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新郑国际机场T2航站楼结构设计与分析

隋庆海

澳门永利网上娱乐平台建筑东北设计研究院有限公司,深圳518000

【摘要】 郑州机场T2航站楼是郑州机场二期澳门永利网上赌场的重要组成部分,平面呈扁平的X型,平面尺寸巨大,且地下有城际铁路、

市内地铁及城市下穿路通过。基础设计采用了PHC高强预应力管桩和后压浆灌注桩,同时受塔台避免遮蔽的要求,建筑高度

受限,为保证室内净空高度,屋面钢结构设计采用实腹H型钢和四角锥网架两种不同的结构形式。主楼大空间部位采用了

变截面的锥型圆管四叉斜撑支撑钢屋面,斜撑两端采用了铸钢节点,为出发大厅创造了一个良好空间和视觉效果。

【关键词】设计选型  基础设计   铸钢节点   四叉斜撑

Zhengzhou xinzheng international airport T2 terminal design key difficulty is introduced

Sui Qinghai  

China Northeast Architectural Design & Research Institute Shenzhen Branch, Guangdong Shenzhen, 518000

ABSTRACT: Zhengzhou airport T2 terminal is the important component of the phase ii project, zhengzhou airport plane flat in X, plane size is huge, and of the inter-city railway, subway and urban underground under wear by road. Foundation design adopted PHC high-strength prestressed pipe pile and post pressure grouting piles, and the tower to avoid the requirement of building highly restricted, assure indoor headroom, roof steel structure design by using solid web h-beam and four pyramid space truss structure of two kinds of different forms. Another large space the main parts adopt the variable cross-section of conical pipe support four cross brace steel roofing, adopted the cast-steel joints on both ends of the brace, create a good space for departure hall and visual effect.

KEYWORDS: Selection of the design, Foundation design, Cast steel node, Four cross brace


1 工程概况简介

郑州新郑国际机场T2航站楼工程位于郑州新郑市,是郑州机场二期扩建澳门永利网上赌场的重要组成部分,总建筑面积约48万平米,可分为主楼(中间部分)和两个指廊共三部分,建筑平面呈扁平的X型,如图1所示。建筑最高点高度39.350米,最低点16.750米(指廊)。

 

1  T2的室外与室内效果图

T2航站楼的主楼部分为三层混凝土框架结构,地面标高为±0.000,混凝土楼面标高为6.000和14.00(局部房中房楼面标高20.00),局部有一层地下室,埋深达到14米。基本柱网为18000x18000,楼面采用井字梁结构,主梁500x1300,次梁300x800。屋面为斜放四角锥空间网格结构,钢网架结构由中间的8组四叉钢斜撑和上下(东西)两侧的混凝土斜柱、左右(南北)两侧的混凝土直柱共同组成屋盖结构的竖向构件兼抗侧力构件,如图2、图3所示。交叉撑的支座为下部混凝土结构的混凝土框架柱,最大间距达到了90米。屋面网架结构的

2  T2的剖面图

支座间距由四叉斜撑调整为36000x45000、36000X3600045000 x 54000、36000x54000以及27000X4500等,网架结构形式为。四叉斜撑为变截面圆钢管,直径约1600~900x42,最大长度在32米左右,其柱脚和柱顶为铸钢件。网架节点分焊接球和螺栓球两种,对于网架杆件夹角较小者采用在焊

作者简介:隋庆海,硕士,教授级高工,Email:qhsui@163.com

 

     

3  T2主楼屋面钢结构布置图

接球外焊加劲板的办法予以加强。屋面檩条通过檩托连接在网架节点上,檩托同网架一起完成加工和安装。为便于吊顶施工,在网架下弦球节点上还预留了吊顶连接件。网架使用的材料:直径大于等于180的钢管为Q345B,直径小于180的钢管为Q235B,杆件截面D88.4x4~D351x16。

T2航站楼的指廊部分为三层混凝土框架结构。受地势影响,右侧(南)指廊楼面标高4.2008.400米,地面标高为±0.000,左侧(北)指廊标高为2.8007.000米,地面标高为-1.400米。指廊部分的基本柱网约为9000x9000,结构形式为混凝土框架结构,楼面采用井字梁结构,主梁400x700,次梁300x600;受航空塔台防止遮蔽要求的影响,指廊端部标高不能超过16.750米,为增加室内净高,指廊屋面结构采用实腹H钢梁结构,梁高900~1100,材质Q345B,支撑钢屋盖的基本柱网为18000x40000

2 结构设计的特点和难点介绍

本工程特点之一是平面尺寸巨大,左右(南北)指廊端头的混凝土结构距离达到1122米,上下(东西)指廊端头间距离405米,主楼最中间部分的宽度也达到了192米。为此,设计结合建筑功能、机场的工艺流程以及上下结构受力的合理性,将混凝土结构分成25个温度单元,划分原则是控制单元尺寸在100米左右,同时尽量让支撑屋面钢结构的四叉撑在尽量少的单元上,保证四叉撑能同步运动,八组四叉撑分别位于两个单元上。屋面钢结构单元划分原则四单元长度不超过300米,为此,将主楼的屋面化为一个单元,主楼左右两侧主楼与指廊的连接部位各为一个单元,每个指廊分成两个单元,共分成11各温度单元,如图4图所示。

 

4  T2结构分缝示意图

工程特点之二是地面不做现浇混凝土梁板结构。航站楼建筑层数少,地面结构层在结构成本中的总比例较高,且不方便地下设备管线的出入,降板较多则更不划算。本工程主楼的很大一部分位于原平庄水库的上方,水库的最大深度约14米,如图5所示。同时,整个T2航站楼范围均需填方约2米左右厚,回填土能否处理好是以后地面是否沉降的关键。设计要求:首先切断平庄水库的水源,并适当晾晒。岸边严重不利于后期施工的杂填土和建筑垃圾要适当清理挖除。沟塘底部淤泥基本清除,然后分层用素土回填至现有地面标高,并进行强夯。强夯后的地基承载力标准值fk≥150KN/㎡。平均压缩模量Es≥12MPa。单击夯击能暂定3000KN.M。然后整个工程场地范围内分层用素土回填至设计地标高后再进行强夯。要求强夯后的地基承载力标准值fk≥150KN/㎡。平均压缩模量Es≥12MPa。单击夯击能暂定2000KN.M。现场试验结果,为保证水库填土过深部位的强夯质量,现场决定回填厚度大于10米的部位在库底增加一次强夯。强夯由空军六支队完成,检测结果合格。后来PHC管桩试桩反映,水库部位静压桩施工比非水库部位还难,说明回填质量非常好。由于强夯质量很好,地面不再做混凝土梁板结构,只设承台间基础拉梁,节省工程造价,缩短工期。

工程特点之三基础选型特殊。T2航站楼的地下有城际铁路、市内地铁及城市下穿路通过,位置如图5。它们的存在既影响了结构柱位,也影响了结构的桩基选型。

    
 
5  T2地下影响基础选型的部位

根据工程特点及地质勘察报告,在城铁、地铁、城市下穿路附近以及地下室部分,为保证桩基长度选用了后压浆灌注桩,其他部位为有利于保证工期,改善工程的经济性,选用了D500的PHC高强预应力管桩,实际使用效果十分理想。

受城铁隧道影响,主楼建筑正中间18米柱网的两排柱子无法直接支撑在基础上,为此在其两侧各9米的位置做桩基础进行转换,亦即转换梁为三跨连续梁,跨度分别为9、36、9米,力学简图如下图所示。转换梁高度4500,为防止梁身裂缝减少竖向变形,梁内构造设置预应力筋。该转换梁可以先于城铁施工,城铁工程后施工,为上部结构的施工创造了条件。由于上部结构的桩基与城铁完全脱开,也回避了地铁震动对上部结构的影响。

6  城铁上方转换梁设计简图

工程特点四是工期极短。本工程2013年9月开始基础施工,2015年底候机楼必须投入使用。因此设计采用的技术越简单越成熟越有利于保证工期。前文谈到的PHC管桩、转换梁都是措施之一。另外,由于本工程平面尺寸巨大,即便通过设缝减小了结构单元,但每个单元尺寸仍在100米左右,再加之柱网尺寸18米,采用预应力结构似乎是必选技术。预应力可以改善梁的挠度,减少梁的裂缝,但经过分析,我们认为预应力解决的不是早期裂缝,改善挠度也可以通过梁起拱来解决,而且对于现浇结构,平面尺寸很长时,预应力对楼盖结构会形成压缩,相当于楼盖结构降温,进而对单元边部竖向构件形成侧向剪力。本工程为典型的“三边”工程,后期的敲敲打打不可避免,对此,预应力结构的适应性与普通混凝土相比更不利且预应力筋的张拉需要等到混凝土强度达到一定值以后方可进行,施工过程复杂。综合考虑上述因素,决定不采用预应力结构。设计采取的措施如下:一是梁板混凝土内掺纤维,严格控制后浇带间距。二是将混凝土尤其是6米标高梁板混凝土的合拢温度控制在郑州年平均温度17度以下,尽量达到15度以下。三是要求控制混凝土的水灰比不要太大。四是楼板内配置少量温度筋抵抗温度变形和减少混凝土开裂;还有一点重要的是做好混凝土的二次压光处理。实践结果,效果不错。     

关于温度应力分析,以往经常将混凝土的收缩等效成温度应力,其实混凝土的收缩很大一部分是在早期完成的,因为混凝土结构形成初期结构上留有很多后浇带,即混凝土收缩单元是被后浇带分隔开的单元,单元尺寸不大,如图7所示。因此,设计将温度分析分成两部分,一个是图7左图为单元的温度应力分析,一个是图7右图所示的收缩应力分析,最后将二者对应部位应力叠加作为真正的温度应力。

  

7 后浇带细分单元

工程特点之五是支撑钢屋盖的四叉撑采用了变截面的锥型管,变截面在计算上有几个问题是难以处理的,首先是其在软件中的参数化描述,其次是其稳定承载力的分析。本文另一章节重点介绍此问题。同时,由于8组四叉撑的低点在14米标高楼面上的间距较大,通过其传给下部结构的力也较大。

3 重要构件及节点的设计与处理

3.1 四叉撑的设计

3.1.1 四叉撑的截面形式选择

四叉斜撑除了受轴力作用外,还会受到自身重力的作用。从直观概念上讲,四叉撑截面形式的选择,矩形截面应该合理一些,但分析结果表明,杆内轴力份额较大,斜撑受力可认为是轴心受压构件,按照钢结构设计规范[1]规定,矩形截面钢管腹板的高厚比为40(235/fy)½,二圆钢管的外径与壁厚之比为100(235/fy)。为满足矩形截面腹板的高厚比要求,矩形截面长边的板厚要很厚。于是将矩形截面改为图8中第二种椭圆型组合截面,这种截面能够减小板件的厚度,但由于组成截面的板件向组合截面的中心集中,组合截面的回转半径减小,对杆件的稳定承载力损失较大。因此,最终选择截面形式为圆形变截面锥型钢管。

8 可选择斜撑杆件截面形式

3.1.2锥型圆管的参数化处理

为能在SAP2000中准确描述杆件特征,对变截面柱截面惯性矩的计算作如下推导:

                    1)

式中:——截面的外半径; ——截面的内半径;

柱截面的变化趋势:截面厚度为定值,截面外径线性变化。可由以下公式表示:

                  2)

                        3)

式中:——截面初端的外半径;

——截面末端的外半径;

——任意位置处截面的外半径;

 ——任意位置处截面的内半径;

——截面的厚度,为常数。

 

      4)

已知柱截面外径的变化规律为线性变化,欲知圆柱截面惯性矩的变化趋势可考虑将截面惯性矩表示为截面外径的函数。

由式(3)可得

                    5)

将(5)式代入(4)式可得    (6)     

很显然式(6)为外径的一元三次函数,也即SAP2000[2]中的“cubic”。从而解决了参数化描述问题。SAP2000中的操作:

(1)在截面定义中选other,点击常规,分别定义参数。

(2)在截面定义中定义开始截面,结束截面,EI分别选线性和三次方变化。

3.1.3 自重对锥型圆管稳定承载力的影响分析

设计初期,D1600x30的等截面圆管为例,在SAP2000中进行分析[2][3],模型图如图9 ,在杆断加单位轴力后进行杆件的屈曲分析,分析结果如下:

 

9 四叉斜撑稳定承载力分析简图

                   一阶屈曲因子    1

支撑方式

考虑自重

不考虑自重

误差%

上铰下刚

43480

43670

0.44

两端交接

42196

42393

0.47

两端固定

96864

97110

0.25

上端滑动铰下端刚接

43480

43672

0.44

    表中数据说明,四叉斜撑的重力对其稳定承载力的影响不大,可以忽略,也说明选择圆形截面合适。

3.1.4 四叉撑杆两端节点的设计处理

四叉斜撑的下节点暴露于人的视野范围内,在造型上追求一种力量效果,经过几个方案的比对,最终选择了图10左图所示的“在用力的肘关节”节点,为达到此效果,铸钢节点是不二选择。与此相对,四叉斜撑的顶点选择了图10右图随时铸钢节点。

   

10  铸钢节点形式

铸钢材料的化学成分和机械强度是选材时比较关注的两个问题。由于斜撑杆件的材质为Q345GJ,所以铸钢节点的材料强度应尽可能相近,化学成分应要接近,以保证焊接质量和连接的可靠。现行《钢结构设计规范》[1]中给出了四种建议采用的钢铸件材料,其中ZG310-570强度最高,抗拉、抗压和抗弯强度设计值f=240MPa。《铸钢节点应用技术规程》[4]规定:可焊铸钢件材料,对于承受静力荷载或间接动力荷载,多管节点、三向受力等复杂受力状态下的铸钢节点,可选择ZG275-485H、SCW480SCW550、G20Mn5N。当节点受力较复杂、受直接动力荷载或处于7度及以上抗震设防区域时,宜选用G17Mn5QTG20Mn5NG20Mn5QT铸钢。经比较,G20Mn5德国标准)对钢材残余元素S、P的含量要求比较严格,控制在0.02%以下。严格限制 C、S、P 的含量不仅使铸钢件具有良好的塑性与韧性,而且确保了节点的可焊性,故本工程选择G20Mn5QT。节点弹性状态应力可用有限元分析[5],

    7)

式中,Mises应力,-为铸钢材料屈服应力

以下节点为例(球头与球碗间接触面设置为摩擦接触,摩擦系数0.3)用四面体单元solid187进行网格划分,1倍设计荷载下铸钢节点的最大Mises应力集中在节点球位置,为141.11Mpa,如图11的左和中图所示。

根据《铸钢节点应用技术规程》用弹塑性有限元分析时,加载3倍设计荷载下铸钢节点弹塑性有限元分析的应力云图局部位置最大应力为301.75Mpa,稍超屈服强度,大部分位置均应力小于268Mpa,铸钢节点满足要求,如图11中的右图所示。             

 
11 节点有限元分析结果 四叉撑支撑柱的设计

每组四叉斜撑支撑的屋盖面积都很大,四叉撑支座下传的轴力近2500吨左右,同时,为方便行人通过,四叉撑的交点高出楼面2.5米,该处支撑柱的作用十分重要。设计采用了钢骨混凝土柱,四叉撑柱底节点的力通过钢骨直接下传,同时增强其抗剪能力和结构的延性,如图12所示。 

12钢骨柱节点

4.小结

本工程是国内外少见的复杂工程,说它复杂不仅仅因为子项多、面积大,而是因为航站楼的下面同时有城际铁路、城市地铁以及下穿路通过,设计涉及的行业多,头绪复杂。同时,本工程也是工期短得少见的澳门永利网上赌场,国内同规模甚至比该机场小很多、简单得多的澳门永利网上赌场工期都比本工程的工期长很多。在这种条件下,结构设计通过采用先进、可靠更是合理的技术,创新图纸绘制方式,调动一切可调动的力量,通过分期出图等措施,确保了工程的早日开工,通过派有经验的驻场代表,配合业主、协助施工,很好地保证了工程的进度。

 

[1] 《钢结构设计规范》GB 50017-2003 [S].

[2] 北京金土木软件技术有限公司等著《SAP2000中文版使用指南》.人民交通出版社.

[3] 肖克坚,罗昱,杨文等成都双流机场T2航站楼钢屋盖稳定性研究[J] 建筑结构 2010,(9):P6-10

[4]《铸钢节点应用技术规程》CECS235:2008[S].

[5] 王帆,黄仕香,隋庆海等.深圳大运中心铸钢节点构造选型和模型试验研究[J]建筑结构学报,2010,(4): 45-52.

 

作者简介:

 隋庆海(1964-),男,工学硕士,教授级高工,一级注册结构工程师,在澳门永利网上娱乐平台建筑东北设计研究院有限公司从事结构设计。

 

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