方 超 耿良邃

(中國民航機場建設(shè)集團公司，北京 100101)

1 工程概況

?？诿捞m國際機場國際航站樓位于現(xiàn)有航站樓的東側(cè)，建筑平面布置為帶有內(nèi)庭院的1層建筑物。國際樓長193 m，寬108 m，采用層疊坡屋頂，建筑最高點標(biāo)高16.50 m，建筑面積約1.5萬m2。效果圖如圖1所示，建筑平面圖如圖2所示。建筑呈“一”字形展開，左側(cè)為出發(fā)流程，包括辦票大廳、檢驗檢疫、海關(guān)、邊防檢查等;右側(cè)為到達流程，包括到港大廳、檢驗檢疫、邊防檢查、行李提取、海關(guān)、迎客大廳等;中間靠近空側(cè)為候機廳和旅客中轉(zhuǎn)大廳，靠近陸側(cè)為辦公和商業(yè)。

2 結(jié)構(gòu)體系及特點

2.1 結(jié)構(gòu)體系

圖1 航站樓鳥瞰示意圖

國際樓建筑造型設(shè)計理念旨在將現(xiàn)代建筑與傳統(tǒng)地域文化相結(jié)合，運用現(xiàn)代建筑材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)來詮釋木結(jié)構(gòu)坡屋頂建筑獨特韻味。由于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)具有耐久性差(易腐蝕、遭蟲蛀)、承載能力不足、材料來源困難等問題，而現(xiàn)代廣泛使用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)恰好可以克服上述問題。根據(jù)建筑物造型和平面布局特點，結(jié)合建設(shè)場地的地震設(shè)防烈度，考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c和使用維護情況，結(jié)構(gòu)的豎向承重及抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，坡屋面為現(xiàn)澆鋼筋混凝土斜板。

圖2 航站樓建筑平面圖

2.2 坡屋面結(jié)構(gòu)特點

目前按照樓層搭建的結(jié)構(gòu)，平面、立面都較為規(guī)則，樓面為平面梁板。一般較規(guī)則的平面樓板，在其自身平面內(nèi)剛度很大，變形很小，在平面外樓板抗彎剛度較小。因此在結(jié)構(gòu)整體分析中可以假定樓板在平面內(nèi)剛度無限大，在平面外剛度為零，即剛性樓板假定。剛性樓板假定，既符合結(jié)構(gòu)特點又極大的減少了結(jié)構(gòu)的自由度，使結(jié)構(gòu)整體分析大大簡化，提高了分析效率。

國際樓采用坡屋面斜板，結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生較明顯的平面內(nèi)變形，這種變形會使某些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和位移加大，按照傳統(tǒng)的剛性樓板假定可能得不到正確的結(jié)果，甚至偏于不安全。

2.3 研究現(xiàn)狀

當(dāng)樓板可能產(chǎn)生較明顯的面內(nèi)變形時，計算時應(yīng)考慮樓板的面內(nèi)變形影響或?qū)Σ捎脴前迕鎯?nèi)無限剛性假定計算方法的計算結(jié)果進行調(diào)整［1］。

當(dāng)前在國內(nèi)廣泛使用的軟件中，由于空間建模能力有限再加上剛性樓板假定深入人心，一些設(shè)計人員往往把坡屋頂簡化成垂直投影面下的平面梁板，采用剛性樓板假定對結(jié)構(gòu)進行建模分析;或者建立空間模型時忽略現(xiàn)澆混凝土斜板的作用，采用梁單元模擬結(jié)構(gòu)梁、柱，對其進行建模分析。這兩種情況都不能準(zhǔn)確的模擬真實的結(jié)構(gòu)形式，所得的計算結(jié)果不能直接用于結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本文通過國際樓的設(shè)計實例，采用PKPM集成軟件中的“復(fù)雜多高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件PMSAP”對結(jié)構(gòu)進行整體建模計算分析。通過坡屋面斜板在整體結(jié)構(gòu)中作用的分析比較，以研究其對計算結(jié)果的影響。

3 計算分析

3.1 主要計算參數(shù)

國際航站樓外圍尺寸較大，根據(jù)建筑平面布置，在縱向設(shè)置2道結(jié)構(gòu)縫，將結(jié)構(gòu)劃分為4個相對規(guī)則的獨立單元，如圖3所示。S1，S4段是互為鏡像的多跨層疊坡屋面結(jié)構(gòu)，S2，S3段分別為單跨和雙跨的坡屋面結(jié)構(gòu)。

圖3 國際樓分縫示意圖

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級。抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類(乙類建筑)?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類，設(shè)計基本地震加速度0.30g。

3.2 計算分析比較

本工程為層疊坡屋面，屋面板大部分為現(xiàn)澆混凝土斜板。對于坡屋面，剛性樓板假定已不再適用，計算中坡屋面斜板采用彈性樓板假定，與梁、柱一起參與整體分析，作為整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件貢獻剛度。

為了分析坡屋面中斜板的作用，本文以S1段為例建立了以下三組模型:模型1:不考慮坡屋面斜板的面內(nèi)、面外剛度;模型2:考慮坡屋面斜板的面內(nèi)和面外剛度;模型3:考慮坡屋面斜板的面內(nèi)剛度，忽略面外剛度。結(jié)構(gòu)周期和位移的計算結(jié)果對比見表1，單根構(gòu)件的內(nèi)力計算結(jié)果對比見表2和表3。結(jié)構(gòu)計算模型見圖4。

表1 結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果比較

表2 梁彎矩計算結(jié)果kN/m

對計算結(jié)果做以下分析:

1)從表1可以看出，坡屋面斜板對結(jié)構(gòu)的周期、總地震剪力以及位移均有一定影響。采用模型1計算，由于忽略了斜板的面內(nèi)和面外剛度，計算結(jié)果偏柔，地震反應(yīng)也較小一些，偏于不安全;采用模型2和模型3計算，計算結(jié)果基本一致，說明坡屋面斜板的面內(nèi)剛度對結(jié)構(gòu)周期、總地震剪力和位移的計算結(jié)果影響相對較大，而斜板的面外剛度對上述計算結(jié)果影響相對較小。

2)從表2中可以看出，模型1忽略斜板的面內(nèi)和面外剛度時，梁的兩端內(nèi)力計算結(jié)果最大，而跨中內(nèi)力計算結(jié)果最小;模型2和模型3的梁內(nèi)力計算結(jié)果較為接近，在平行于斜板方向梁的內(nèi)力計算結(jié)果中模型2略大，而垂直于斜板方向梁的內(nèi)力計算結(jié)果中模型3略大。這說明坡屋面斜板的存在影響了梁在整體模型計算中的剛度貢獻，進而影響構(gòu)件內(nèi)力計算結(jié)果。

表3 柱底內(nèi)力計算結(jié)果

圖4 結(jié)構(gòu)計算模型

3)柱1的計算結(jié)果主要反映坡屋面斜板對豎向構(gòu)件內(nèi)力的影響。從表3中可以看出，在豎向荷載作用下，三種模型算出的構(gòu)件內(nèi)力相差很小;在水平荷載作用下，模型1構(gòu)件內(nèi)力計算結(jié)果較模型2和模型3差別較大，模型2和模型3基本一致，模型3略小。這說明坡屋面斜板剛度貢獻明顯，結(jié)構(gòu)的總剛度增加，地震作用增強。

綜上可以認(rèn)為，現(xiàn)澆鋼筋混凝土坡屋面斜板對結(jié)構(gòu)的剛度和內(nèi)力計算結(jié)果影響較大，設(shè)計時需要考慮斜板的作用。從受力分析角度看，考慮坡屋面斜板面內(nèi)和面外剛度相對最符合樓板的真實受力情況;但從工程設(shè)計角度看，部分豎向屋面荷載將通過樓板的面外剛度直接傳遞給豎向構(gòu)件，導(dǎo)致梁的計算彎矩減小，相應(yīng)的配筋也減小。采用考慮坡屋面斜板面內(nèi)剛度而忽略面外剛度時，所有豎向荷載都通過梁傳遞給豎向構(gòu)件，這與過去所有關(guān)于梁的工程經(jīng)驗的剛性樓板假定相對應(yīng)，梁配筋的安全儲備相一致。因此建議在做類似坡屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，現(xiàn)澆混凝土斜板采用考慮面內(nèi)剛度、忽略面外剛度的彈性模單元進行建模計算分析，采用同時考慮斜板面內(nèi)和面外剛度的彈性板單元進行計算復(fù)核。

4 坡屋頂結(jié)構(gòu)設(shè)計處理

從計算比較分析可知，現(xiàn)澆鋼筋混凝土坡屋面斜板的剛度及抗力貢獻明顯，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算配筋和構(gòu)造處理與平屋面梁板有很大的不同。因此，在完成結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件計算之后，坡屋面結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計也必須重視。

1)由于坡屋面斜板的空間作用和平面內(nèi)外的綜合受力，坡屋面板配置鋼筋不僅要考慮板平面的抗彎，而且要考慮其軸向受力。計算結(jié)果表明，坡屋面斜板內(nèi)力以軸力為主，彎矩較小，尤其靠近檐口部分及坡屋頂?shù)募咕€處存在較大拉力。因此坡屋面斜板鋼筋配置不僅要考慮板平面抗彎，而且要考慮其軸向受力。坡屋面板應(yīng)雙層雙向通長配筋，并適當(dāng)加密鋼筋間距，在節(jié)點內(nèi)均應(yīng)按照受拉錨固。斜板轉(zhuǎn)折相交節(jié)點，應(yīng)適當(dāng)加強，板鋼筋交叉搭接錨固長度宜滿足LaE，如圖5所示。

圖5 屋頂板折角示意圖

2)經(jīng)計算分析可知，由于坡屋面斜板采用彈性板假定進行計算分析，屋面梁中大都存在較大的拉力，需要按照拉彎構(gòu)件設(shè)計。在構(gòu)造上，這些梁頂部和底部均應(yīng)配置一定數(shù)量的通長鋼筋，并且均應(yīng)按照受拉錨固。

3)國際樓采用層疊坡屋面，在坡屋頂梁柱連接位置存在較多的短柱。這些位置的混凝土柱在按照短柱計算進行配筋的同時，還要加強構(gòu)造處理。在構(gòu)造上，這些短柱采用復(fù)合箍筋，并且短柱高度范圍內(nèi)進行箍筋全高加密處理。

5 結(jié)語

1)國際樓建筑造型獨特，以現(xiàn)代混凝土材料和結(jié)構(gòu)計算理論詮釋木結(jié)構(gòu)坡屋頂?shù)莫毺仨嵨??；炷敛牧系姆履窘ㄖ?，需要建筑與結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)配合，使結(jié)構(gòu)成為充滿生機的建筑藝術(shù)的基礎(chǔ)。

2)現(xiàn)澆鋼筋混凝土坡屋面斜板的存在，結(jié)構(gòu)的周期、位移和內(nèi)力等都與平屋頂結(jié)構(gòu)差別較大。本文根據(jù)坡屋面斜板剛度貢獻的考慮情況建立三種模型，進行對比分析。結(jié)果顯示坡屋面斜板面內(nèi)剛度對結(jié)構(gòu)計算分析影響重大，設(shè)計計算中可以采用考慮斜板面內(nèi)剛度的模型進行計算分析設(shè)計，采用考慮斜板面內(nèi)和面外剛度的模型進行復(fù)核設(shè)計。該方法與過去工程中有關(guān)梁的工程經(jīng)驗相對應(yīng)，配筋的安全儲備相一致。

3)坡屋面斜板的特殊性，在滿足計算的前提下，需要考慮斜板的軸力和梁的軸力，在構(gòu)造上采用加強措施;層疊坡屋面產(chǎn)生的短柱，同樣需要加強構(gòu)造措施。

［1］ JGJ 3-2012，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］ 建筑工程軟件研究所，中國建筑科學(xué)研究院.PKPM多高層結(jié)構(gòu)計算軟件應(yīng)用指南［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］ 賀 楊，張永勝.高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.山西建筑，2012，38(5):34-35.