庞岩峰, 葛红斌, 束伟农, 吴中群, 姜子洵, 黄进芳

(1 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045；2 福建兆翔机场建设有限公司，厦门 361000)

1 工程概况

福州长乐国际机场T2航站楼项目位于福建省福州市长乐区,是国家综合交通枢纽的重要设施之一。航站楼建筑南北长约800m、东西宽约430m,主楼建筑高度约39.7m;建筑地上三层,地下为局部管廊,总建筑面积25.5万m2。采用主楼+双指廊的集中式构型,构型紧凑,疏密有致,航站楼建筑效果图、结构平面图和剖面图如图1～3所示。

图1 航站楼建筑效果图

图2 航站楼三层结构平面图

图3 航站楼结构剖面图

结构设计基准期及设计使用年限均为50年,建筑结构安全等级为一级,地基基础设计等级为甲级。建筑抗震设防类别为乙类,抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第三组,场地类别为Ⅲ类。

2 结构体系

本工程地上3层,层高分别5.75、5.25、5m,地下局部管廊,根据建筑造型及布局要求,航站楼下部主体结构采用钢筋混凝土框架结构,分为9个结构单元(图4),各单元设置防震缝。中心区框架柱采用钢筋混凝土圆柱(直径800～2 700mm),基本柱网为9m×9m、9m×18m,为保证楼层净高要求,部分大跨度框架梁采用预应力技术;楼板均采用钢筋混凝土全现浇主次梁楼盖体系;中心区长约402m、宽约150m,尺度较大,建筑功能复杂。

图4 混凝土结构分段示意图/m

航站楼屋顶投影面积约12.65万m2,屋盖及支承结构均为钢结构,上部钢结构共分为5个区(图5),1个钢结构单元跨越1～3个混凝土结构单元。

图5 屋盖钢结构分段示意图/m

屋盖钢结构为自由曲面,屋盖各处厚度不一致,屋盖结构柱根处较厚,厚度在3.5～4.5m不等,跨高比约为1/12～1/15;天窗处屋盖较薄,约2.0m,主楼中心区陆侧悬挑最大26m,柱根处屋盖厚度约4.5m,跨高比约为1/6,挑檐均采用收分上挑,端部结构厚度约为0.5m。中心区采用三角主桁架+平面桁架结构+面内支撑结构体系[1],杆件采用圆钢管,节点为焊接球和相贯节点,中心区桁架布置见图6。支承结构采用锥形分叉钢管柱+锥形直钢管柱,分叉柱采用铸钢节点[2],中心区支承结构布置见图7。

图6 中心区桁架布置示意

图7 中心区支承柱布置平面示意

指廊屋盖平面投影尺寸约380m×145m,指廊靠近中心区及远端较宽,中间较窄,为减少其不利影响,每侧指廊钢结构屋顶分为两个结构单元,分别为肩指廊和端指廊。

肩指廊建筑高度28.7m,支承结构为直钢管柱,柱距为12～42m不等,屋盖平面投影尺寸约146m×117m,周边采用主次桁架结构体系,屋盖结构高度约3.0m,陆侧出挑柱根处约4.0m;肩指廊中间三角区由四个圆钢管柱支承,采用三向桁架结构体系,结构高度约2.5m,肩指廊结构见图8。

图8 肩指廊结构示意

端指廊区屋盖较平,支承结构为直钢管柱+幕墙柱,钢管柱沿进深方向间距27m,沿面宽方向间距20～35m不等,幕墙柱沿进深方向9m一道。屋盖结构同样采用主次桁架结构体系,高度约2.5m,沿进深方向居中布置天窗,天窗处桁架高度约1.8m,端指廊典型结构剖面如图9所示。

图9 端指廊典型结构剖面

支承结构材料:中心区采用Q420GJC,指廊采用Q355B和Q345GJC;屋盖结构以Q355B为主。考虑到航站楼屋盖跨度大、承受风荷载较大及施工难度,支承结构圆管最大截面为φ2 300×75,最小截面为φ800×30,屋盖受力最大圆管桁架的圆管截面为φ800×40,最小杆件截面为φ83×4。

3 屋盖钢结构设计关键问题

3.1 支承结构与屋盖约束关系

中心区支承结构柱底采用刚接[3],大部分钢柱锚固于3层楼面;但有部分钢柱落在4～5层浮岛楼面,钢柱较短形成较大刚度,为降低屋盖结构在水平力作用下的响应,落在浮岛楼面的钢柱拟采用柱底铰接于主体结构。考虑温度和水平荷载对超长屋盖产生的不利影响,在屋盖两侧的钢柱柱顶释放约束,可沿长向滑动[4]。

肩指廊与中心区类似,钢柱采用柱底刚接、柱顶铰接的连接形式。端指廊钢柱则采用柱底刚接、柱顶与屋盖桁架结构刚接,而幕墙柱上下均铰接。

航站楼支承结构与屋盖钢结构约束关系相对比较复杂,对于结构的动力特性和抗震性能有较大的影响,在设计时需充分考虑不同约束条件,保证结构安全性。

3.2 钢柱计算长度

中心区钢柱(直锥形柱和分叉柱)柱底插入下部楼层混凝土结构,顶部采用抗震球型支座释放转动弯矩。如不考虑屋顶的协同作用及假设底部嵌固刚度足够大,则钢管柱的计算长度系数按取值[5],柱底刚接、柱顶铰接时取2.0;柱底刚接、柱顶滑动时,滑动方向取1.7、非滑动方向取2.0。

但实际钢柱高度差别较大,其无支撑高度最大为17.5m,最小为8.0m(柱顶铰接)和1.2m(柱顶滑动),且屋盖面内三角形网格整体性强,可协同各钢柱水平变形;柱底混凝土主体结构高度变化,钢柱嵌固条件差异较大,因此需对钢管柱的计算长度进行专门分析。

3.3 钢结构整体稳定和抗连续倒塌

稳定承载力是钢结构工程一个突出且不可回避的问题,避免屋盖失稳破坏又是大跨度钢结构需要考虑的重点问题。同时,福州长乐国际机场地处强台风和临海地区,在风荷载等水平荷载作用下的稳定验算更需要引起重视。

大跨空间屋盖结构由于支承构件数量较少,冗余度相对较低,抵抗连续倒塌的能力相对较弱。屋盖钢结构跨度较大,单个钢柱破坏后会导致跨度加倍,对相邻构件造成巨大的承载压力。因此对于大跨度空间屋盖结构,进行抗连续倒塌的研究是完全必要的。

3.4 节点设计

钢结构节点是力传递和转换的关键部位,航站楼屋盖钢结构工程设计的关键节点主要有钢结构屋盖桁架之间的连接节点、支承结构与屋盖结构的连接节点、支承结构与混凝土结构的连接节点以及支承结构的节点等。屋盖结构传力途径和节点构造相对复杂,节点承载力和可靠性需在设计中重点讨论。

4 支承结构计算长度分析

以中心区钢柱作为研究对象,进行计算长度分析。支承结构为锥形直柱和分叉柱,锥形直柱采用直段+锥段,直段直径为1 800～2 300mm不等,锥段直径为2 000～1 500mm、1 800～1 200mm等;分叉柱采用直段+分叉锥段,直段直径为1 800mm,锥段直径则主要由1 300mm线性缩小至900mm(图10)。

图10 中心区支承结构示意

拟对整体结构进行屈曲分析,通过欧拉公式反算求解,可得出各柱计算长度。欧拉公式采用“理想压杆模型”,假定杆件是等截面直杆,压力的作用线与截面的形心纵轴重合,材料是完全均匀和弹性的。

为准确模拟钢管柱的底部嵌固条件,分析采用含下部混凝土结构的整体模型,为避免屋盖桁架及支撑构件的大量低阶屈曲模态导致很难计算出钢管柱的屈曲模态,有必要对屋顶结构进行简化。采用钢梁及支撑模拟屋盖(图11),并施加相同的荷载,确保屋盖结构的水平动力特性接近。

图11 屈曲分析模型

弹性屈曲分析第1阶屈曲模态为陆侧航站楼北侧分叉柱(柱顶沿X向滑动)局部X向水平屈曲,前8阶屈曲模态均为局部单个钢柱的屈曲,第9阶屈曲模态为屋盖整体水平屈曲,结果见表1和图12。

表1 主要屈曲模态

图12 整体模型主要屈曲模态(第9阶)

根据不同屈曲模态的临界荷载系数求出钢柱计算长度系数。结果分析表明,如果没有屋盖协调作用,各柱高度及受荷大小不一致,临界荷载系数将不一致,比如受荷载较大或柱高度较高时将首先屈曲。由于屋盖面内刚度较大,原本首先屈曲的钢柱将受到后屈曲的钢柱支撑,直至达到整体屈曲。

屈曲分析基于弹性,考虑到实际屋顶结构竖向荷载下存在挠度,且随着荷载系数的提高挠度逐渐加大,对钢柱的支撑刚度会降低,因此,设计时对计算长度系数进行适当调整,对于中心区主要支承柱小于2.0的计算长度系数均保守取2.0,其他钢柱计算长度系数大于2.0情况,按实际计算分析结果采用。

5 钢结构整体稳定承载能力

分别进行中心区整体模型的线弹性稳定和考虑双非线性的整体稳定分析,因航站楼所在地为近海地区,分析工况取恒载(D)+活载(L)和恒载(D)+风荷载(W)工况。

5.1 恒载+活载工况

恒载+活载工况作用下,第1阶线弹性屈曲模态特征值为16.94,主要屈曲模态为中心区域屋盖竖向失稳。根据线弹性分析第1阶屈曲模态(控制点荷载-位移曲线见图13(a))确定结构初始缺陷[6],并对已考虑初始缺陷的结构整体模型进行非线性稳定分析。恒载+活载工况下,临界荷载特征值16.28,结构整体稳定分析计算结果如图14(a)所示。结构跨中变形最大,在临界荷载之前,结构变形与加载值呈线性增长关系,加载情况越过临界荷载之后,结构变形相对急剧增长,结构已无法继续承载。

图13 第1阶屈曲模态确定初始缺陷的控制点荷载-位移曲线

图14 中心区结构整体稳定分析结果

5.2 恒载+风荷载工况

选取300°风向角的风荷载为主要活载,第1阶屈曲模态特征值为13.973,前3阶主要屈曲模态均为陆侧天窗局部失稳;第4～10阶屈曲模态为均为陆侧挑檐竖向失稳。

恒载+风荷载工况下,采用与5.1节一致的分析方法,得出非线性整体稳定分析临界荷载特征值9.64,结构整体稳定分析计算结果如图14(b)所示。结构陆侧挑檐和陆侧天窗处变形最大,加载越过临界荷载之后,结构变形相对急剧增长,已无法继续承载。

6 钢结构抗连续倒塌分析

采用MIDAS/Gen软件对整体结构进行线性静力分析,根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[7]规定,荷载组合取:

S=ηd(D+0.5L)+0.2W

式中:S为剩余结构构件效应设计值;ηd为竖向荷载动力放大系数。

在确定的荷载工况作用下,选取屋盖关键位置支承结构、应力比较大的屋盖杆件作为关键构件依次拆除,评估结构在指定受损状态下的抗连续倒塌性能。当采用线性静力法分析时,若剩余结构承载力满足要求,则认为该建筑结构符合抗连续倒塌设计要求[8]。限于篇幅,本文仅考虑将陆侧钢柱、天窗处主桁架下弦杆作为结构关键构件,进行抗连续倒塌分析。

6.1 拆除陆侧钢柱工况

拆除中心区陆侧出挑较远处的钢柱,如图15所示。拆除陆侧钢柱后,在竖向荷载工况下,结构竖向变形有所增大,但结构仍能保持稳定,悬挑端最大竖向位移240mm,挠跨比1/270。拆除陆侧钢柱后周边构件应力云图如图16所示,不难看出,拆除位置相连杆件应力有所增大,相连杆件最大应力162MPa,相邻杆件最大应力318MPa。

图15 拆除陆侧钢柱工况示意

图16 拆除陆侧钢柱后杆件应力云图/MPa

6.2 拆除桁架下弦杆工况

选取多遇地震工况下包络应力较大的天窗处主桁架下弦杆作为关键构件,拆除下弦杆后,选取天窗上弦杆跨中节点为控制点,如图17所示。

图17 拆除天窗下弦杆工况示意

拆除天窗下弦杆后,在竖向荷载工况下,结构竖向变形有所增大,但结构仍能保持稳定,控制点最大竖向位移34mm,挠跨比1/1 119。拆除位置相连杆件应力有所增大,相连杆件最大应力252MPa,相邻杆件最大应力150MPa(图18)。大部分杆件应力较低,结构具有较大的冗余度,具有较好的抗连续倒塌能力。

图18 拆除天窗下弦杆后杆件应力云图/MPa

7 节点设计

航站楼屋盖钢结构及其支承结构节点类型较多,屋盖钢结构以焊接球和相贯节点为主。选取屋盖和支承结构关键节点进行有限元节点分析[9]。节点采用实体单元,钢部件材料为理想弹塑性,节点有限元模型根据以往分析[10],杆件长度不宜过短,以消除端部加载条件对节点区域的影响,取杆件长度为2.5倍杆件截面高度。把整体模型分析得到的构件内力设计值作为节点加载荷载进行模拟,节点性能目标应不低于相连杆件的性能目标。

本工程钢柱锚固于混凝土主体结构,下插段截面和材质均与上部钢柱相同。本工程提出一种新的连接方式,采用钢筋连接器(图19(a)中箭头所示)可大量减少工地现场焊接工作量以保证施工质量。钢柱柱顶与屋盖结构采用抗震球铰支座,相贯球节点采用Q420C钢材,屋盖杆件采用Q355B钢材,钢屋盖铰接节点如图19(b)所示。分叉柱中间节点采用铸钢节点形式,铸钢采用G20Mn5V钢材,分析时采用Q235钢近似等代,节点如图19(c)所示。肩指廊三角区为三向桁架结构体系,桁架相贯杆件节点如图19(d)所示。

图19 节点有限元分析模型

采用ANSYS有限元软件进行节点分析,各节点von Mises应力云图见图20。各节点核心区没有出现大面积应力塑性区,整体应力值小于370MPa,最大应力点并未达到全截面应力状态,存在应力集中现象,周围应力迅速扩散,均在设计容许应力以下,节点承载力满足要求。

图20 各节点von Mises应力云图/MPa

为减小节点连接处应力集中现象,施工阶段对关键节点进行构造加强措施,如在框架柱、屋盖结构主杆内增加加劲板,框架梁内增加横向加劲肋等。采用加强措施后节点易于加工,可保证结构内力在节点处传递,满足抗震性能目标[11]。

8 结语

福州长乐国际机场T2航站楼工程中心区钢结构设计的关键在于支承钢柱约束关系复杂,且柱距较大冗余度低较低,屋盖结构节点构造复杂。本文重点介绍针对以上关键问题进行的相关分析研究,研究结果证明:

(1)经过对中心区支承结构约束关系和钢柱计算长度分析,证明软件计算的钢柱承载力是可靠的。

(2)对中心区整体结构进行稳定承载能力分析,屋盖及其支承结构均能满足整体钢结构承载力要求。

(3)中心区锥形钢管柱及分叉柱均有较大的安全储备,不至因个别柱破坏而引起大面积的连续倒塌问题,表明结构体系抗连续倒塌能力满足设计需求。

(4)对关键节点进行有限元分析,证明节点不会先于构件破坏,具有较高的安全储备,可满足设计要求。