福州長樂國際機(jī)場(chǎng)T2航站樓鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題剖析

龐巖峰, 葛紅斌, 束偉農(nóng), 吳中群, 姜子洵, 黃進(jìn)芳

(1 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045；2 福建兆翔機(jī)場(chǎng)建設(shè)有限公司，廈門 361000)

1 工程概況

福州長樂國際機(jī)場(chǎng)T2航站樓項(xiàng)目位于福建省福州市長樂區(qū),是國家綜合交通樞紐的重要設(shè)施之一。航站樓建筑南北長約800m、東西寬約430m,主樓建筑高度約39.7m;建筑地上三層,地下為局部管廊,總建筑面積25.5萬m2。采用主樓+雙指廊的集中式構(gòu)型,構(gòu)型緊湊,疏密有致,航站樓建筑效果圖、結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖如圖1～3所示。

圖1 航站樓建筑效果圖

圖2 航站樓三層結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 航站樓結(jié)構(gòu)剖面圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期及設(shè)計(jì)使用年限均為50年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí),地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。建筑抗震設(shè)防類別為乙類,抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g),設(shè)計(jì)地震分組為第三組,場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

2 結(jié)構(gòu)體系

本工程地上3層,層高分別5.75、5.25、5m,地下局部管廊,根據(jù)建筑造型及布局要求,航站樓下部主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),分為9個(gè)結(jié)構(gòu)單元(圖4),各單元設(shè)置防震縫。中心區(qū)框架柱采用鋼筋混凝土圓柱(直徑800～2 700mm),基本柱網(wǎng)為9m×9m、9m×18m,為保證樓層凈高要求,部分大跨度框架梁采用預(yù)應(yīng)力技術(shù);樓板均采用鋼筋混凝土全現(xiàn)澆主次梁樓蓋體系;中心區(qū)長約402m、寬約150m,尺度較大,建筑功能復(fù)雜。

圖4 混凝土結(jié)構(gòu)分段示意圖/m

航站樓屋頂投影面積約12.65萬m2,屋蓋及支承結(jié)構(gòu)均為鋼結(jié)構(gòu),上部鋼結(jié)構(gòu)共分為5個(gè)區(qū)(圖5),1個(gè)鋼結(jié)構(gòu)單元跨越1～3個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)單元。

圖5 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)分段示意圖/m

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)為自由曲面,屋蓋各處厚度不一致,屋蓋結(jié)構(gòu)柱根處較厚,厚度在3.5～4.5m不等,跨高比約為1/12～1/15;天窗處屋蓋較薄,約2.0m,主樓中心區(qū)陸側(cè)懸挑最大26m,柱根處屋蓋厚度約4.5m,跨高比約為1/6,挑檐均采用收分上挑,端部結(jié)構(gòu)厚度約為0.5m。中心區(qū)采用三角主桁架+平面桁架結(jié)構(gòu)+面內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系[1],桿件采用圓鋼管,節(jié)點(diǎn)為焊接球和相貫節(jié)點(diǎn),中心區(qū)桁架布置見圖6。支承結(jié)構(gòu)采用錐形分叉鋼管柱+錐形直鋼管柱,分叉柱采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)[2],中心區(qū)支承結(jié)構(gòu)布置見圖7。

圖6 中心區(qū)桁架布置示意

圖7 中心區(qū)支承柱布置平面示意

指廊屋蓋平面投影尺寸約380m×145m,指廊靠近中心區(qū)及遠(yuǎn)端較寬,中間較窄,為減少其不利影響,每側(cè)指廊鋼結(jié)構(gòu)屋頂分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元,分別為肩指廊和端指廊。

肩指廊建筑高度28.7m,支承結(jié)構(gòu)為直鋼管柱,柱距為12～42m不等,屋蓋平面投影尺寸約146m×117m,周邊采用主次桁架結(jié)構(gòu)體系,屋蓋結(jié)構(gòu)高度約3.0m,陸側(cè)出挑柱根處約4.0m;肩指廊中間三角區(qū)由四個(gè)圓鋼管柱支承,采用三向桁架結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)高度約2.5m,肩指廊結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 肩指廊結(jié)構(gòu)示意

端指廊區(qū)屋蓋較平,支承結(jié)構(gòu)為直鋼管柱+幕墻柱,鋼管柱沿進(jìn)深方向間距27m,沿面寬方向間距20～35m不等,幕墻柱沿進(jìn)深方向9m一道。屋蓋結(jié)構(gòu)同樣采用主次桁架結(jié)構(gòu)體系,高度約2.5m,沿進(jìn)深方向居中布置天窗,天窗處桁架高度約1.8m,端指廊典型結(jié)構(gòu)剖面如圖9所示。

圖9 端指廊典型結(jié)構(gòu)剖面

支承結(jié)構(gòu)材料:中心區(qū)采用Q420GJC,指廊采用Q355B和Q345GJC;屋蓋結(jié)構(gòu)以Q355B為主?？紤]到航站樓屋蓋跨度大、承受風(fēng)荷載較大及施工難度,支承結(jié)構(gòu)圓管最大截面為φ2 300×75,最小截面為φ800×30,屋蓋受力最大圓管桁架的圓管截面為φ800×40,最小桿件截面為φ83×4。

3 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

3.1 支承結(jié)構(gòu)與屋蓋約束關(guān)系

中心區(qū)支承結(jié)構(gòu)柱底采用剛接[3],大部分鋼柱錨固于3層樓面;但有部分鋼柱落在4～5層浮島樓面,鋼柱較短形成較大剛度,為降低屋蓋結(jié)構(gòu)在水平力作用下的響應(yīng),落在浮島樓面的鋼柱擬采用柱底鉸接于主體結(jié)構(gòu)?？紤]溫度和水平荷載對(duì)超長屋蓋產(chǎn)生的不利影響,在屋蓋兩側(cè)的鋼柱柱頂釋放約束,可沿長向滑動(dòng)[4]。

肩指廊與中心區(qū)類似,鋼柱采用柱底剛接、柱頂鉸接的連接形式。端指廊鋼柱則采用柱底剛接、柱頂與屋蓋桁架結(jié)構(gòu)剛接,而幕墻柱上下均鉸接。

航站樓支承結(jié)構(gòu)與屋蓋鋼結(jié)構(gòu)約束關(guān)系相對(duì)比較復(fù)雜,對(duì)于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和抗震性能有較大的影響,在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮不同約束條件,保證結(jié)構(gòu)安全性。

3.2 鋼柱計(jì)算長度

中心區(qū)鋼柱(直錐形柱和分叉柱)柱底插入下部樓層混凝土結(jié)構(gòu),頂部采用抗震球型支座釋放轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩。如不考慮屋頂?shù)膮f(xié)同作用及假設(shè)底部嵌固剛度足夠大,則鋼管柱的計(jì)算長度系數(shù)按取值[5],柱底剛接、柱頂鉸接時(shí)取2.0;柱底剛接、柱頂滑動(dòng)時(shí),滑動(dòng)方向取1.7、非滑動(dòng)方向取2.0。

但實(shí)際鋼柱高度差別較大,其無支撐高度最大為17.5m,最小為8.0m(柱頂鉸接)和1.2m(柱頂滑動(dòng)),且屋蓋面內(nèi)三角形網(wǎng)格整體性強(qiáng),可協(xié)同各鋼柱水平變形;柱底混凝土主體結(jié)構(gòu)高度變化,鋼柱嵌固條件差異較大,因此需對(duì)鋼管柱的計(jì)算長度進(jìn)行專門分析。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和抗連續(xù)倒塌

穩(wěn)定承載力是鋼結(jié)構(gòu)工程一個(gè)突出且不可回避的問題,避免屋蓋失穩(wěn)破壞又是大跨度鋼結(jié)構(gòu)需要考慮的重點(diǎn)問題。同時(shí),福州長樂國際機(jī)場(chǎng)地處強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和臨海地區(qū),在風(fēng)荷載等水平荷載作用下的穩(wěn)定驗(yàn)算更需要引起重視。

大跨空間屋蓋結(jié)構(gòu)由于支承構(gòu)件數(shù)量較少,冗余度相對(duì)較低,抵抗連續(xù)倒塌的能力相對(duì)較弱。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)跨度較大,單個(gè)鋼柱破壞后會(huì)導(dǎo)致跨度加倍,對(duì)相鄰構(gòu)件造成巨大的承載壓力。因此對(duì)于大跨度空間屋蓋結(jié)構(gòu),進(jìn)行抗連續(xù)倒塌的研究是完全必要的。

3.4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)是力傳遞和轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部位,航站樓屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)主要有鋼結(jié)構(gòu)屋蓋桁架之間的連接節(jié)點(diǎn)、支承結(jié)構(gòu)與屋蓋結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)、支承結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)以及支承結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)等。屋蓋結(jié)構(gòu)傳力途徑和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)承載力和可靠性需在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)討論。

4 支承結(jié)構(gòu)計(jì)算長度分析

以中心區(qū)鋼柱作為研究對(duì)象,進(jìn)行計(jì)算長度分析。支承結(jié)構(gòu)為錐形直柱和分叉柱,錐形直柱采用直段+錐段,直段直徑為1 800～2 300mm不等,錐段直徑為2 000～1 500mm、1 800～1 200mm等;分叉柱采用直段+分叉錐段,直段直徑為1 800mm,錐段直徑則主要由1 300mm線性縮小至900mm(圖10)。

圖10 中心區(qū)支承結(jié)構(gòu)示意

擬對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析,通過歐拉公式反算求解,可得出各柱計(jì)算長度。歐拉公式采用“理想壓桿模型”,假定桿件是等截面直桿,壓力的作用線與截面的形心縱軸重合,材料是完全均勻和彈性的。

為準(zhǔn)確模擬鋼管柱的底部嵌固條件,分析采用含下部混凝土結(jié)構(gòu)的整體模型,為避免屋蓋桁架及支撐構(gòu)件的大量低階屈曲模態(tài)導(dǎo)致很難計(jì)算出鋼管柱的屈曲模態(tài),有必要對(duì)屋頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。采用鋼梁及支撐模擬屋蓋(圖11),并施加相同的荷載,確保屋蓋結(jié)構(gòu)的水平動(dòng)力特性接近。

圖11 屈曲分析模型

彈性屈曲分析第1階屈曲模態(tài)為陸側(cè)航站樓北側(cè)分叉柱(柱頂沿X向滑動(dòng))局部X向水平屈曲,前8階屈曲模態(tài)均為局部單個(gè)鋼柱的屈曲,第9階屈曲模態(tài)為屋蓋整體水平屈曲,結(jié)果見表1和圖12。

表1 主要屈曲模態(tài)

圖12 整體模型主要屈曲模態(tài)(第9階)

根據(jù)不同屈曲模態(tài)的臨界荷載系數(shù)求出鋼柱計(jì)算長度系數(shù)。結(jié)果分析表明,如果沒有屋蓋協(xié)調(diào)作用,各柱高度及受荷大小不一致,臨界荷載系數(shù)將不一致,比如受荷載較大或柱高度較高時(shí)將首先屈曲。由于屋蓋面內(nèi)剛度較大,原本首先屈曲的鋼柱將受到后屈曲的鋼柱支撐,直至達(dá)到整體屈曲。

屈曲分析基于彈性,考慮到實(shí)際屋頂結(jié)構(gòu)豎向荷載下存在撓度,且隨著荷載系數(shù)的提高撓度逐漸加大,對(duì)鋼柱的支撐剛度會(huì)降低,因此,設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)計(jì)算長度系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,對(duì)于中心區(qū)主要支承柱小于2.0的計(jì)算長度系數(shù)均保守取2.0,其他鋼柱計(jì)算長度系數(shù)大于2.0情況,按實(shí)際計(jì)算分析結(jié)果采用。

5 鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定承載能力

分別進(jìn)行中心區(qū)整體模型的線彈性穩(wěn)定和考慮雙非線性的整體穩(wěn)定分析,因航站樓所在地為近海地區(qū),分析工況取恒載(D)+活載(L)和恒載(D)+風(fēng)荷載(W)工況。

5.1 恒載+活載工況

恒載+活載工況作用下,第1階線彈性屈曲模態(tài)特征值為16.94,主要屈曲模態(tài)為中心區(qū)域屋蓋豎向失穩(wěn)。根據(jù)線彈性分析第1階屈曲模態(tài)(控制點(diǎn)荷載-位移曲線見圖13(a))確定結(jié)構(gòu)初始缺陷[6],并對(duì)已考慮初始缺陷的結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行非線性穩(wěn)定分析。恒載+活載工況下,臨界荷載特征值16.28,結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果如圖14(a)所示。結(jié)構(gòu)跨中變形最大,在臨界荷載之前,結(jié)構(gòu)變形與加載值呈線性增長關(guān)系,加載情況越過臨界荷載之后,結(jié)構(gòu)變形相對(duì)急劇增長,結(jié)構(gòu)已無法繼續(xù)承載。

圖13 第1階屈曲模態(tài)確定初始缺陷的控制點(diǎn)荷載-位移曲線

圖14 中心區(qū)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析結(jié)果

5.2 恒載+風(fēng)荷載工況

選取300°風(fēng)向角的風(fēng)荷載為主要活載,第1階屈曲模態(tài)特征值為13.973,前3階主要屈曲模態(tài)均為陸側(cè)天窗局部失穩(wěn);第4～10階屈曲模態(tài)為均為陸側(cè)挑檐豎向失穩(wěn)。

恒載+風(fēng)荷載工況下,采用與5.1節(jié)一致的分析方法,得出非線性整體穩(wěn)定分析臨界荷載特征值9.64,結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果如圖14(b)所示。結(jié)構(gòu)陸側(cè)挑檐和陸側(cè)天窗處變形最大,加載越過臨界荷載之后,結(jié)構(gòu)變形相對(duì)急劇增長,已無法繼續(xù)承載。

6 鋼結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析

采用MIDAS/Gen軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性靜力分析,根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[7]規(guī)定,荷載組合取:

S=ηd(D+0.5L)+0.2W

式中:S為剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件效應(yīng)設(shè)計(jì)值;ηd為豎向荷載動(dòng)力放大系數(shù)。

在確定的荷載工況作用下,選取屋蓋關(guān)鍵位置支承結(jié)構(gòu)、應(yīng)力比較大的屋蓋桿件作為關(guān)鍵構(gòu)件依次拆除,評(píng)估結(jié)構(gòu)在指定受損狀態(tài)下的抗連續(xù)倒塌性能。當(dāng)采用線性靜力法分析時(shí),若剩余結(jié)構(gòu)承載力滿足要求,則認(rèn)為該建筑結(jié)構(gòu)符合抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)要求[8]。限于篇幅,本文僅考慮將陸側(cè)鋼柱、天窗處主桁架下弦桿作為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件,進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析。

6.1 拆除陸側(cè)鋼柱工況

拆除中心區(qū)陸側(cè)出挑較遠(yuǎn)處的鋼柱,如圖15所示。拆除陸側(cè)鋼柱后,在豎向荷載工況下,結(jié)構(gòu)豎向變形有所增大,但結(jié)構(gòu)仍能保持穩(wěn)定,懸挑端最大豎向位移240mm,撓跨比1/270。拆除陸側(cè)鋼柱后周邊構(gòu)件應(yīng)力云圖如圖16所示,不難看出,拆除位置相連桿件應(yīng)力有所增大,相連桿件最大應(yīng)力162MPa,相鄰桿件最大應(yīng)力318MPa。

圖15 拆除陸側(cè)鋼柱工況示意

圖16 拆除陸側(cè)鋼柱后桿件應(yīng)力云圖/MPa

6.2 拆除桁架下弦桿工況

選取多遇地震工況下包絡(luò)應(yīng)力較大的天窗處主桁架下弦桿作為關(guān)鍵構(gòu)件,拆除下弦桿后,選取天窗上弦桿跨中節(jié)點(diǎn)為控制點(diǎn),如圖17所示。

圖17 拆除天窗下弦桿工況示意

拆除天窗下弦桿后,在豎向荷載工況下,結(jié)構(gòu)豎向變形有所增大,但結(jié)構(gòu)仍能保持穩(wěn)定,控制點(diǎn)最大豎向位移34mm,撓跨比1/1 119。拆除位置相連桿件應(yīng)力有所增大,相連桿件最大應(yīng)力252MPa,相鄰桿件最大應(yīng)力150MPa(圖18)。大部分桿件應(yīng)力較低,結(jié)構(gòu)具有較大的冗余度,具有較好的抗連續(xù)倒塌能力。

圖18 拆除天窗下弦桿后桿件應(yīng)力云圖/MPa

7 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

航站樓屋蓋鋼結(jié)構(gòu)及其支承結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)類型較多,屋蓋鋼結(jié)構(gòu)以焊接球和相貫節(jié)點(diǎn)為主。選取屋蓋和支承結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元節(jié)點(diǎn)分析[9]。節(jié)點(diǎn)采用實(shí)體單元,鋼部件材料為理想彈塑性,節(jié)點(diǎn)有限元模型根據(jù)以往分析[10],桿件長度不宜過短,以消除端部加載條件對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的影響,取桿件長度為2.5倍桿件截面高度。把整體模型分析得到的構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計(jì)值作為節(jié)點(diǎn)加載荷載進(jìn)行模擬,節(jié)點(diǎn)性能目標(biāo)應(yīng)不低于相連桿件的性能目標(biāo)。

本工程鋼柱錨固于混凝土主體結(jié)構(gòu),下插段截面和材質(zhì)均與上部鋼柱相同。本工程提出一種新的連接方式,采用鋼筋連接器(圖19(a)中箭頭所示)可大量減少工地現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量以保證施工質(zhì)量。鋼柱柱頂與屋蓋結(jié)構(gòu)采用抗震球鉸支座,相貫球節(jié)點(diǎn)采用Q420C鋼材,屋蓋桿件采用Q355B鋼材,鋼屋蓋鉸接節(jié)點(diǎn)如圖19(b)所示。分叉柱中間節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式,鑄鋼采用G20Mn5V鋼材,分析時(shí)采用Q235鋼近似等代,節(jié)點(diǎn)如圖19(c)所示。肩指廊三角區(qū)為三向桁架結(jié)構(gòu)體系,桁架相貫桿件節(jié)點(diǎn)如圖19(d)所示。

圖19 節(jié)點(diǎn)有限元分析模型

采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分析,各節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力云圖見圖20。各節(jié)點(diǎn)核心區(qū)沒有出現(xiàn)大面積應(yīng)力塑性區(qū),整體應(yīng)力值小于370MPa,最大應(yīng)力點(diǎn)并未達(dá)到全截面應(yīng)力狀態(tài),存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,周圍應(yīng)力迅速擴(kuò)散,均在設(shè)計(jì)容許應(yīng)力以下,節(jié)點(diǎn)承載力滿足要求。

圖20 各節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力云圖/MPa

為減小節(jié)點(diǎn)連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象,施工階段對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)措施,如在框架柱、屋蓋結(jié)構(gòu)主桿內(nèi)增加加勁板,框架梁內(nèi)增加橫向加勁肋等。采用加強(qiáng)措施后節(jié)點(diǎn)易于加工,可保證結(jié)構(gòu)內(nèi)力在節(jié)點(diǎn)處傳遞,滿足抗震性能目標(biāo)[11]。

8 結(jié)語

福州長樂國際機(jī)場(chǎng)T2航站樓工程中心區(qū)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于支承鋼柱約束關(guān)系復(fù)雜,且柱距較大冗余度低較低,屋蓋結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜。本文重點(diǎn)介紹針對(duì)以上關(guān)鍵問題進(jìn)行的相關(guān)分析研究,研究結(jié)果證明:

(1)經(jīng)過對(duì)中心區(qū)支承結(jié)構(gòu)約束關(guān)系和鋼柱計(jì)算長度分析,證明軟件計(jì)算的鋼柱承載力是可靠的。

(2)對(duì)中心區(qū)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定承載能力分析,屋蓋及其支承結(jié)構(gòu)均能滿足整體鋼結(jié)構(gòu)承載力要求。

(3)中心區(qū)錐形鋼管柱及分叉柱均有較大的安全儲(chǔ)備,不至因個(gè)別柱破壞而引起大面積的連續(xù)倒塌問題,表明結(jié)構(gòu)體系抗連續(xù)倒塌能力滿足設(shè)計(jì)需求。

(4)對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析,證明節(jié)點(diǎn)不會(huì)先于構(gòu)件破壞,具有較高的安全儲(chǔ)備,可滿足設(shè)計(jì)要求。