扈 鵬，李 靖，張銘興，曹 莉

(中國建筑西北設(shè)計研究院有限公司， 西安 710018)

1 工程概況

榆林榆陽機場T2航站樓位于陜西省榆林城區(qū)西北方向約15km的榆陽機場原T1航站樓北側(cè)，總建筑面積約5.7萬m2，南北向包括指廊總長度約542m，東西最大寬度約為102m，建筑高度22～28m，工程東側(cè)為高架橋，平面呈T形。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 榆林榆陽機場T2航站樓建筑效果圖

項目由航站樓主樓及南北兩條指廊組成。航站樓主樓長邊尺寸為172m，寬為102m，建筑屋蓋高為28m，地上2層，局部地下1層連通交通中心。1層標高±0.00m，主要功能為迎客大廳、行李分揀廳、設(shè)備用房。2層標高為7.5m，為辦票大廳、候機大廳、商業(yè)及業(yè)務(wù)用房。局部房中房標高為11.500m，主要功能為商業(yè)用房。南指廊長邊尺寸為162m，北指廊長度為198m，寬度均為33m，建筑屋蓋高為22.4m。南指廊地上2層，無地下室，1層為設(shè)備用房、商務(wù)及政務(wù)貴賓廳，2層為候機廳。

根據(jù)建筑造型及布局，結(jié)合航站樓建筑公共區(qū)域面積大、建筑空曠通透的特點，主體結(jié)構(gòu)采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其中支承屋蓋的柱為鋼管混凝土柱。鋼屋蓋采用配合建筑內(nèi)外表面自由曲面造型的大跨度張弦拱梁結(jié)構(gòu)，由樹狀柱及V形柱支承，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類(乙類建筑)，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組[1]；50年一遇基本風(fēng)壓為0.4kN/m2，地面粗糙度類別為B類。結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用風(fēng)洞試驗報告[2]的風(fēng)荷載參數(shù)。

2 基礎(chǔ)設(shè)計

榆林機場T2航站樓建設(shè)場地地貌單元屬于毛烏素沙漠邊緣，場地典型土層至上而下分別為:①雜填土、②細砂、③細砂、④粉土、⑤泥巖、⑥砂巖等地層?；A(chǔ)設(shè)計等級為甲級。根據(jù)勘察報告，場區(qū)⑥-2砂巖層樁端極限端阻力較高(frk=4 000kN)，宜作為樁端持力層。由于勘察場地基巖面標高變化較大，部分區(qū)域基巖面埋藏較深處，選擇④粉土層作為樁端持力層。地層剖面及樁基設(shè)計示意見圖2。

圖2 地層剖面及樁基設(shè)計示意圖

采用直徑700mm鉆孔灌注樁作為承壓樁，共808根。其中591根為嵌巖樁，樁端持力層為⑥-2砂巖層，樁端進入持力層深度≥2 400mm，嵌巖樁的樁身嵌巖深度hr與樁徑d之比為3.4，樁長隨巖層高度變化，在11～30m之間，單樁抗壓承載力特征值在2 400～3 200kN之間。另外217根為摩擦樁，樁端持力層采用④粉土層，樁長35m，單樁抗壓承載力特征值為2 600kN。樁頂錨入承臺內(nèi)100mm?；A(chǔ)形式為基礎(chǔ)梁+樁基承臺。承臺底結(jié)構(gòu)標高為-4.200m。與交通中心相連的局部地下室基礎(chǔ)底板底標高為-9.500m，板厚為1 200mm。地下室外墻墻厚為800mm。主樓中間區(qū)域與交通中心在地下一層有通道相連，相互之間設(shè)置結(jié)構(gòu)沉降縫。

3 主體混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)體系

主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其中支承屋蓋的柱為鋼管混凝土柱，設(shè)3道防震縫將結(jié)構(gòu)劃分為4個獨立單體(圖3)。分縫后結(jié)構(gòu)平面體型規(guī)則，單體最大長度約為172m。航站樓主樓為12m×12m跨正交柱網(wǎng)，主樓屋蓋結(jié)構(gòu)最大跨度為60m。

圖3 7.5m標高結(jié)構(gòu)布置圖

框架結(jié)構(gòu)抗震等級為三級。樓面布置采用井字梁?？蚣苤湫徒孛鏋?00mm圓柱，框架梁典型截面為500×1 000，支承屋蓋的鋼管混凝土柱鋼管截面為φ900×25。

3.2 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

屋面鋼結(jié)構(gòu)和下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分別采用分部模型和整裝模型進行計算分析。設(shè)計考慮恒載、活載、風(fēng)荷載、地震作用、溫度作用。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)模型在分析地震作用時考慮了下部主體結(jié)構(gòu)的動力放大效應(yīng)。

鋼結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02，混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，由于下部混凝土結(jié)構(gòu)與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比的取值不同，故在整體結(jié)構(gòu)模型協(xié)同分析時，阻尼比采用按材料區(qū)分的振型阻尼比。為方便分析，整體模型阻尼比亦采用0.035，結(jié)構(gòu)整體分析采用YJK，MIDAS/Gen軟件復(fù)核，其中航站樓主樓MIDAS/Gen整體模型如圖4所示。

圖4 航站樓主樓整體模型

3.3 自振特性

采用Ritz向量法對整體結(jié)構(gòu)模型的前60階模態(tài)進行分析，保證獲得不小于90%的振型參與質(zhì)量。圖5列出了航站樓主樓結(jié)構(gòu)部分振型及其周期。由圖可知，結(jié)構(gòu)振型主要有以下特點:1)前4階振型均以屋蓋結(jié)構(gòu)振型為主，表明屋蓋結(jié)構(gòu)剛度遠小于下部主體結(jié)構(gòu)剛度;2)屋蓋結(jié)構(gòu)的Y向剛度遠小于X向剛度。

圖5 主樓結(jié)構(gòu)部分振型及周期

在各風(fēng)向角方向風(fēng)荷載作用下，0°風(fēng)向角風(fēng)荷載作用下柱頂最大位移為21.6mm，最大層間位移角為1/625；90°風(fēng)向角風(fēng)荷載作用下柱頂最大位移為5.6mm，最大層間位移角為1/2 410；各風(fēng)向角風(fēng)荷載作用下最大層間位移角均滿足不大于1/250的要求。

在各向地震作用下，X向地震作用下柱頂最大位移為5.7mm，最大層間位移角為1/2 368；Y向地震作用下，柱頂最大位移為3.7mm，最大層間位移角為1/3 648；各向地震作用下最大層間位移角均滿足不大于1/250的要求。

3.4 樓蓋溫度效應(yīng)分析

由于7.500m標高樓板超長，計算了溫度作用下樓板應(yīng)力(圖6)。榆林50年重現(xiàn)期月平均最高氣溫為29℃，月平均最低氣溫為-16℃，混凝土結(jié)構(gòu)合攏溫度為3～12℃，正溫差26℃，負溫差-28℃。溫度應(yīng)力下混凝土的松弛系數(shù)取0．4。由圖6可見，溫度作用下，樓板絕大部分區(qū)域主應(yīng)力水平處于2.2MPa以內(nèi)，未超過C35混凝土的抗拉強度標準值2.2MPa。開洞處局部應(yīng)力峰值達到2.732MPa，設(shè)計時對樓板X向、Y向配置溫度鋼筋，以提高樓板的抗裂性能。

圖6 溫度作用下7.5m標高樓板應(yīng)力云圖/MPa

4 屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)體系選型

航站樓屋蓋建筑造型為中間低、兩側(cè)高的曲線形式，屋蓋支承柱縱向間距為12m，橫向間距分別為60,30m，屋蓋空側(cè)懸挑5m，陸側(cè)懸挑8m，建筑剖面如圖7所示。

圖7 建筑剖面圖

根據(jù)建筑造型及跨度進行結(jié)構(gòu)方案比選。方案1為實腹鋼拱梁體系，因建筑造型矢跨比較小，拱作用較弱，實腹梁受彎作用明顯，支座反力大，結(jié)構(gòu)桿件較少但截面較高，用鋼量大；方案2為空間立體桁架體系，結(jié)構(gòu)傳力直接合理，面內(nèi)面外剛度較好，支座反力較大，結(jié)構(gòu)桿件較多不夠輕盈，用鋼量較大；方案3為張弦拱梁體系，結(jié)構(gòu)剛?cè)岵?，充分利用剛性結(jié)構(gòu)與高強度柔性拉索的結(jié)構(gòu)性能與材料優(yōu)勢，支座水平力大部分由拉索抵消，鋼梁貼合建筑屋面形態(tài)，索撐體系簡潔輕盈，傳力清晰，韻律感強。

結(jié)構(gòu)體系示意見圖8，項目屋蓋最終選用方案3即張弦拱梁結(jié)構(gòu)體系[3]。航站樓屋蓋由16榀張弦鋼拱梁組成，每榀鋼拱梁間設(shè)置剛性系桿，屋面縱向及橫向布置水平交叉支撐，縱橫向支撐及剛性系桿共同組成屋面支撐體系，屋蓋結(jié)構(gòu)體系如圖9所示。

圖8 屋蓋結(jié)構(gòu)體系選型

圖9 屋蓋結(jié)構(gòu)體系

4.2 屋蓋結(jié)構(gòu)分析

4.2.1 荷載取值

結(jié)構(gòu)上作用的荷載有預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)自重、屋面及天窗荷載、屋面活荷載或雪荷載、風(fēng)荷載、溫度及地震作用。荷載標準值具體如下:屋面恒荷載1.0kN/m2(屋面板，檁條，下弦吊掛);屋面活荷載0.5kN/m2;風(fēng)荷載根據(jù)風(fēng)洞試驗確定，風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ涂s尺比為1/250(圖10)，試驗以正北為0°,風(fēng)向角按逆時針布置，風(fēng)向角間隔為15°,共24個。雪荷載0.25kN/m2(50年一遇)。

通過分析報告給出了不同風(fēng)向角下不同區(qū)域的風(fēng)壓分布及風(fēng)振系數(shù)分布(圖11)。最終將風(fēng)洞試驗提供的各個風(fēng)向角下等效靜風(fēng)荷載施加在結(jié)構(gòu)模型上進行結(jié)構(gòu)計算分析。

圖11 各風(fēng)向角下Z向風(fēng)振系數(shù)分布情況

4.2.2 張弦拱梁索力計算

預(yù)應(yīng)力的作用主要有兩個方面：一是提供剛度、形成和保持體系的初始幾何形狀；二是改善體系內(nèi)力分布和大小，降低內(nèi)力峰值，使結(jié)構(gòu)撓度減小。但預(yù)應(yīng)力過大會對拱梁產(chǎn)生額外軸向壓力，導(dǎo)致用鋼量增大。相反，預(yù)應(yīng)力過小，風(fēng)吸力作用下，拉索可能因失去拉力退出工作，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系失效。預(yù)拉力的取值原則為基本保證能抵消恒荷載作用下的撓度，且保證風(fēng)吸力作用下拉索不松弛[4]。以恒載+預(yù)拉力工況下鋼拱梁的豎向位移趨近零為條件，求解預(yù)拉力大小，通過迭代計算得出中間跨預(yù)應(yīng)力為1 032kN，邊跨為846kN。

分析拉索在1.0恒載+1.0預(yù)拉力+1.0風(fēng)荷載(各個風(fēng)向角)工況下的索內(nèi)力，經(jīng)驗算，在風(fēng)向角0°和180°時下弦個別拉索呈現(xiàn)壓力狀態(tài)，如圖12所示，此時認為拉索退出工作，結(jié)構(gòu)體系失效。

圖12 1.0恒載+1.0預(yù)拉力+1.0風(fēng)荷載下索內(nèi)力驗算

針對此情況，常用的方法是增加上弦鋼梁的剛度或者增加上弦的配重，引入更大的初始預(yù)拉力，如風(fēng)吸力效應(yīng)遠大于結(jié)構(gòu)恒載效應(yīng)，此時可設(shè)置抗風(fēng)索。項目局部風(fēng)吸力效應(yīng)大于恒載效應(yīng)，但差值不大，采用增加配重的方法，在上弦鋼拱梁內(nèi)灌注水泥砂漿。為使盡量小的配重產(chǎn)生盡量大的拉索內(nèi)力，將灌漿部位放在拱跨中，計算時不考慮鋼梁和混凝土共同作用下的剛度提高。配重后對1.0恒載+1.0預(yù)拉力+1.0風(fēng)荷載(各個風(fēng)向角)工況下的索內(nèi)力進行驗算，索內(nèi)力均為拉力，如圖13所示。

圖13 1.0恒載+1.0預(yù)拉力+1.0風(fēng)荷載下灌漿后索內(nèi)力驗算

4.2.3 鋼屋蓋設(shè)計

航站樓屋蓋張弦拱梁結(jié)構(gòu)，上弦為兩根箱形鋼梁，采用變截面□1 300×400×20×25～□600×300×12×16，箱形鋼梁水平間距為2.4m；下弦采用高強度鋼絲束，選φ65高釩拉索[5]；撐桿與上弦鋼梁構(gòu)成三角形，平面外為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，撐桿采用圓鋼管φ154×10。主樓樹狀柱采用圓鋼管，底部為φ900×25、分支為φ500×25～φ300×25；V形柱采用圓鋼管φ600×20；航站樓在陸側(cè)連接地下停車庫通道處1,2層樓板有局部有較大開洞，洞口邊支承屋蓋柱為一通高柱，柱高約為28m。結(jié)合建筑造型及功能，利用幕墻下端外挑支座梁設(shè)置水平斜梁，使此處變?yōu)樗交炷凌旒?，加強了柱的?cè)向約束，如圖14所示。通過計算分析，設(shè)置加強桁架后，該柱在不增大截面的情況下仍能滿足穩(wěn)定及承載力要求[6]，確保了建筑美觀效果。

圖14 開洞處水平加強桁架布置圖

4.2.4 關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

航站樓作為公共建筑，鋼結(jié)構(gòu)很多節(jié)點處于外露狀態(tài)。節(jié)點設(shè)計需要做到受力合理，造型美觀，安全可靠。索頭為鑄鋼節(jié)點，內(nèi)部為單球索夾，如圖15所示。

圖15 索夾節(jié)點

柱腳及樹狀柱分叉節(jié)點均采用外形美觀的鑄鋼節(jié)點(圖16)，避免在節(jié)點處產(chǎn)生復(fù)雜的焊接溫度應(yīng)力。鑄鋼件材質(zhì)G20Mn5QT，具體化學(xué)成分及力學(xué)性能依據(jù)《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 235∶2008)。采用ABAQUS軟件對樹形柱分叉節(jié)點進行分析，包絡(luò)工況1.35恒載+1.35預(yù)拉力+1.0活載組合下節(jié)點最大von Mises應(yīng)力為115N/mm2，滿足承載力要求，分叉節(jié)點應(yīng)力有限元分析結(jié)果見圖17。

圖16 樹形柱及V形柱分叉節(jié)點實景圖

圖17 分叉節(jié)點應(yīng)力有限元分析結(jié)果/(N/mm2)

樹狀柱及V形柱頂均為鉸接，對節(jié)點處鋼梁下翼緣板進行加厚處理，如圖18所示。榆林機場航站樓工程已完工并投入使用，現(xiàn)場照片見圖19。

圖18 樹形柱頂與鋼梁連接節(jié)點

圖19 榆林機場航站樓實景照片

5 結(jié)論

榆林機場航站樓工程造型新穎，室內(nèi)不吊頂，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均需外露，結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅安全可靠、受力合理且需簡潔美觀，帶來了多項技術(shù)難題。通過該項目的設(shè)計研究，得到如下主要結(jié)論：

(1)航站樓屋蓋結(jié)合建筑造型，進行多方案比選，選取張弦拱梁結(jié)構(gòu)體系。

(2)風(fēng)荷載的確定對屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計非常關(guān)鍵，采用模型風(fēng)洞試驗及風(fēng)洞數(shù)值模擬來確定鋼屋蓋的風(fēng)振系數(shù)，保證計算風(fēng)荷載取值的準確性。

(3)對超長樓板進行溫度作用分析，設(shè)置溫度鋼筋，提高樓板抗裂性能。

(4)風(fēng)荷載對張弦拱梁拉索內(nèi)力影響較大，在鋼箱梁內(nèi)增加配重，確保風(fēng)吸力作用下拉索不退出工作，結(jié)構(gòu)體系可靠。

(5)節(jié)點設(shè)計至關(guān)重要，關(guān)鍵節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點，受力合理，外形美觀。