站楼工程的设计达到安全、合理和有效。

  主要研究内容有:

  (1)组合隔震技术在航站楼工程中的应用;

  (2)钢彩带支撑结构的设计研究;

  (3)多维多点抗震性能研究;

  (4)地震振动台模型试验研究。

  基础结构

  本工程地质条件非常复杂,场地岩溶发育中等,有各种岩溶地区的不良地质现象发育,场区地面起伏大,存在大面积填方区和高填方区。本工程地基基础设计等级为甲级。

  航站楼基础采用人工挖孔桩基础,桩端持力层为中风化岩层,承台顶标高-17.200m。航站楼±0.000标高按场地整平标高2102.35m。

  基础方案选型

  1.天然地基可行性分析及存在的问题

  (1)地基不均匀问题

  场地平整后航站楼地基属土岩组合地基,南北指廊端部地基为中风化碳酸盐,属坚硬岩石,中指廊为填方区,填方厚度约30m,加上原地基土,可压缩层厚度达到30~45m,中指廊向端部可压缩地基土逐渐变薄过渡至岩石地基,容易产生地基不均匀问题。

  (2)容易出现不均匀沉降

  对填土压实地基而言,自重固结沉降是很难消除的,沉降量的大小取决于填料类型、压实方法和压实效果;相对于天然地基土,压实填土的均匀性一般也较差,容易出现不均匀沉降。

  (3)存在地下岩溶局部塌陷的可能性

  局部塌陷虽然造成地表大面积沉陷的可能性不大,但对建筑物而言,可能造成建筑物开裂、结构损坏。

  (4)若采取压实填土作为持力层的浅基础,必须从地基、基础和上部结构设计几个方面同时考虑。

  首先通过详细勘察,对地下岩溶进行合理的处理,在重点受力部位需定点勘探,避免出现岩溶塌陷;尽量降低填土地基土的自身沉降、原地基土的沉降,减小地基的不均匀性。降低填土地基的沉降主要从填料选择、压实方法、压实能量等方面进行对比研究,选择合适的压实回填方案,消除原土地基的沉降则从清除原有软弱地基、对原地基土进行加固处理;通过现场试验确定分层回填的厚度,保证回填土的均匀和质量;回填完成后需进行现场检测;基础形式需采用梁筏板整体性基础,具有抵抗差异沉降的能力;在结构上应将航站楼划分为若干独立的结构单元,单元之间设置沉降缝,同时加强结构和基础的刚度。

  2.桩基的可行性分析及存在的主要问题

  (1)采用桩基应以基岩作为桩端持力层,能有效解决沉降和不均匀沉降问题。

  (2)采用桩基时压实回填地基要求可以适当降低,但地基沉降会对桩基将产生负摩阻力,因此依然需严格控制地基沉降问题。根据地基条件,仅计桩端进入中等风化表面计算,桩身最大长度估计达到45m左右,最短的桩仅数米。

  (3)不论采用何种桩型,填土地基内施工如此长的桩难度均很大。

  (4)桩端持力层基岩受力集中,桩端一定深度内基岩应基本完整,无溶蚀破碎带和溶洞发育。

  (5)根据现场填料情况和可能的填筑方式,可行桩基形式为人工挖孔灌注桩和冲、钻孔灌注桩。

  3.两种方案比较

  通过两种地基基础形式的分析和对比,可以看出:

  (1)桩基础方案具有结构受力合理,能解决沉降和不均匀沉降问题,并能有效解决岩溶问题的优点;但在回填完成后,进行桩基础施工,特别是桩身最大长度估计达到45m左右时,难度较大。虽然拟建场地岩层高差起伏较大,长短桩很多,但可以通过结构分段来合理解决。

  (2)采取压实填土作为持力层的浅基础方案,关键在于如何保证回填土的质量和均匀性,特别是在大面积和回填深度较大时,难度很大且不易保证。因此,考虑柱底荷载较大,根据现场的工程地质条件,以及当地的工程经验,航站楼采用桩基础方案,桩端持力层为中等风化岩,并根据回填方案和可操作性,确定桩基形式为人工挖孔灌注桩。

  地基处理的技术要求

  根据航站楼工程详细勘察报告及工程场区的安评报告,航站楼前中心区地基处理的设计要求如下:

  (1)在人工挖孔桩施工前应先进行场地平整和地基处理;

  (2)场区大面积回填部分,回填土采用土石比2∶1的混合土采用3000kN·m能级强夯分层回填,局部回填采用分层碾压回填;

  (3)建议场区石料回填的粒径小于200mm,以适应人工挖孔桩的要求;或采用其他能满足上述回填要求的填筑方案;

  (4)场地平整和地基处理后,回填后的地基土承载力应≥200kN/m2,变形模量应≥15MPa;

  (5)根据施工勘查结果,对地下溶洞根据埋深、顶盖厚度、洞口大小、是否为充填溶洞等因素,确定具体的处理办法。

  (6)对地表岩溶采用碎石垫层或土石比2∶1的混合土强夯进行处理;

  (7)航站楼内落水洞,不宜对其进行堵塞,先清理洞底虚土,下部用粒径较大的石料回填,上部采用级配砂石回填,采用1000kN·m能级强夯进行处理;

  (8)回填土采得压实系数控制在0.93;

  (9)在平整场地过程中测定剪切波速,保证场地回填土的剪切波速达到200m/s以上;

  (10)回填后的地基土要求达到Ⅱ类场地土的要求;

  (11)场区回填施工方案需经勘察单位及地震安评单位确认后方可实施。

  实施方案

  针对本工程复杂的地质条件,航站楼地基基础的选型时考虑岩溶、断裂带、高填方和地震作用等不利因素的影响。

  (1)地基基础根据场地情况分区分段处理,分为天然地基和桩基;

  (2)在挖方区采用天然地基,填方区采用桩基;

  (3)桩基采用人工挖孔大直径灌注桩基础;

  (4)桩端持力层为中风化岩层;

  (5)桩基础施工前进行详细的施工勘查,查明持力层岩性、破碎程度、岩溶等不利情况。

  结构架空层处理

  由于本工程场区存在大量填方区,航站楼大部分区域落在填方场区上,对航站楼无地下室的区域采用结构架空层的做法,如图15所示。其优点:

  (1)解决基础同步施工的问题;

  (2)减少场区回填地基处理;

  (3)节约造价。

  针对此问题专门进行了回填方案与架空方案的经济比较,以F段F101-F101剖面为例,取一个标准开间(12m跨)估算造价(表1)。

  隔震结构方案比较

  昆明长水国际机场航站楼地上四层、地下三层,主体结构采用钢筋混凝土框架结构;屋盖采用钢结构,主要由七条钢彩带支承;属于大型复杂结构,且结构纵、横向刚度不对称。另外,昆明长水国际机场采用钢彩带间嵌入式玻璃幕墙,幕墙玻璃网格尺寸为3.2m×3m,该部分造价约3000万元;采用抗震设计方案时,彩带的层间变形不容易满足玻璃幕墙所能承受的极限变形,可能导致大震作用下玻璃幕墙的大量破碎,造成严重的经济损失和人员伤亡。再者,机场工程航站楼部分采用许多先进的电子仪器设备,如行李分捡与输送系统、安保系统,这些贵重的仪器设备在大震中可能遭受严重破坏,导致系统中断服务。而采取隔震设计方案时,上部结构的地震反应将大幅度降低,从而明显减少了上部复杂结构的内力和幕墙玻璃的变形,可以确保上部结构、幕墙玻璃及仪器设备的安全性。

  消能减震设计是指在房屋结构中设置消能装置,通过其局部变形提供附加阻尼,以消耗输入上部结构的地震能量,达到预期防震目标。昆明长水国际机场航站楼部分,属于大型复杂结构,如产生较大的局部变形,意味着结构局部将产生较大的内力,有可能导致钢结构彩带失稳或幕墙玻璃破碎,这是设计所不允许的。另外,我国目前消能减震工程实践中,多采用阻尼支撑形式;而昆明长水国际机场采用大跨结构、玻璃幕墙,如采用支撑形式,既影响视觉效果,又妨碍交通组织。再者,由于结构体量、自重大,抗震设防烈度高,采用消能减震设计方案时,设计阻尼力大;而我国目前大吨位的黏滞阻尼墙、黏弹性阻尼墙等产品不成熟,尚无工程实践经验,现阶段不便在重大工程中应用。因此,在昆明长水国际机场航站楼设计中建议不采用消能减震设计。

  在国际上,高烈度地震区的大跨建筑,有许多采取隔震设计的成功经验。如美国旧金山国际机场,距圣安德烈斯断裂只有5km。圣安德烈斯断裂,总长超过965km,是世界著名的活动断层。20世纪以来,发生6级以上地震14次,最大为1906年8.3级地震;1990年以来在该地区发生3次分别为7.6级、6.7级和6.6级的强地震。旧金山国际机场的旅客年吞吐量为3463万人次,货物年吞吐量63.6万吨,世界排名第14,2005年美国最佳国际机场。旧金山国际机场候机主楼长350m,宽150m,采用最新隔震技术,可抵抗该断层最近点可能发生的8级地震,同时大幅降低了造价,成为目前世界最大的隔震建筑。土耳其安塔利亚国际机场T1航站楼,采用隔震设计方案,共采用130个FPS隔震支座。日本除在50层的高层建筑中采用隔震技术外,还建设了多座300m×100m的隔震仓库。

  因此,分析认为,对昆明长水国际机场航站楼采取隔震设计是必要的,也是可行的。

  隔震层位置的选择

  通常,对于大跨建筑,隔震层的位置可以选择在支撑屋盖的柱顶、±0.00m附近或地下室底板顶面等部位。

  对于昆明长水国际机场航站楼,由于支承钢结构屋盖的是非对称布置的钢结构彩带,其间还镶嵌着幕墙玻璃。如果在彩带顶设置隔震支座,大屋盖受地震作用产生的水平剪力通过隔震支座传递到彩带上,可能导致彩带失稳,或由于彩带变形引起幕墙玻璃破碎,或按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)要求,彩带因承受罕遇地震作用下的内力而难于设计。而且,由于屋盖较柔,且其重量仅占整体结构的1/25,采用屋盖隔震意义不大。因此,建议隔震层不布置在彩带顶部。

  当隔震层布置在±0.00m位置时,由于建筑功能要求,结构首层楼面开洞较多,影响了隔震层以上楼面的整体刚度。对大底盘隔震来说,需要通过提高隔震层以上楼面的整体刚度,来克服可能出现的地基不均匀沉降导致的不利影响,同时确保上部结构作整体运动。另外,由于机场功能复杂,安装自动扶梯、电梯等设备,布置幕墙玻璃、锥形钢管柱等,不适合穿过隔震层。因此,建议不在±0.00m处布置隔震层。

  当在结构地下室底板顶面布置隔震层时,一方面不影响整体建筑的功能布置;另一方面可充分发挥隔震效果,降低因上部结构采用复杂结构形式带来的风险,从根本上提高整体结构的抗震性能。

  因此,对昆明长水国际机场航站楼工程,采用在地下室底板顶面设置隔震层的设计方案。隔震层位于-14.2m以下。

  隔震设计理念

  昆明长水国际机场航站楼隔震设计,采用如下设计理念:

  1.设防目标

  上部结构地震作用按7.5度计算,严格执行《建筑抗震设计规范》5.2.5条的规定。

  2.隔震装置

  隔震层由铅芯橡胶隔震支座、橡胶隔震支座和粘滞阻尼器组成;根据水平向减震系数确定铅芯橡胶隔震支座的数量;通过设置粘滞阻尼器来限制隔震层在大震下的位移。确保结构具有足够的安全储备和结构设计的经济性。

  3.隔震支座选型

  基于我国目前隔震支座的生产现状,主要采用直径1000mm的隔震支座,其中直径1000mm的铅芯橡胶隔震支座主要布置在建筑周边,以增强隔震层抵抗结构偶然偏心的能力。

  彩带钢结构

  航站楼工程中支撑屋顶的钢结构采用的彩带形钢结构国内罕见,其中,空间交叉彩带拱结构更是国内目前的空白。彩带形钢结构的选型、曲面拟合、分析模型的建立、动力分析和结构抗震设计方法等专题的研究在国内尚属罕见。

  彩带成型研究

  1.彩带结构外形控制

  彩带结构共7榀,包括5榀垂直于地面的平面彩带、与地面倾斜的两榀彩带相交形成空间彩带;5#彩带~7#彩带落在三层楼面,标高10.4m,其余彩带落在地下一层楼面上,标高-5.0m。除空间彩带(即2#彩带和3#彩带)外,在五榀平面彩带上,还设有次级彩带。按照建筑造型,1#彩带~4#彩带落在两榀下彩带上。

  各榀彩带关系尺寸介绍如下。

  (1)1#彩带

  结构最南端,沿东西方向布置,属于平面连续拱,中间拱跨度36m,边部拱跨度24m。分为上下两部分:其中下彩带矢高14.6m,截面高0.75m,彩带顶截面宽度4.5m,彩带底截面宽度3.0m;上彩带矢高14.3~37.4m,截面高0.75m,截面宽2.5m。拱与水平面垂直,可以承担屋顶竖向荷载、索幕墙荷载、地震荷载、风荷载等荷载。

  (2)空间彩带—2#彩带和3#彩带

  与地面倾斜的2#彩带和3#彩带交叉形成的三维空间拱结构,也可以看成由类似正放四角锥作为基本组成单元,沿东西方向相互连接排列,形成的三维空间拱结构。不仅承担屋顶的竖向荷载,而且还能传递南北方向和东西方向的水平荷载。这里正放的四角锥的棱边不是直线,而是曲线,中部四角锥的底边为24m×36m,边部四角锥的底边为24m×24m,四角锥的高在13.9~34.1m之间变化。截面高0.75m,宽2.0m。空间彩带的拱脚支承在1#彩带和4#彩带的下彩带顶点。

  (3)4#彩带

  东西方向布置,平面连续拱,中间拱跨度36m,边部拱跨度24m。分为上下两部分:其中下彩带矢高14.6m,截面高0.75m,彩带顶截面宽度4.0m,彩带底截面宽度2.5m,曲线形状同图19中的下彩带;上彩带截面高0.75m,截面宽2.0m,控制点坐标列于表2。拱与水平面垂直,可以承担屋顶竖向荷载、地震荷载、风荷载等荷载。

  (4)5#彩带~7#彩带

  东西方向布置,平面连续拱,中间拱跨度36m,边部拱跨度24m。彩带截面高0.75m,截面宽2.0m,控制点坐标列于表2。拱与水平面垂直,可以承担屋顶竖向荷载、地震荷载、风荷载等荷载。次级拱不仅能对主拱提供支撑,而且可以减小屋顶结构的跨度。

  2.彩带结构曲线找形

  根据建筑专业的要求,彩带曲线按照以下方式生成:彩带采用分段曲线进行拟合,在彩带的底部和顶部采用抛物线,中间段采用三次曲线,在连接位置各段曲线相切。以下彩带的36m跨型为例。

  曲线分段方程为:

  三段曲线的连接位置坐标为:(5,2.2),(13,12.2),在该两点上满足光滑连接(即两端曲线在连接位置的斜率相等)。按上述方法能生成整个下彩带,与建筑专业要求吻合良好。

  彩带结构选型

  分别建立了箱形梁方案和桁架方案两种方案的彩带模型进行了对比计算:

  1.计算模型

  为了保证得到相同的承载能力,按截面刚度等效的原则,将750mm×2000mm×20mm×30mm的箱形梁截面等代为桁架模型,此时,桁架的弦杆截面需为750mm×600mm×24mm×48mm。

  两种方案模型所列之截面的抗弯刚度比较如表3:

  上表显示,二者在弱轴方向刚度(即彩带平面内刚度)基本相等,在强轴方向刚度(即彩带平面外刚度),桁架方案强于箱形梁方案。

  2.位移、应力计算结果

  (1)箱形梁彩带模型结果(梁截面2000mm×750mm×腹板20mm×翼缘30mm):

  下部彩带(箱形梁模型)位移—最大18mm

  下部彩带(箱形梁模型)应力图—最大应力145N/mm2出现在拱底和拱顶

  (2)桁架彩带模型结果

  下部彩带(桁架模型)位移—最大15mm

  下部彩带(桁架模型)应力图—最大应力144N/mm2出现在拱底和拱顶

  (3)对比分析

  从以上两种计算结果可以看出,采用桁架方案和箱型梁方案刚度及承载力差别不大。但从建筑的角度讲,箱型梁方案更吻合设计原创意图。因此,最终采用箱型梁方案进行设计。

  小结

  彩带支撑结构作为本工程设计的最大亮点,由于造型复杂且为空间弯扭构件,同时支承核心区整个屋盖结构,设计难度较大。为了满足建筑造型的效果,并在保证结构安全的前提下最大可能节省造价,设计研究过程中对彩带的曲线找形进行了较深入的研究,保证建筑外形的效果,同时方便了加工制造;其后对彩带结构进行了方案比选,保证设计的经济性;通过对结构进行计算长度分析及关键节点承载力分析及非线性稳定分析,保证结构能够达到设计的预期性能目标;最后通过对断索分析以及考虑支座失效分析,保证结构在超过设计载荷的低概率事件下结构不会发生连续倒塌。通过以上分析表明,彩带结构达到了既定的设计目标。

  幕墙索结构

  概况航站楼主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构,前中心区支承屋顶曲面空间网架结构的是钢彩带结构。

  前中心区正面和侧面采用点式悬索幕墙系统,以取得最大的通透效果,体现钢结构彩带的立面特色,表现出作为昆明重点形象工程所应具有的建筑形象。

  如图28所示,EWS-5.1—南侧中心区南立面悬索点式彩带垂直型玻璃幕墙(陆侧);EWS-5.2—中心区陆侧东、西两侧悬索点式垂直型玻璃幕墙系统(陆侧)。

  1#彩带是南侧正立面幕墙的主要支撑结构和标志性构件,分为上、下两层,沿东西方向布置,属平面连续拱,中间拱跨度36m边部拱跨度24m,下彩带矢高为15m,上彩带矢高14.5~35m。上彩带设置次级彩带作为辅助构件。1#彩带贯穿地下一层和三层的到达、出发大厅,与1#~2#交叉彩带和3#彩带共同构成了到达、出发大厅最重要的空间要素,南侧幕墙示意如图29所示。

  EWS-5.1南立面彩带悬索幕墙统一的模数制原则,水平间距3000mm,竖向间距1600mm。

  EWS-5.1南立面悬索彩带幕墙以钢结构彩带、次级彩带作为幕墙系统主体支撑结构。采用平面钢索结构,追求通透的外观效果,突出“彩带”在幕墙立面上的效果。

  不锈钢索与屋架结构、彩带钢结构及地下一层混凝土楼面有效连接,夹板式抓件。

  索幕墙结构经过方案分析对比后,采用竖向单索为主,局部高度较大处增设水平索。索结构设于彩带钢结构平面中间,但上下贯通,上、下端头固定在屋架和混凝土主体结构上,在穿越彩带结构处设索头连接件,承受水平向荷载,降低拉索跨度。幕墙彩带钢结构中间局部中空,利于索的上下穿行。每根竖向钢索需穿行3个洞口,共计约327个洞口(南侧竖向主钢索109根),见图30。

  此方案的优点:

  (1)彩带突出幕墙玻璃,彩带外观效果鲜明,同时减少了外露的大量锚具。

  (2)索结构系统计算体系较简明,避免大量短索的出现,索的整体调节更易操作。

  此方案的缺点及难点:

  (1)彩带钢结构需根据幕墙索的定位协调开口位置,满足拉索安装要求。彩带钢结构设计、施工复杂,难度加大。

  (2)彩带处设拉索连接件较多,对施工、造价有影响。

  (3)与彩带钢结构连接的索与周边非连接索的受力、变形差异,对玻璃板块产生影响。

  (4)拉索穿越彩带钢结构桁架的部位需采用铝合金(钢板)包覆,规格多,加工、施工要求高、难度大。

  (5)玻璃异型板材多,加工、施工难度较大。

  结构模型

  1.整体模型

  索幕墙结构的结构模型如图31所示。

  2.简化模型

  由于整体模型节点单元数量巨大,因此采用了如下局部简化模型进行幕墙的详细计算。简化模型如图32~34所示。其中:(1)彩带底部为全固定约束;(2)索与地面是铰接连接;(3)屋面采用桁架模拟,桁架在平面外采用具有一定轴向刚度的短杆支撑,以模拟屋面网架对于幕墙彩带的面外支撑作用;(4)大连桥和边柱相应的位置也采用具有一定轴向刚度的短杆支撑,以模拟大连桥和边柱南北向梁的面外支撑作用。

  拉索上端拉在网架下弦,下端拉在4.8m标高梁上,中间在10.4m梁上设置侧向支撑。

  荷载

  1.幕墙玻璃自重

  幕墙自重按25mm厚的玻璃考虑,约为70kg/m2。索的自重由程序自动考虑。

  2.风荷载

  按照《点支式玻璃幕墙工程技术规程》(CECS127:2001)的5.3.6条,计算拉索支承结构的位移和强度时,风荷载标准值按下式计算:

  wk=1.1βzμzμsw0

  βz—风振系数,最近国内对幕墙的研究表明,对于大跨度索杆体系幕墙的风振系数可以取为2.0~2.7,本次计算取2.3,以后会根据数值风洞的结果进行计算。

  μz—风压高度变化系数,根据各加载点的实际高度计算,按荷载规范B类地面采用,计算时,加载点的实际高度从-5.0m标高开始算起

  μs—风荷载体型系数,此处按荷载规范中7.3.3围护结构的局部体形系数,墙面外表面1.0+内表面0.2=1.2,然后考虑围护结构从属面积折减系

  数0.8,1.2×0.8=0.96,最终取为1.0。

  w0—基本风压,计算围护结构时,可按50年的基本风压取值,0.30kN/m2。

  3.水平向地震作用

  按《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102—2003),垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用标准值按下式计算:

  qEK=βEαmaxGk/A

  式中:qEK—垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用标准值(kN/m2)βE—动力放大系数,取5.0

  αmax—水平地震影响系数最大值,按隔震后的7.5度考虑,为0.12

  Gk/A—玻璃幕墙构件(包括玻璃面板、边框以及拉索)的单位重力荷载代表值(kN/m2)。

  索每平方米重量估算:按50mm直径的索估计,[(0.052×3.14/4)×(3+3.2)×7850]/(3.2×3)=9.95kg/m2。因此,Gk/A按80kg/m2。计算得到,每平方米水平地震作用为0.48kN/m2。

  索布置及其预张力设置

  南侧幕墙索的布置如图35~39所示。

  南侧幕墙的索张力设置见表4。

  表中索断面面积和最小破断力按坚朗公司《点支式幕墙配件典型产品目录》(2008版)取值。

  东西侧幕墙仅设置竖向受力索,索直径D36;水平方向仅设置构造索。

  正常使用极限状态计算

  按《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102—2003)中5.4.4条的规定,“幕墙构件的挠度验算时,风荷载分项系数γw和永久荷载分项系数γG均应取1.0,且可不考虑作用效应的组合。”因此,考虑单独在重力荷载和风荷载的标准值作用下,进行结构正常使用极限状态的验算。

  南侧幕墙的最大位移发生在中部最高的彩带分格内,最大值452mm,为索跨度的1/46。

  东西两侧幕墙的最大位移375mm,为索跨度的1/45。

  承载力极限状态计算

  为验算拉索的承载力,南侧幕墙拉索在各工况组合情况下的受力列于下表,考虑以下三种荷载组合情况:

  1.2D+1.4W+0.65EQ、1.2D+1.4W+0.65EQ+TEMP(+20)、1.2D+1.4W+0.65EQ+TEMP(-20)拉索的拉力承载力设计值取为最小破断力的1/1.8(表6、表7)。

  特殊构造措施

  本工程索结构有以下几个方面的特点:

  (1)幕墙的受力索穿过钢彩带结构;

  (2)索网结构不规则;

  (3)支撑索结构的为钢彩带结构,钢彩带与索结构的变形会相互影响;

  (4)索节点的构造复杂;

  (5)索的张拉施工难度很大。

  根据索幕墙的特点,采取的主要措施有:

  (1)幕墙拉索上端固定于屋面网架,所以屋面网架必须加强,满足强度和刚度的要求,网架在此区域的杆件截面和节点球都会相应增大;

  (2)幕墙拉索的张力最终由幕墙彩带承受,所以幕墙彩带必须加强。需要注意的是,幕墙彩带本来就是负担最重的一榀彩带,主要原因在于:

  ①38m的大悬挑由幕墙彩带承担,因此幕墙彩带的负荷面积最大;

  ②此部位网架的厚度最大,网架的自重最大。

  (3)对主彩带立面的建筑构型进行微调,结构受力更加合理;

  (4)调整次级彩带的立面定位,适当降低拉索竖向跨度;

  (5)幕墙彩带的上下彩带之间增设水平钢梁,增强整体强度,同时与入口连桥妥善连接,进一步提高彩带系统的横向整体性能;

  (6)控制索的初始张拉力、变形控制;

  (7)彩带断面根据结构受力计算适当增大;

  (8)先按简化模型计算分析,最后再根据索的布置,进行整体模型计算分析;

  (9)根据整体计算结果再对索结构的初张力、索直径等进行调整。

  地震模拟振动台试验

  试验目的和内容

  昆明长水国际机场航站楼A区结构进行模拟振动台试验研究的主要内容有:

  (1)掌握结构在不同水准地震作用下的动力特性(自振频率、振型和阻尼比等)变化情况;

  (2)量测结构在多遇、基本、罕遇地震作用下的位移和加速度反应,检验结构是否满足建筑抗震所涉及《规范》要求,验证其隔震效果;

  (3)考察结构在不同水准地震作用下的破坏形态,隔震层的受力变形状况,整体结构的扭转反应和薄弱环节等,研究其破坏机理;

  (4)在综合分析振动台试验结果的基础上,提出相应的设计建议或改进措施。

  试验过程

  根据试验研究目的,试验工况按照隔震和非隔震两类分别进行,激励选用了ElCentro波、Taft波和人工波(多遇/基本烈度采用Wave61,罕遇烈度采用Wave31)作为振动台输入的台面激励。试验地震水准按照地震安全性评价进行模拟。

  隔震模型试验加载工况按照8.2度多遇、8.2度基本和8.2度罕遇的顺序分3个阶段进行;上述试验完成后,拆除隔震层的阻尼器后进行8.2度多遇和8.2度罕遇烈度ElCentro波激励下的模型试验。

  试验工况按照X+0.85Y或0.85X+Y进行双向输入,天然波采用三向地震记录,人工波采用单向记录(或:对人工波仅进行单向地震激励)。在8.2度多遇工况中进行XYZ三向输入试验。

  试验结论

  通过振动台试验,得出以下结论:

  (1)结构动力特性

  原型结构在隔震状态下的第一自振频率为0.473Hz,振动形态为X向平动;结构的第二自振频率为0.472Hz,振动形态为Y向平动;相应的自振周期分别为2.114s,2.120s;在非隔震状态下的第一自振频率为0.929Hz,振动形态为X向平动;结构的第二自振频率为0.827Hz,振动形态为Y向平动;相应的自振周期分别为1.076s,1.210s。结构的扭转不是太明显,其中隔震结构的扭转角要比非隔震结构小,装有阻尼器的结构的扭转要好于无阻尼器的结构。结构的扫描频率随输入地震动幅值的增大而降低,结构阻尼比随结构的破坏加剧而增大。

  (2)隔震效果

  通过各工况下各层最大加速度和放大系数图表,楼层最大相对位移图表可以看出,隔震以后的上部结构的加速度响应要比非隔震结构小很多,隔震以后上部结构的层间位移要明显小于非隔震结构。从加速度和位移对比来看,X向的隔震效果要优于Y向。不同的波形对结构的影响不同。

  从加速度对比表中可以看出,8.2度大震、中震、小震下隔震结构各层的加速度反应都要低于7.5度非隔震结构对应工况的各层加速度反应;通过8.2度罕遇地震下对隔震结构和非隔震结构时程对比可以看出,隔震结构的加速度反应要小于非隔震结构,其中F3层和网架要更加明显,非隔震结构在结构顶部的加速度的放大作用要大于隔震结构。从相对隔震层位移的绝对值时程来看,隔震结构的位移要比非隔震结构小的多。

  从扭转角来看,各工况下隔震结构的扭转角都要比非隔震结构对应的扭转角要小。综上所述,隔震结构已经很好的达到隔震效果。

  (3)阻尼器的作用

  对隔震结构模型,在小震和大震下,对装有阻尼器和没有装阻尼器的结构分别进行试验。从分析对比图表中可以得出:在有阻尼器的状态下,结构的加速度放大系数,结构的相对楼层位移,层间剪力以及扭转角都要小于无阻尼器结构。其中,在小震下,个别层的加速度在有阻尼器的结构中比无阻尼器略大,大震下阻尼器的作用要更加明显。综上说明阻尼器对结构耗能减震是起明显作用的。

  (4)结构的薄弱部分和设计建议

  ①区尾部侧面混凝土结构建议加强,试验过程中发现较多柱子出现裂缝,而且裂缝首先就是从这边开展的。各角柱子都有不同程度破坏迹象。

  ②混凝土柱子编号为KZA06C的柱子,在隔震状态大震下就产生了破坏现象,而且很明显,需要注意。

  ③彩带在Y方向的运动要大于在X方向,Y向网架鞭鞘效应明显,说明彩带平面外刚度较弱,建议加强。

  ④网架面积大,其中间跨度大。其中网架在4#和5#彩带之间跨度最大,其竖向振动幅度较大,网架其他跨度大的部分振动也很明显,建议采取措施局部加强。

  通过以上分析,从整体上看,该航站楼结构设计基本合理,隔震效果明显,可满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防水准和8.2度的设计设防要求。

  束伟农 王春华 祁跃 朱忠义

……
关注读览天下微信, 100万篇深度好文, 等你来看……
阅读完整内容请先登录:
帐户:
密码: