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        蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)T4航站樓鋼結(jié)構(gòu)屋蓋連續(xù)倒塌分析*

        2021-04-30 05:40:32潘鈞俊安東亞王瑞峰余少樂黃沛林陳新喜武念鐸
        施工技術(shù)(中英文) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)區(qū)域結(jié)構(gòu)

        潘鈞俊,安東亞,王瑞峰,余少樂,陳 華,黃沛林,陳新喜,武念鐸

        (1.中國(guó)建筑第八工程局有限公司,上海 200112; 2.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200002)

        1 工程概況

        杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)三期項(xiàng)目新建航站樓及陸側(cè)交通中心工程旅客航站樓及北三指廊工程將新建建筑物面積達(dá)150萬m2以上,總投資規(guī)模在270億元以上,超過杭州機(jī)場(chǎng)一期、二期擴(kuò)建工程,主要工程計(jì)劃在2022年杭州亞運(yùn)會(huì)前建成投運(yùn)。

        其中,三期項(xiàng)目新建航站樓(T4)及陸側(cè)交通中心工程是三期工程的核心項(xiàng)目,是浙江省大通道建設(shè)十大標(biāo)志性項(xiàng)目,也是2022年杭州亞運(yùn)會(huì)重要基礎(chǔ)配套項(xiàng)目。T4航站樓主樓屋蓋投影尺寸為466m×291m,投影面積為11.5萬m2,屋蓋上弦最高點(diǎn)標(biāo)高為42.050m,最低點(diǎn)標(biāo)高為32.260m,整體最大高差9.79m。屋蓋沿南北方向高差變化起伏較大,整體呈波浪形;東西方向同一橫斷面高差變化較小,高差約2m。屋蓋最大跨度為54m,屋蓋南北兩側(cè)懸挑長(zhǎng)度為44m,東西方向懸挑最大長(zhǎng)度為44m(見圖1)。

        圖1 蕭山機(jī)場(chǎng)T4航站樓示意

        主樓屋蓋支撐體系包括標(biāo)準(zhǔn)支撐柱、搖擺柱。其中,標(biāo)準(zhǔn)支撐柱由支撐柱+分叉節(jié)點(diǎn)+分叉柱組成,共計(jì)40組,頂部分叉柱與屋蓋封邊桁架相貫焊接,支撐柱內(nèi)灌注C60混凝土。搖擺柱為梭形鋼管柱,共計(jì)10組,頂部與屋蓋下弦通過球支座連接(見圖2)。

        圖2 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋示意

        結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌是指由于結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的損壞,引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件連續(xù)性破壞,最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的大部分或整體發(fā)生坍塌[1-2]。造成結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的原因很多,如施工工藝不當(dāng)、設(shè)計(jì)不合理、撞擊荷載、爆炸荷載、地震作用和結(jié)構(gòu)材料性能不合格等[3-5]。研究極端條件引起結(jié)構(gòu)局部關(guān)鍵構(gòu)件失效條件下的整體穩(wěn)定性,對(duì)重要結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)害及保護(hù)人員的安全能力具有重要意義。蕭山機(jī)場(chǎng)作為浙江的門戶,客流量巨大,結(jié)構(gòu)具有抗極端破壞能力具有重要現(xiàn)實(shí)意義[6-7]?;诖耍疚膶?duì)蕭山機(jī)場(chǎng)航站樓主樓鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行連續(xù)倒塌分析。

        表1 屋蓋連續(xù)性倒塌性能評(píng)價(jià)水準(zhǔn)及設(shè)計(jì)措施

        2 施工難點(diǎn)分析

        分析不同支撐柱失效后是否會(huì)造成結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌,采用瞬態(tài)動(dòng)力時(shí)程分析方法,充分考慮抽柱后結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變的慣性效應(yīng)。采用ABAQUS軟件進(jìn)行計(jì)算,動(dòng)力積分方式為顯式積分。初始荷載狀態(tài)為:1.0恒荷載+1.0活荷載。

        綜合支撐跨度、受荷情況、所處不利位置等因素,確定4種柱失效的工況,分別命名為1號(hào)柱失效、2號(hào)柱失效、3號(hào)柱失效、4號(hào)柱失效,具體失效柱編號(hào)如圖3所示。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋三維分析模型如圖4所示。

        圖3 屋蓋支撐柱布置及失效柱編號(hào)

        圖4 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋三維分析模型

        根據(jù)本工程特點(diǎn),暫將屋蓋結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵構(gòu)件失效后的性能水平分為5個(gè)等級(jí),并根據(jù)不同的等級(jí)采取相應(yīng)的技術(shù)措施,具體如表1所示。

        除屬于性能等級(jí)4,5,可能引起局部或整體連續(xù)性倒塌的重點(diǎn)構(gòu)件建議調(diào)整方案或重新設(shè)計(jì)外,建議在不改變建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)意圖的前提下,對(duì)重點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行截面加強(qiáng),通過降低構(gòu)件受力應(yīng)力比來提高安全余度;或通過排查和隔離危險(xiǎn)源,降低構(gòu)件受損概率,從而提高結(jié)構(gòu)安全性。

        3 抗連續(xù)倒塌分析

        3.1 1號(hào)柱失效

        1號(hào)柱失效后,屋蓋局部區(qū)域出現(xiàn)撓度增大現(xiàn)象,懸挑邊緣振蕩穩(wěn)定后的撓度約為5.49m,1號(hào)柱失效后,屋蓋支撐柱間的跨度變?yōu)榧s108m,撓跨比約1/20,如圖5所示。

        圖5 荷花谷柱施工流程示意

        1號(hào)柱失效后,上方屋蓋局部區(qū)域出現(xiàn)塑性,桿件最大塑性應(yīng)變達(dá)到5.6×10-2,鋼材伸長(zhǎng)率>5%,可認(rèn)為桿件進(jìn)入較嚴(yán)重的破壞水平(見圖6)。除了失效柱外,其他支撐柱均未進(jìn)入塑性,說明1號(hào)柱的失效不會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域的連續(xù)性倒塌。屋蓋總體水平處于表1中性能3,需進(jìn)行局部加強(qiáng)或針對(duì)1號(hào)柱設(shè)置保護(hù)措施。

        圖6 1號(hào)柱失效后塑性發(fā)展

        3.2 2號(hào)柱失效

        2號(hào)柱位于角部,失效后2個(gè)方向的懸挑跨度均>100m,上方屋蓋較大區(qū)域出現(xiàn)變形的瞬間增大,懸挑邊緣豎向變形持續(xù)增大,無法繼續(xù)承載,最終形成局部較大面積坍塌,如圖7所示。

        圖7 2號(hào)柱抗倒塌分析結(jié)果

        2號(hào)柱失效后,上方屋蓋較大區(qū)域出現(xiàn)塑性,桿件最大塑性應(yīng)變達(dá)0.356,鋼材伸長(zhǎng)率>30%,已超過拉斷水平。除了失效柱外,其他周邊的3根支撐柱進(jìn)入塑性,發(fā)生嚴(yán)重破壞。這說明除失效柱上方嚴(yán)重破壞無法承載外,周圍一定范圍內(nèi)相關(guān)區(qū)域柱也發(fā)生較嚴(yán)重破壞,部分喪失承載力。屋蓋總體水平處于表1中的性能4,需進(jìn)行局部加強(qiáng)或針對(duì)2號(hào)柱設(shè)置保護(hù)措施,避免發(fā)生失效(見圖8)。

        圖8 2號(hào)柱失效后塑性發(fā)展

        3.3 3號(hào)柱失效

        3號(hào)柱位于角部,失效后2個(gè)方向的懸挑跨度均>100m,上方屋蓋較大區(qū)域出現(xiàn)變形的瞬間增大,懸挑邊緣豎向變形持續(xù)增大,無法繼續(xù)承載,最終形成局部較大面積的坍塌,如圖9所示。

        圖9 3號(hào)柱抗倒塌分析結(jié)果

        3號(hào)柱失效后,上方屋蓋較大區(qū)域出現(xiàn)塑性,桿件最大塑性應(yīng)變達(dá)0.168,鋼材伸長(zhǎng)率>16%,已超過拉斷水平。除了失效柱外,其他周邊的3根支撐柱進(jìn)入塑性,發(fā)生嚴(yán)重破壞。這說明除失效柱上方嚴(yán)重破壞無法承載外,周圍一定范圍內(nèi)相關(guān)區(qū)域柱也發(fā)生較嚴(yán)重破壞,部分喪失承載力。屋蓋總體水平處于表1中的性能4,需進(jìn)行局部加強(qiáng)或針對(duì)3號(hào)柱設(shè)置保護(hù)措施,避免發(fā)生失效(見圖10)。

        圖10 3號(hào)柱失效后塑性發(fā)展

        3.4 4號(hào)柱失效

        4號(hào)柱失效后,屋蓋局部區(qū)域出現(xiàn)撓度增大現(xiàn)象,懸挑邊緣振蕩穩(wěn)定后的撓度約為4.34m,如圖11所示。

        圖11 4號(hào)柱抗倒塌分析結(jié)果

        4號(hào)柱為搖擺柱,失效后,上方屋蓋局部區(qū)域出現(xiàn)塑性,桿件最大塑性應(yīng)變達(dá)7.7×10-2,鋼材伸長(zhǎng)率>7%,可認(rèn)為桿件進(jìn)入較嚴(yán)重的破壞水平(見圖12)。

        圖12 4號(hào)柱失效后塑性發(fā)展

        除了失效柱外,與其相鄰的花形支撐柱受荷增大,局部進(jìn)入塑性,最大塑性應(yīng)變約1%,為較嚴(yán)重破壞,柱頂最大豎向變形約2.2m,除此之外的支撐柱均未進(jìn)入塑性,說明4號(hào)柱的失效不會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域的連續(xù)性倒塌。屋蓋總體水平處于表1中的性能3,需進(jìn)行局部加強(qiáng)或針對(duì)4號(hào)柱設(shè)置保護(hù)措施(見圖13)。

        圖13 4號(hào)柱失效后花形支撐柱頂豎向變形

        4 結(jié)語(yǔ)

        對(duì)蕭山機(jī)場(chǎng)新建航站樓主樓鋼結(jié)構(gòu)屋蓋抗連續(xù)倒塌分析,假定了7種不同位置柱的失效工況,除了角部柱失效后上方屋蓋無法繼續(xù)承載,且周邊相鄰柱相繼發(fā)生嚴(yán)重破壞,最終形成局部倒塌外,其他幾種工況均未出現(xiàn)連續(xù)性倒塌,但上方屋蓋變形較大,且局部桿件產(chǎn)生較嚴(yán)重的塑性變形。

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