机场3号航站楼金属屋面设计

机场3号航站楼金属屋面设计

首都t3大楼是北京的一座地标之一，在两年多前被拆除。机场扩建指挥部负责人表示，机场的土木工程质量没有问题。t3大楼屋顶按照百年一遇的标准设计建设，能承受28.3米的闪燃，即12级台风。t3楼的建设标准远远超过了国家的设计标准。按照百年一遇的标准设计建设的巨大工程屋顶年复一年地竟被风3次掀顶,一幢如此先进的现代建筑,为何就抗不住在北京地区并不罕见的10级大风呢?不得不令人震惊和质疑!本文抛砖引玉探讨“二年三遭百年遇”技术原因,期望首都机场T3航站楼屋面不要第四次被风掀开。1t3a金属地板结构介绍1.1屋顶色彩组成三号航站楼T3A主楼金属屋面表面颜色采用渐变式色彩组成,设计根据工程屋顶不同的位置由黄-橙-红三种渐变色彩。坐在飞机上观看航站楼渐变式的屋面颜色,像是一条飞腾的巨龙,给人一种赏心悦目的感觉。1.2锁边金属屋顶系统首都机场新三号航站楼T3A主楼金属屋面采用双层的构造形式,顶部外层采用铝合金框架开缝体系的铝单板幕墙系统,采用定距压块式的构造形式。铝板接缝之间采用开缝体系铝板幕墙专用的铝合金盖板封盖,以遮盖缝内的铝合金压块和紧固件。内层屋面采用直立锁边系统复合屋面板,在滑动固定座与屋面板之间设计有滑动保护膜,以确保屋面板遭滑动时避免磨损。直立锁边金属屋面系统为暗扣系统,属于无穿刺系统,防水能力可靠。先在屋面结构主钢梁上铺设0.6mm厚的穿孔型钢承板,钢承板的波高为150mm,波谷内填充吸音海棉;钢承板上再铺设直立锁边系统复合屋面板,直立锁边复合屋面板的底板为0.6mm镀锌钢板,镀锌钢板上覆一层铝箔防潮保护膜,在防潮保护膜的上面为150mm厚的防火保温岩棉,防火保温岩棉上再覆一层铝箔防潮保护膜,在防潮保护膜上面为1.2mm的直立锁边型铝合金面板。首都机场三号航站楼T3A主楼屋顶由钢承底板、保温层、气密层、吸音层、防尘层和屋面板组成,钢承底板采用直径有2毫米孔径、两肋穿孔彩色钢底板。金属屋面投影面积达16万平方米,金属屋面板采用故宫琉璃瓦色,表面氟碳烤漆铝、锰、镁和金属面板。屋面板型选用构造防水型、直立锁边贝母屋面板。金属面板依靠板与板之间锁扣扣在一起,形成牢固、防雨、可伸缩滑动的连接。保温层采用150毫米厚的玻璃棉,气密层采用铝塑夹筋薄膜,吸音层采用100毫米的吸音玻璃棉,而防尘层则通过铺设无纺布来防尘。有孔的钢承底板与保温层、气密层、吸音层和防尘层构成屋顶保温、吸音、防尘体统,有效地保证整个屋面的吸音,增强降噪作用。2三名飞机公司的乘客被风吹得次数三次2.1都机场认识到事故原因2010年12月10日,北京地区遭遇大风天气,首都机场风速最高达26米/s,最大风力为10级,该天气造成首都机场3号航站楼屋面局部金属板被强风掀开。首都机场扩建指挥部负责分析了事故发生的原因:目前我国建筑设计国家标准是50年一遇,能抗击每秒26.8米的大风,也就是11级的风力,而T3航站楼棚顶是按照100年一遇的标准设计建设的,能抗击每秒28.3米的大风,也就是12级的风力,T3航站楼的建设标准超过了国家的设计标准。那么为什么还会发生事故?负责人说,设计的抗风能力是实验室得出的数据,不能完全说明问题。另外,破损部位发生在航站楼楼顶的弧形段,受到特殊地形的影响,那里的瞬间风力可能会超过建设标准。2.2机场屋顶被风吹开2011年11月22日T3航站楼D区屋顶局部被强风吹开,白黄色材料卷入风中,飘落在周边跑道和走廊上。这是自去年12月10日被10级大风掀翻后的第二次。据北京首都机场新闻中心公布的信息所知,当天18点55分,首都机场风速最高达24米/秒,首都机场随即启动了大风黄色预警预案,20点15分,机场3号航站楼D区屋顶局部被强风吹开。针对北京首都机场三号航站楼部分屋顶被强风吹开,引发外界对机场施工质量的质疑,中方总设计师表示,机场建筑设计本身没有问题,可能是供应商提供的建材质量不合格,或个别建材没有安装妥当。北京首都国际机场三号航站楼主楼由国际建筑设计大师诺曼·福斯特(NormanFoster)设计,美联社发电邮至福斯特建筑事务所香港办事处,要求对方就事件回应,但对方截至截稿前尚未答复。首都机场新闻中心职员则拒绝评论。2.3是大风天气变色保障程序?2013年3月9日北京地区遭遇大风天气,据首都机场官方微博消息,11点40分,首都机场风速高达30米/秒,风力达11级。首都机场立即启动了大风天气橙色保障程序。11点46分,3号航站楼国际区东北角屋顶局部被瞬间超过11级以上的强旋风掀开。3三个类似事件被金属屋顶风破坏3.1屋顶与风压问题2007年7月27日下午约8点30分一场突然大风造成武汉机场二期工程的主候机楼屋顶破坏,面板掀起约100平方米,屋顶内部上部PC板几乎吹落或掀起,面积约3000平方米,侯机楼屋顶按GB50009-2006年版50年一遇基本风压设计,原设计能抗12级大风,武汉机场航站气象台记录的当时风速为29米/秒,相当11级大风。破坏时风压超过设计风压。面板破坏处T形件、主次檩条连接均良好,是由于立边锁扣拉脱而致,立边锁扣负风压强度不够。3.2苏州车站园区金属屋面破坏2012年8月8日13时许,因受到台风“海葵”影响,苏州市有8-10级大风。苏州火车站园区站房金属屋面15块1.0mm厚铝镁锰合金直立锁边屋面板遭到破坏,苏州火车站园区金属屋面按GB50009-2006年版设计应能抗12级大风,但在10级大风破损,主要是立边锁扣负风压强度不够所致。3.3负风压引起大风体育中心金属屋面中间位置最高处铝宿板和固定槽钢被风撕裂并吹落100米,三副三十平方米的大型采光窗被整体吹落,雨蓬吊顶吹坏。而且大部分破坏都是由于负风压所引起的,屋面板给掀了,主体结构没什么大碍。根据当初的设计要求,河南省体育中心应能抵抗10级大风。按照当天气象局观测点的大风最高时速达24.7米/秒,相当于9级风。以上列举的是金属屋面被大风掀开案例中极少的部分,我国每年因强风造成屋面受损的直接经济和间接经济损失达亿元以上。金属屋面抗风能力系统研究迫在眉睫。4北京首都机场t3航站金属地板负风压低是风灾的重要原因4.1北京首都机场3号航站楼金属屋面是一种典型的风压塑合结构T3A航站楼长约960米,最宽处约780米,最高处45米,其屋面悬挑部0米。T3B航站楼长约960米,最宽处约780米,最高处44.5米。两个屋盖结构相距约1000米。T3A和T3B航站楼屋面均为复杂的双曲面形状,表面并附有采光三角天窗,体型十分独特;而且屋面跨度又特别大,结构具有质量轻、柔性大、阻尼小等特点,均是典型的风敏感结构,风荷载控制结构设计的主要荷载之一。对挑檐结构主要危险是负风压。当年设计时,福斯特和中国专家也意识到这一点,做了相应计算和抗风力试验。文献1《北京首都机场3号航站楼风荷载和响应研究》提供的等效静力风荷载为-1.57kPa。见图10。4.2北京首都机场3号航站楼金属屋面按《建筑荷载规范gb50006-2006版》风荷载标准值的确定计算围护结构按下式计算:高度z处的阵风系数β风荷载局部体型系数μ风压高度45m(B)变化系数μ100年重现期基本风压w50年重现期基本风压w100年重现期风荷载标准值Wk=-1.615kPa,50年重现期风荷载标准值Wk=-1.454kPa,文献1提供的等效静力风荷载北京首都机场3号航站楼风荷载等效静力风荷载为-1.57kPa,介于100年重现期和50年重现期《建筑荷载规范GB50009-2006版》风荷载标准值Wk之间,相当于10级风的风荷载标准值。4.3年重现期风荷载高度45m(B)处的阵风系数β则:100年重现期风荷载标准值Wk=-1.615×1.56kPa=-2.51kPa;50年重现期风荷载标准值Wk=-1.454×1.56kPa=-2.27kPa。12级风的最小风压0.66kPa,12级风的最大风压0.85kPa。则:(100年重现期12级风的最小风压)/(50年重现期12级风的最小风压))=66/38=1.736(100年重现期12级风的最小风压)/((50年重现期12级风的最小风压))=85/50=1.74.42金属屋面结构防风固载建筑结构荷载规范/GB50009-2006屋面12级风压标准值大约相当于建筑结构荷载规范/GB50009-2012年版的10级风压标准值。地面粗糙度B屋面高度10m1.7/1屋面高度15m1.66/1屋面高度20m1.63/1两者比值正好相等,这表明2012年以前金属屋面工程按当时有效的建筑结构荷载规范GB50009-2006版的12级风压大约相当于建筑结构荷载规范GB50009-2012年版的10级风压。金属屋面结构在常遇9、10、11级风压时,尽管设计负风压偏低,一般不会导致整体结构破坏,因为整体结构重力荷载减低了负风压作用,而金属屋面表层薄板金属自重很小,不能减低负风压作用,往往被掀揭而破坏。北京机场T3航站楼金属屋顶、武汉天河机场金属屋顶、苏州火车站园区金属屋面以及河南体育馆金属屋面等工程整体结构未破坏,而屋面表层薄板被风破坏,这是重要技术原因。GB50009-2012年版建筑结构荷载规范考虑到近几年来轻型屋面围护结构(含薄板金属屋面)发生风灾破坏的事件较多的重要原因而作出的修订。金属屋面按《建筑荷载规范GB50009-2006版》设计的负风压偏低是风损的重要原因。5垂直锁销的金属屋顶抗风蚀试验和分析5.1金属屋面产生破坏的几个方面在一个铝镁锰屋面系统中影响面板抗风性能的主要有山墙,屋脊和T型支座,从以上一些破坏案例可看出一个屋面系统抗风性能的降低首先是从屋脊节点和山墙节点等局部位置开始,再向整个合金屋面系统蔓延,最终损害整个铝镁锰屋面系统。金属屋面产生破坏的几个方面:5.1.1金属屋面条强度不够抵抗强风力的作用导致屋面破坏;5.1.2金属屋面系统的T码及T码及檩条的连接强度不够,受强风破坏;5.1.3支座处锁缝分离,板与板非支座处分离,滑动支座破坏,紧固件拔出。增强金属屋面本身抗强风强度主要通过改善上述3方面的受力性能进行,其中5.1.3是主要的,与某型直立锁缝金属屋面系统试验结果相吻合。5.2直立锁缝金属屋面系统受力直立锁缝金属屋面承载面积同板宽和支座间距成正比。图13为直立锁缝金属屋面系统受力简图。直立锁缝金属屋面各组分传力途径为:风载-屋面板-屋面锁缝-屋面支座-屋面紧固件-檩条。5.3基于系统最优设计金属屋面系统极限抗风拔力的能力可以根据金属屋面系统各组成部分平衡搭配可以取得有效的抗风拔力系统,从其失效模式为:紧固件拔脱;滑动支座破坏;支座处锁缝分离和板与板锁缝分离。分析出系统最优方案:式中:F1为支座处锁缝极限承载能力/kN;F2为非支座处锁缝极限承载能力/kN;F3为支座极限承载能力/kN;F4为紧固件连接极限承载能力/kN;F为系统中最薄弱组件能力/kN;Croof为该系统极限承载能力/kN/mS为支座间距;W为屋面板宽度。5.4金属板屋顶研究方法金属屋面系统通过扣合或咬边连接金属屋面工程越来越多,由于设计规范相对滞后,以及应用单位与设计人员的认识程度不够等原因,对金属板屋面研究大多集中在保温、隔声、防水等领域,对力学性能的研究也多集中于外露式的搭接方法。而对金属屋面上层屋面板板肋与T码之间的咬合破坏研究甚少,咬边连接是过板与板、板与T码之间的相互咬合进行连接,其抗剪和抗弯承载力是通过相互之间的摩擦力来传递,传力机制明显不同于紧固件连接的传力机制,其在风吸力作用下的传力机制,目前还没有成熟的理论可寻,本文仅此探讨分析。5.5截面参数的确定5.5.1金属屋面系统的薄弱区在屋面板与T码的咬合处,在负风压作用下,风会对屋面板产生向上的风吸力作用(图14)。由于风吸力反复不断的对屋面板向上作用,导致上层屋面板板肋与T码之间的咬合破坏,破坏时面板与T码脱开上拱,然后带动其它位置的屋面板一起拱起,致使屋面板最终被撕裂而破坏(图15)。5.5.2金属屋面板的强度及及屋面板与T码咬合部位强度计算。金属屋面板的强度及及屋面板与T码咬合部位强度受材料性质及连接构造等许多因素影响,目前尚无精确的计算理论,需根据试验确定连接强度。压型铝板属于板状受力构件,其破坏状态受多种因素影响,除强度、刚度外,其稳定性和连接可靠性也极为关键,因此其截面参数根本无法用纯理论计算获得。正规生产厂家都会投入大量财力物力,对其生产板型的各种规格进行无数次不同跨度的受荷试验,再将试验数据进行统计分析,从而得出符合实际受力模式的截面参数作为设计计算依据,并且所有试验及数据均呈权威机构认证批准。必要时可参考下列计算。结构计算模型:考虑屋面板承受竖向荷载、水平荷载,强度和挠度按受弯构件计算;并考虑温度和地震效应的影响。强度和挠度按弹性五跨连续梁模型计算内力,按薄壁构件验算截面。设计所采用计算方法及公式:5.5.2.1荷载组合a.当活荷载≥雪荷载时:恒荷载+活荷载b.当活荷载<雪荷载时:恒荷载+活荷载c.考虑风荷载最不利组合:恒荷载+风荷载d.考虑检修荷载组合:恒荷载+检修荷载5.5.2.2内力分析活荷载作用下考虑活荷载的最不利布置,在雪荷载作用下考虑满跨布置,并考虑积雪效应,检修荷考虑作用在跨中,并沿板纵向(板铺方向)换算成一个波峰宽方向的线荷载后,再按集中荷载计算。金属屋面板的强度可取一个波距的有效截面,以檩条或T形支托为梁的支座,按受弯构件进行计算。式中:M—截面所承受的最大弯矩,可按图5.5.2的面板计算模型求得;Mu—截面的受弯承载力设计值;We—有效截面模量,按现行国家标准《铝合金结构设计规范》GB50429的规定计算。5.5.3金属屋面板通过T型支座连接在檩条上,由T型支座支撑,屋面板的受力为多跨连续梁的形式(图18)。5.5.4屋面板T形支托的强度应按下式计算:式中:σ——正应力(N/mmf——支托材料的抗拉和抗压强度设计值(N/mmR——支座反力(N)Aen——有效净截面面积(mmt1——支托腹板最小厚度(mm);LS——支托长度(mm)。5.5.5屋面板与T码咬合部位最大抗力值R抗力与强度。目前尚无精确的计算理论,需根据试验确定连接强度。必要时可参考下列计算。L为屋面板的跨度,B为板的宽度,Ra为允许值,由厂家提供或试验确定。6试件安装及试验方案以某国际机场航站楼屋面板抗风承载能力试验研究为例。6.1某机场航站楼建在渤海湾边,四周地面空旷,常年易刮北风、西北风,且风力较大。航站楼屋面面积很大,达40000m6.2试验根据机场航站楼挑檐部分屋面的有关参数制作试件,试件长为6330mm,宽为3100mm,纵向设置檩条,檩条间距为750mm,共设置三根檩条,檩条的截面为[]双卷边槽形口对口C180×70×20×2.0,上铺65/333型(0.6inln厚)镀铝锌面板,面板周边与[10进行密封焊接,密封用的底板厚度为4mm,底板上设置两道加劲肋,间距为1000mm,试验所用镀铝锌面板以及T码等安装配件均从现场运至上海,由现场施工人员在试件上安装。试件一为屋面T码上全部施加琐夹,试件二为琐夹在有T码的位置交错布置,试件三为T码位置不设琐夹。试件二和试件三,分别是在试件一的基础上去掉部分和全部琐夹后依次进行试验。6.3在试验初期,3个试验皆表现为板肋间的面板呈现鼓起变形,随着压力的逐渐增大,板肋间的面板鼓起变形逐渐增大,板肋和锁夹并未随面板的鼓起而倾斜,变形不明显。当升压到最大值时,在稳压5min的过程中,观察到压型板咬合部位和板面的变形正常,受力完好,并未发生破坏,3个试验所加压力的最大值分别为7.8kN/m在试验三中,镀铝锌面板当加压到7.9kN/m上述的破坏试验表明,屋面系统的薄弱区在屋面板与T码的咬合处,破坏时面板与T码脱开上拱,然后带动其它位置的屋面板一起拱起,致使屋面板最终被撕裂而破坏。6.4细胞密度设计方案6.4.13个试件的试验研究表明屋面系统的薄弱区在屋面板与T码的咬合处,破坏时面板与T码脱开上拱,然后带动其它位置的屋面板一起拱起,致使屋面板最终被撕裂而破坏。6.4.265/333型(0.6mm厚)镀铝锌面板上施加琐夹可以提高试件的抗风承载力,并且随着琐夹布置密度的增大而增大。6.4.3加固所选用的65/333型(0.6mm厚)镀铝锌面板可以满足该航站楼屋面抗风设计要求。考虑该航站楼挑檐部分其它各种不利因素的影响,采取在屋面板T码处交错布置琐夹的加固措施以增大其屋面的抗风承载力。7n/m7.2加固方案以温州火车站金属屋面加固设计为例。7.1屋面系统角部设计风压偏低,易发生屋面被掀翻的可能,需要加固。经计算复核温州南站的金属屋面在角部部位的100年一遇的风荷载值为4.865KN/m7.2整改方案7.2.1屋脊是本次检查中发现的问题最大的部位,其不能抵抗较大的负风压,为了防止台风造成的破坏,先设计了一套切实可行的加固方案,本次方案考虑将屋脊与屋面连接,同时连接好高端堵头并将屋面板卷边。檐口区加固:由于檐口有很多不利工况,故将所有的檐口增加3排铝合金抗风夹,夹具与T型支座连接。伸缩缝加固:顶部新设计了铝合金与三元乙丙密封胶条组合的伸缩缝加固方案同时保证屋面的效果又新增加一条铝镁锰板的伸缩缝系统,保证使用功能,双保险方案,吊顶部位增加了铝合金与三元乙丙密封胶条组合的伸缩缝加固方案保证安全的前提又能满足观感。8屋顶风压和高度8.1屋面结构的设计一般仅考虑自重、雪载、施工荷载,而风的作用常被忽略。认为风荷载的影响不大或风引起的吸力对屋面结构有利。实地调查结果表明,在风作用下整体被破坏的例子并不多见,但其局部表面饰物脱落或屋面局部被掀开以致整个屋面遭受风荷载破坏的例子却时有发生。提高金属屋面抗风力要从技术、设计、材料、施工、管理、维护多方面着手,本文仅从技术面提供参考建议。8.2新建金属屋面工程严格按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012设计,既有金属屋面工程宜按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012复核设计。建议宜选用100年一遇基本风压。8.3风荷载设计宜分别按结构,上、下表面的最不利风荷载进行设计。结构的风压计算应考虑上下表面风压值叠加。对于开敞式屋面结构,上下表面都受到风的作用,而设计支承结构时需要的是屋盖上、下表面的风压差,即净风压。一般来说净风压不完全等于屋面上表面或下表面所受风压,所以只考虑净风压的设计,结构可能安全,而屋面的上表面、下表面可能不安全。建议屋面风荷载设计宜分别按屋面结构,上、下表面的最不利风荷载进行设计。8.4金属屋面宜进行下列试验:1、抗风压试验;2、结构性能试验;3、屋面板承受集中荷载试验;4、气密性试验;5、水密性试验;6、热循环测试;7、隔声试验;8、保温性能试验;9、吸声试验;10抗风揭试验。8.5我国现行的相关规范对风荷载只有设计要求,没有相关的标准测试方法对此进行验证。建议金属屋面按照GB50009-2012《建筑结构荷载规范》设计后,宜采用抗风揭实验室试验结果进行验证。检验屋面系统的设计、屋面系统所用的各种材料(包括表面材料、基层材料、保温材料、固定件)以及整个屋面系统的可靠性和可行性。8.6机械咬口屋面板承载力高于手工咬口,咬合时需用专用电动工具将整条边全部咬合,咬边施工不到位,导致咬