廣州白云機場東三、西三連接樓結構設計改進

1結構設計1.1有連接樓的北建筑結構根據總體規(guī)劃，廣州新白云機場的擴建分為三個階段：1）最近的擴張：包括東西三個手指走廊和相關連接大樓。2）第二次擴建：包括北部主航道、東四、東五、東六手指走廊、西四、西五、西六手指走廊和相關連接大樓。3）第三次擴張：包括東七、西七指走廊和相關連接大樓。近期擴建工程總建筑面積為146535m2,其中,東三、西三連接樓面積約占2/3,位于一期現有連接樓的北端,結構平面布置見圖1(圖中東連接樓與西連接樓對稱),外形上與一期工程保持相似,平面呈圓弧狀,長約350m,寬約65m,與一期工程用結構縫分開。連接樓屋面為氟碳噴涂鋁合金金屬屋面,屋面板支承在結構壓型鋼板上,并沿徑向連續(xù)不間斷鋪設,在兩層板之間設有玻璃纖維保溫隔熱棉氈和隔汽層。在每側連接樓的屋頂設置了16只索-膜結構采光窗,膜為雙層,以達到改善隔聲的效果。膜用作外圍護構件,不參與整體受力。在室內,EB～EC(WB～WC)軸及EF～EG(WF～WG)軸屋頂設有吊頂,屋面壓型鋼板為單層壓型鋼板;EC～EF(WC～WF)軸屋頂無吊頂,屋面壓型鋼板為大跨度箱形壓型鋼板,無需檁條,以滿足建筑美觀要求。陸側和空側的玻璃幕墻均為點式夾膠玻璃幕墻,陸側玻璃幕墻為平板式夾膠玻璃,豎向桁架下端固定鉸接在首層混凝土結構上,上端以水平鉸接鏈桿與屋蓋鋼桁架節(jié)點連接;空側玻璃幕墻采用圓弧形夾膠玻璃,圓弧形的幕墻圓管支柱的下端固定鉸接在樓層混凝土結構上,上端固定鉸接在屋蓋鋼桁架上。端山墻為氟碳噴涂蜂窩鋁板幕墻,豎向支柱下端鉸接在樓層混凝土結構上,上端以水平鉸接鏈桿與屋蓋鋼桁架節(jié)點連接。1.2主要設計參數1懸掛荷載鋼屋蓋豎向荷載標準值為:活載:0.5kN/m2;有天花處懸掛荷載:0.48kN/m2;無天花處懸掛荷載:0.24kN/m2;天花及屋面板:1.0kN/m2;屋面板:0.4kN/m2;檢修集中荷載:1kN(檁條及屋面板)。2模型內壓測試連接樓體型系數的初步取值見圖2。由于建筑外型及周圍環(huán)境較為復雜,需要對結構進行風洞試驗。與一期工程相比,建筑外形及周邊環(huán)境變化不大,因此風洞試驗可參照一期工程的整體比例模型的試驗結果。除了測試建筑外壓外,試驗中還測試了建筑內表面各點的內壓。為了模擬門窗開啟對內壓的影響,在模型的墻面上開了一些小圓孔,開孔的大小、數量與擬考慮開口的門窗面積成比例。通過計算風荷載的平均值和均方差,可求出峰值風壓,供張拉膜、玻璃幕墻等外圍護構件設計使用。風振系數是根據結構的實際幾何尺寸、桿件截面大小、實際荷載分布,通過有限元及隨機過程理論求解的計算值,根據計算結果,連接樓風振系數一般為1.5～2.5。3體結構及功能屋頂采光天窗的張拉膜和脊索并不參與整體結構計算,膜邊緣及脊索的反力簡化為作用于主體骨架節(jié)點的集中荷載。荷載計算中考慮膜支座偏心對桿件所產生的扭矩。4鋼結構計算高差場區(qū)的極端最高氣溫為38.1℃,極端最低氣溫為0.4℃,取平均溫差±20℃作為室內鋼結構計算溫差。關于建筑結構的溫度作用,國內目前尚無計算溫度取值及有關荷載組合的規(guī)定,因此暫時取組合值系數為1.0,并考慮溫度與活載、風荷載組合。為了從構造上減小結構的溫度應力,連接樓屋蓋中設有兩道溫度伸縮縫。1.3主桁架結構及節(jié)點設計1)連接樓主桁架主桁架為三角形截面圓管相貫焊接空間桁架,共20道(變形縫處為兩道寬度減半的桁架,按1道計算),沿徑向設置,間距18m左右。每榀主桁架有3處支承:a.在EF(WF)軸處(陸側)沿縱向設置了一排人字形梭形組合柱,人字形柱的上下鉸支座是鉸軸平行的理想圓柱形鉸支座,容許人字形柱在桁架平面內自由擺轉,但又保證人字形柱在桁架平面外的穩(wěn)定;b.在EC(WC)軸處沿縱向設置了一排直徑為1.4m的鋼筋混凝土圓柱,桁架通過球鉸支座支承在柱上;c.在EA(WA)軸處(空側)為主桁架的落地支承端,主桁架弦桿經彎曲后直接支承在基礎上。但在E19(W19)和E20(W20)軸處,由于建筑需要加寬指廊入口的寬度,需將主桁架空側的落地部分截去架空,因此,每側有兩榀主桁架的空側端需要利用指廊入口門頂的大跨度巨型混凝土轉換梁(截面為2.5m×3m(h))來支承(圖3)。連接樓的主桁架是由圓鋼管相貫焊接而成的雙跨倒三角形截面立體桁架(圖4),桁架截面寬3m,高2.5m,弦桿截面尺寸為?245mm×(12～22)mm,腹桿為?(102～168)mm×(5～12)mm。兩根上弦桿間距保持為等距離。主桁架間距約為18m,沿徑向布置。主桁架的弦桿為分段圓弧,采用冷彎成形,弦桿分段變厚度。側面斜腹桿與弦桿的連接采用有偏心帶間隙的K型連接節(jié)點,腹桿之間無搭接。個別節(jié)點難以設計成無間隙型,則加相貫板或采用鑄鋼節(jié)點。支承張拉膜采光天窗的鋼骨架(圖5)是由一榀拱形平面桁架(a)和兩條彎曲的邊桁架(b)組成。拱形桁架的上邊框采用兩段?324圓管對稱拼接而成,下邊為起支承作用的縱向次桁架(c),為了穩(wěn)定拱形桁架,采用兩根穩(wěn)定拉索(d)和一組脊索(e)對桁架的頂點進行固定,脊索兼支承采光天窗張拉膜,穩(wěn)定索為?45(尺寸不包括護套)雙層PE護套半平行鋼絲索;拱型桁架的腹桿為縱橫分隔的矩形管,腹桿兼作玻璃幕墻的邊框。邊桁架的做法不同于一期,原設計是單根的空間曲線矩形鋼管邊梁,現改成了三角形截面立體邊桁架,其弦桿是平面二次曲線。為保證主桁架的平面外穩(wěn)定,沿屋蓋的縱向設置了3道縱向桁架,分別位于EB(WB)軸、EC(WC)軸、EF(WF)軸附近。主桁架在陸側部分分叉成兩個較小的三角形桁架,分叉部分同時也是采光天窗的邊桁架,沿縱向形成“之”字形平面布置,使屋蓋在采光天窗開口處的平面剛度得以增強。另外,為了平衡采光天窗張拉膜的側向張拉力,在采光天窗之間的屋蓋部分設置了水平支撐。1.4箱形壓型鋼板的設計屋面結構采用壓型鋼板承重,在沒有吊頂的EC～EF(WC～WF)軸部分,為了使室內建筑效果簡潔,采用了無需檁條的箱形組合壓型鋼板。這期工程采用的箱形壓型鋼板,主要是用于指廊,連接樓只用了一部分,規(guī)格與指廊一致。由于指廊的柱距由一期的12m加大到了18m,風壓也比較大,所以箱形壓型鋼板的高度也從一期的310mm加高到380mm(圖6),但形狀與一期基本一樣。箱形壓型鋼板加高后,側邊的現場連接變得更困難了,工具難以伸進狹窄且深的間隙中,所以對板間間隙的寬度予以適當加大。在有吊頂的EB～EF(WB～WF)軸及EF～EG(WF～WG)軸部分,連接樓屋面板采用單層壓型鋼板,板型同一期,為76mm高的壓型鋼板,鋼板厚1.2～2.0mm(圖7)。與一期不同的是,板跨沿連接樓的橫向,跨度3m左右,其優(yōu)點是檁條可將屋面荷載直接傳至主桁架的各個上弦節(jié)點上,傳力較為均勻,且檁條無需冷彎。檁條采用500mm高焊接H型鋼。為了使單層壓型鋼板與箱形壓型鋼板的板面平齊,檁條的頂面需要高出主桁架上弦鋼管頂面300mm左右,在EF～EG(WF～WG)軸部分,屋面較為陡峭,在EB～EF(WB～WF)軸,雖然坡度不大,但考慮到檁條的跨度都較大,達到15m左右,故每跨梁均設置了3道雙層拉條,縱向檐口處設置了斜拉條和剛性拉條,以保證檁條的側向穩(wěn)定性。2發(fā)展鑄鋼節(jié)點人字形柱下端支座設計為鉸支座(圖8),主要的轉動方向是繞垂直于主桁架平面的軸轉動,故設計成圓柱形鉸支座,使得鋼屋蓋沿徑向的水平約束釋放。支座的底座為整體鑄造的鑄鋼件,人字柱柱端的鑄鋼件分兩段:一段是3根分肢柱相貫部位鑄鋼件,一段是柱腳(此段見圖8d),兩段都是整鑄的鑄鋼件。支座通過錨栓固定在基礎上,支座的水平力通過設置在支座底板的18?30抗剪釘傳遞給基礎。主桁架中柱支座設計為球鉸支座(圖9),為抵抗上拔力,設置了4M60帶壓縮彈簧的抗拔螺栓。支座通過錨栓與鋼筋混凝土支承柱連接,水平力通過3塊矩形抗剪板傳給支承柱。位于中柱支座處的桁架節(jié)點是一個12管匯交的鑄鋼節(jié)點。目前,鑄鋼技術屬于新技術,有關規(guī)范正在編制中,鑄鋼節(jié)點通常用于重大工程的重要和復雜部位。為確?？煽?設計中采取了以下措施:1)選擇性能良好,加工質量有保證的材質;2)注意鑄造工藝構造,設計合理的壁厚、適當的倒圓角、必要的起模斜度;3)對探傷、修補提出明確的要求;4)對節(jié)點進行非線性有限元分析;5)對重要的復雜節(jié)點進行試驗。3ht-qp3張拉膜結構設計鋼桁架計算軟件采用STAAD/CHINA2004和SAP2000。整體穩(wěn)定計算、節(jié)點分析、人字形柱非線性分析軟件采用ANSYS。整體計算時,所有弦桿、腹桿、梁、柱均采用普通梁單元。管桁架的弦桿在中間節(jié)點處連續(xù),曲線的弦桿通過分段的直線來模擬,而腹桿與弦桿的連接節(jié)點按鉸接點考慮,計算時模擬節(jié)點的偏心。連接樓人字形柱的承載力需要通過試驗確定,根據一期工程的試驗和非線性FEM分析成果,保證了人字形柱設計可靠。張拉膜根據《膜結構設計規(guī)范》(CECS158∶2004)分兩步進行設計:1)張拉膜的找形分析。一方面確定膜外形以滿足建筑要求,另一方面確定適當的張拉力以滿足膜材強度、膜材防皺要求。經過反復的找形分析,確定了張拉膜布的張拉控制值應為4.4kN/m(雙向)左右。找形分析需要考慮大變位、大轉角幾何非線性影響以及膜材的正交異性。找形分析最合適的計算軟件是EASY、TENSYS等專業(yè)軟件,但價格昂貴,或為大型專業(yè)公司自行開發(fā)。近年來,有很多學者在探索使用通用FEM軟件求解張拉膜結構的計算方法,本設計張拉膜計算采用ANSYS軟件,張拉力的計算采用降溫法。為了便于收斂,找形時使用較小的彈性模量計算;2)張拉膜平衡態(tài)的受荷分析。采用實際的材料彈性模量,分別計算活載、風作用下的工況內力,并驗算荷載組合下的強度、撓度,此時的受力問題為平衡態(tài)下的線性擾動分析,可以按線性結構進行分析。4鋼結構、防腐、防火1底漆和鋼板的施工該工程的防腐耐久年限為30年。直接暴露室外的鋼構件的防腐采用電弧噴鋅鋁合金150μm,鋼結構室內部分采用無機富鋅涂料。在室內外交界處靠室內1m(沿桿件長度)區(qū)段為室內外兩種底層防腐材料的搭接區(qū)段,該區(qū)段的底漆先按室外配套做防腐底層再按室內配套做底漆。室內鋼結構的面漆采用可覆涂聚氨酯面漆2×30μm,室外鋼結構的面漆采用耐候性較好的丙稀酸改性聚硅氧烷。對于屋面壓型鋼板,板材是采用雙面鍍鋅量為275g/m2熱浸鍍鋅鋼板,為了延長防腐年限,另外涂裝了100μm的環(huán)氧云鐵。由于焊接、打孔、切割、運輸、吊裝等原因引起鍍鋅層的損壞,采用等量的冷鍍鋅進行修補。2內鋼結構消極影響離樓板、地面8m以內的室內鋼桁架、鋼柱、鋼梁均做防火保護。防火涂料均采用室內厚型,干膜厚度為20～30mm。鋼桁架耐火極限為2h,鋼柱耐火極限為2.5h,鋼梁耐火極限為1.5h。外露鋼結構的防火涂料表面需抹光滑,以求表面質量美觀。要求施工單位施工前提供樣板,待設計單位及業(yè)主認可后方可施工。防火涂料涂于中間漆之上,底漆、封閉漆、中間漆、面漆仍需按要求進行防腐涂裝,面漆采用與防火涂料相容的材料。5tfe涂層的力學參數圓管采用滿足《結構用無縫鋼管》(GB8162-1999)要求的Q345-B熱軋無縫鋼管,方鋼管采用熱成型方管或滿足《冷彎型鋼》(GB/T6725-2002)要求的一條直縫的冷成型方管(但節(jié)點區(qū)要求熱處理)。張拉膜膜材為PTFE涂層的玻璃纖維布,其力學參數見表2。連接樓張拉膜采光天窗拉索采用滿足《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》(GB/T18365-2001)、《建筑纜索用鋼絲》(CJ3077-1998)、《建筑纜索用高密度聚乙烯塑料》(CJ/T3078-1998)的單層或雙層(雙層用于外露部位)PE護套高強度鍍鋅半平行鋼絲索纜索(fptk=1670MPa)。這種索鋼絲扭角小,在懸索橋梁上廣泛運用,具有彈性模量大、承載力高、低松弛等優(yōu)點,力學性能優(yōu)于鋼絲繩。而且鋼絲一般