扈 鹏，李 靖，张铭兴，曹 莉

(中国建筑西北设计研究院有限公司， 西安 710018)

1 工程概况

榆林榆阳机场T2航站楼位于陕西省榆林城区西北方向约15km的榆阳机场原T1航站楼北侧，总建筑面积约5.7万m2，南北向包括指廊总长度约542m，东西最大宽度约为102m，建筑高度22～28m，工程东侧为高架桥，平面呈T形。建筑效果图如图1所示。

图1 榆林榆阳机场T2航站楼建筑效果图

项目由航站楼主楼及南北两条指廊组成。航站楼主楼长边尺寸为172m，宽为102m，建筑屋盖高为28m，地上2层，局部地下1层连通交通中心。1层标高±0.00m，主要功能为迎客大厅、行李分拣厅、设备用房。2层标高为7.5m，为办票大厅、候机大厅、商业及业务用房。局部房中房标高为11.500m，主要功能为商业用房。南指廊长边尺寸为162m，北指廊长度为198m，宽度均为33m，建筑屋盖高为22.4m。南指廊地上2层，无地下室，1层为设备用房、商务及政务贵宾厅，2层为候机厅。

根据建筑造型及布局，结合航站楼建筑公共区域面积大、建筑空旷通透的特点，主体结构采用全现浇钢筋混凝土框架结构，其中支承屋盖的柱为钢管混凝土柱。钢屋盖采用配合建筑内外表面自由曲面造型的大跨度张弦拱梁结构，由树状柱及V形柱支承，基础采用钻孔灌注桩。

工程结构设计使用年限为50年，抗震设防类别为重点设防类(乙类建筑)，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组[1]；50年一遇基本风压为0.4kN/m2，地面粗糙度类别为B类。结构设计时采用风洞试验报告[2]的风荷载参数。

2 基础设计

榆林机场T2航站楼建设场地地貌单元属于毛乌素沙漠边缘，场地典型土层至上而下分别为:①杂填土、②细砂、③细砂、④粉土、⑤泥岩、⑥砂岩等地层。基础设计等级为甲级。根据勘察报告，场区⑥-2砂岩层桩端极限端阻力较高(frk=4 000kN)，宜作为桩端持力层。由于勘察场地基岩面标高变化较大，部分区域基岩面埋藏较深处，选择④粉土层作为桩端持力层。地层剖面及桩基设计示意见图2。

图2 地层剖面及桩基设计示意图

采用直径700mm钻孔灌注桩作为承压桩，共808根。其中591根为嵌岩桩，桩端持力层为⑥-2砂岩层，桩端进入持力层深度≥2 400mm，嵌岩桩的桩身嵌岩深度hr与桩径d之比为3.4，桩长随岩层高度变化，在11～30m之间，单桩抗压承载力特征值在2 400～3 200kN之间。另外217根为摩擦桩，桩端持力层采用④粉土层，桩长35m，单桩抗压承载力特征值为2 600kN。桩顶锚入承台内100mm。基础形式为基础梁+桩基承台。承台底结构标高为-4.200m。与交通中心相连的局部地下室基础底板底标高为-9.500m，板厚为1 200mm。地下室外墙墙厚为800mm。主楼中间区域与交通中心在地下一层有通道相连，相互之间设置结构沉降缝。

3 主体混凝土结构设计

3.1 结构体系

主体结构采用钢筋混凝土框架结构，其中支承屋盖的柱为钢管混凝土柱，设3道防震缝将结构划分为4个独立单体(图3)。分缝后结构平面体型规则，单体最大长度约为172m。航站楼主楼为12m×12m跨正交柱网，主楼屋盖结构最大跨度为60m。

图3 7.5m标高结构布置图

框架结构抗震等级为三级。楼面布置采用井字梁。框架柱典型截面为900mm圆柱，框架梁典型截面为500×1 000，支承屋盖的钢管混凝土柱钢管截面为φ900×25。

3.2 结构分析与设计

屋面钢结构和下部钢筋混凝土结构分别采用分部模型和整装模型进行计算分析。设计考虑恒载、活载、风荷载、地震作用、温度作用。屋盖钢结构模型在分析地震作用时考虑了下部主体结构的动力放大效应。

钢结构阻尼比取0.02，混凝土结构阻尼比取0.05，由于下部混凝土结构与屋盖钢结构的阻尼比的取值不同，故在整体结构模型协同分析时，阻尼比采用按材料区分的振型阻尼比。为方便分析，整体模型阻尼比亦采用0.035，结构整体分析采用YJK，MIDAS/Gen软件复核，其中航站楼主楼MIDAS/Gen整体模型如图4所示。

图4 航站楼主楼整体模型

3.3 自振特性

采用Ritz向量法对整体结构模型的前60阶模态进行分析，保证获得不小于90%的振型参与质量。图5列出了航站楼主楼结构部分振型及其周期。由图可知，结构振型主要有以下特点:1)前4阶振型均以屋盖结构振型为主，表明屋盖结构刚度远小于下部主体结构刚度;2)屋盖结构的Y向刚度远小于X向刚度。

图5 主楼结构部分振型及周期

在各风向角方向风荷载作用下，0°风向角风荷载作用下柱顶最大位移为21.6mm，最大层间位移角为1/625；90°风向角风荷载作用下柱顶最大位移为5.6mm，最大层间位移角为1/2 410；各风向角风荷载作用下最大层间位移角均满足不大于1/250的要求。

在各向地震作用下，X向地震作用下柱顶最大位移为5.7mm，最大层间位移角为1/2 368；Y向地震作用下，柱顶最大位移为3.7mm，最大层间位移角为1/3 648；各向地震作用下最大层间位移角均满足不大于1/250的要求。

3.4 楼盖温度效应分析

由于7.500m标高楼板超长，计算了温度作用下楼板应力(图6)。榆林50年重现期月平均最高气温为29℃，月平均最低气温为-16℃，混凝土结构合拢温度为3～12℃，正温差26℃，负温差-28℃。温度应力下混凝土的松弛系数取0．4。由图6可见，温度作用下，楼板绝大部分区域主应力水平处于2.2MPa以内，未超过C35混凝土的抗拉强度标准值2.2MPa。开洞处局部应力峰值达到2.732MPa，设计时对楼板X向、Y向配置温度钢筋，以提高楼板的抗裂性能。

图6 温度作用下7.5m标高楼板应力云图/MPa

4 屋盖结构设计

4.1 结构体系选型

航站楼屋盖建筑造型为中间低、两侧高的曲线形式，屋盖支承柱纵向间距为12m，横向间距分别为60,30m，屋盖空侧悬挑5m，陆侧悬挑8m，建筑剖面如图7所示。

图7 建筑剖面图

根据建筑造型及跨度进行结构方案比选。方案1为实腹钢拱梁体系，因建筑造型矢跨比较小，拱作用较弱，实腹梁受弯作用明显，支座反力大，结构杆件较少但截面较高，用钢量大；方案2为空间立体桁架体系，结构传力直接合理，面内面外刚度较好，支座反力较大，结构杆件较多不够轻盈，用钢量较大；方案3为张弦拱梁体系，结构刚柔并济，充分利用刚性结构与高强度柔性拉索的结构性能与材料优势，支座水平力大部分由拉索抵消，钢梁贴合建筑屋面形态，索撑体系简洁轻盈，传力清晰，韵律感强。

结构体系示意见图8，项目屋盖最终选用方案3即张弦拱梁结构体系[3]。航站楼屋盖由16榀张弦钢拱梁组成，每榀钢拱梁间设置刚性系杆，屋面纵向及横向布置水平交叉支撑，纵横向支撑及刚性系杆共同组成屋面支撑体系，屋盖结构体系如图9所示。

图8 屋盖结构体系选型

图9 屋盖结构体系

4.2 屋盖结构分析

4.2.1 荷载取值

结构上作用的荷载有预应力、结构自重、屋面及天窗荷载、屋面活荷载或雪荷载、风荷载、温度及地震作用。荷载标准值具体如下:屋面恒荷载1.0kN/m2(屋面板，檩条，下弦吊挂);屋面活荷载0.5kN/m2;风荷载根据风洞试验确定，风洞试验模型缩尺比为1/250(图10)，试验以正北为0°,风向角按逆时针布置，风向角间隔为15°,共24个。雪荷载0.25kN/m2(50年一遇)。

通过分析报告给出了不同风向角下不同区域的风压分布及风振系数分布(图11)。最终将风洞试验提供的各个风向角下等效静风荷载施加在结构模型上进行结构计算分析。

图11 各风向角下Z向风振系数分布情况

4.2.2 张弦拱梁索力计算

预应力的作用主要有两个方面：一是提供刚度、形成和保持体系的初始几何形状；二是改善体系内力分布和大小，降低内力峰值，使结构挠度减小。但预应力过大会对拱梁产生额外轴向压力，导致用钢量增大。相反，预应力过小，风吸力作用下，拉索可能因失去拉力退出工作，导致结构体系失效。预拉力的取值原则为基本保证能抵消恒荷载作用下的挠度，且保证风吸力作用下拉索不松弛[4]。以恒载+预拉力工况下钢拱梁的竖向位移趋近零为条件，求解预拉力大小，通过迭代计算得出中间跨预应力为1 032kN，边跨为846kN。

分析拉索在1.0恒载+1.0预拉力+1.0风荷载(各个风向角)工况下的索内力，经验算，在风向角0°和180°时下弦个别拉索呈现压力状态，如图12所示，此时认为拉索退出工作，结构体系失效。

图12 1.0恒载+1.0预拉力+1.0风荷载下索内力验算

针对此情况，常用的方法是增加上弦钢梁的刚度或者增加上弦的配重，引入更大的初始预拉力，如风吸力效应远大于结构恒载效应，此时可设置抗风索。项目局部风吸力效应大于恒载效应，但差值不大，采用增加配重的方法，在上弦钢拱梁内灌注水泥砂浆。为使尽量小的配重产生尽量大的拉索内力，将灌浆部位放在拱跨中，计算时不考虑钢梁和混凝土共同作用下的刚度提高。配重后对1.0恒载+1.0预拉力+1.0风荷载(各个风向角)工况下的索内力进行验算，索内力均为拉力，如图13所示。

图13 1.0恒载+1.0预拉力+1.0风荷载下灌浆后索内力验算

4.2.3 钢屋盖设计

航站楼屋盖张弦拱梁结构，上弦为两根箱形钢梁，采用变截面□1 300×400×20×25～□600×300×12×16，箱形钢梁水平间距为2.4m；下弦采用高强度钢丝束，选φ65高钒拉索[5]；撑杆与上弦钢梁构成三角形，平面外为稳定结构，撑杆采用圆钢管φ154×10。主楼树状柱采用圆钢管，底部为φ900×25、分支为φ500×25～φ300×25；V形柱采用圆钢管φ600×20；航站楼在陆侧连接地下停车库通道处1,2层楼板有局部有较大开洞，洞口边支承屋盖柱为一通高柱，柱高约为28m。结合建筑造型及功能，利用幕墙下端外挑支座梁设置水平斜梁，使此处变为水平混凝土桁架，加强了柱的侧向约束，如图14所示。通过计算分析，设置加强桁架后，该柱在不增大截面的情况下仍能满足稳定及承载力要求[6]，确保了建筑美观效果。

图14 开洞处水平加强桁架布置图

4.2.4 关键节点设计

航站楼作为公共建筑，钢结构很多节点处于外露状态。节点设计需要做到受力合理，造型美观，安全可靠。索头为铸钢节点，内部为单球索夹，如图15所示。

图15 索夹节点

柱脚及树状柱分叉节点均采用外形美观的铸钢节点(图16)，避免在节点处产生复杂的焊接温度应力。铸钢件材质G20Mn5QT，具体化学成分及力学性能依据《铸钢节点应用技术规程》(CECS 235∶2008)。采用ABAQUS软件对树形柱分叉节点进行分析，包络工况1.35恒载+1.35预拉力+1.0活载组合下节点最大von Mises应力为115N/mm2，满足承载力要求，分叉节点应力有限元分析结果见图17。

图16 树形柱及V形柱分叉节点实景图

图17 分叉节点应力有限元分析结果/(N/mm2)

树状柱及V形柱顶均为铰接，对节点处钢梁下翼缘板进行加厚处理，如图18所示。榆林机场航站楼工程已完工并投入使用，现场照片见图19。

图18 树形柱顶与钢梁连接节点

图19 榆林机场航站楼实景照片

5 结论

榆林机场航站楼工程造型新颖，室内不吊顶，结构构件均需外露，结构设计不仅安全可靠、受力合理且需简洁美观，带来了多项技术难题。通过该项目的设计研究，得到如下主要结论：

(1)航站楼屋盖结合建筑造型，进行多方案比选，选取张弦拱梁结构体系。

(2)风荷载的确定对屋盖结构的设计非常关键，采用模型风洞试验及风洞数值模拟来确定钢屋盖的风振系数，保证计算风荷载取值的准确性。

(3)对超长楼板进行温度作用分析，设置温度钢筋，提高楼板抗裂性能。

(4)风荷载对张弦拱梁拉索内力影响较大，在钢箱梁内增加配重，确保风吸力作用下拉索不退出工作，结构体系可靠。

(5)节点设计至关重要，关键节点采用铸钢节点，受力合理，外形美观。