广州白云机场东三、西三连接楼结构设计改进

广州白云机场东三、西三连接楼结构设计改进

1结构设计1.1有连接楼的北建筑结构根据总体规划，广州新白云机场的扩建分为三个阶段：1）最近的扩张：包括东西三个手指走廊和相关连接大楼。2）第二次扩建：包括北部主航道、东四、东五、东六手指走廊、西四、西五、西六手指走廊和相关连接大楼。3）第三次扩张：包括东七、西七指走廊和相关连接大楼。近期扩建工程总建筑面积为146535m2,其中,东三、西三连接楼面积约占2/3,位于一期现有连接楼的北端,结构平面布置见图1(图中东连接楼与西连接楼对称),外形上与一期工程保持相似,平面呈圆弧状,长约350m,宽约65m,与一期工程用结构缝分开。连接楼屋面为氟碳喷涂铝合金金属屋面,屋面板支承在结构压型钢板上,并沿径向连续不间断铺设,在两层板之间设有玻璃纤维保温隔热棉毡和隔汽层。在每侧连接楼的屋顶设置了16只索-膜结构采光窗,膜为双层,以达到改善隔声的效果。膜用作外围护构件,不参与整体受力。在室内,EB～EC(WB～WC)轴及EF～EG(WF～WG)轴屋顶设有吊顶,屋面压型钢板为单层压型钢板;EC～EF(WC～WF)轴屋顶无吊顶,屋面压型钢板为大跨度箱形压型钢板,无需檩条,以满足建筑美观要求。陆侧和空侧的玻璃幕墙均为点式夹胶玻璃幕墙,陆侧玻璃幕墙为平板式夹胶玻璃,竖向桁架下端固定铰接在首层混凝土结构上,上端以水平铰接链杆与屋盖钢桁架节点连接;空侧玻璃幕墙采用圆弧形夹胶玻璃,圆弧形的幕墙圆管支柱的下端固定铰接在楼层混凝土结构上,上端固定铰接在屋盖钢桁架上。端山墙为氟碳喷涂蜂窝铝板幕墙,竖向支柱下端铰接在楼层混凝土结构上,上端以水平铰接链杆与屋盖钢桁架节点连接。1.2主要设计参数1悬挂荷载钢屋盖竖向荷载标准值为:活载:0.5kN/m2;有天花处悬挂荷载:0.48kN/m2;无天花处悬挂荷载:0.24kN/m2;天花及屋面板:1.0kN/m2;屋面板:0.4kN/m2;检修集中荷载:1kN(檩条及屋面板)。2模型内压测试连接楼体型系数的初步取值见图2。由于建筑外型及周围环境较为复杂,需要对结构进行风洞试验。与一期工程相比,建筑外形及周边环境变化不大,因此风洞试验可参照一期工程的整体比例模型的试验结果。除了测试建筑外压外,试验中还测试了建筑内表面各点的内压。为了模拟门窗开启对内压的影响,在模型的墙面上开了一些小圆孔,开孔的大小、数量与拟考虑开口的门窗面积成比例。通过计算风荷载的平均值和均方差,可求出峰值风压,供张拉膜、玻璃幕墙等外围护构件设计使用。风振系数是根据结构的实际几何尺寸、杆件截面大小、实际荷载分布,通过有限元及随机过程理论求解的计算值,根据计算结果,连接楼风振系数一般为1.5～2.5。3体结构及功能屋顶采光天窗的张拉膜和脊索并不参与整体结构计算,膜边缘及脊索的反力简化为作用于主体骨架节点的集中荷载。荷载计算中考虑膜支座偏心对杆件所产生的扭矩。4钢结构计算高差场区的极端最高气温为38.1℃,极端最低气温为0.4℃,取平均温差±20℃作为室内钢结构计算温差。关于建筑结构的温度作用,国内目前尚无计算温度取值及有关荷载组合的规定,因此暂时取组合值系数为1.0,并考虑温度与活载、风荷载组合。为了从构造上减小结构的温度应力,连接楼屋盖中设有两道温度伸缩缝。1.3主桁架结构及节点设计1)连接楼主桁架主桁架为三角形截面圆管相贯焊接空间桁架,共20道(变形缝处为两道宽度减半的桁架,按1道计算),沿径向设置,间距18m左右。每榀主桁架有3处支承:a.在EF(WF)轴处(陆侧)沿纵向设置了一排人字形梭形组合柱,人字形柱的上下铰支座是铰轴平行的理想圆柱形铰支座,容许人字形柱在桁架平面内自由摆转,但又保证人字形柱在桁架平面外的稳定;b.在EC(WC)轴处沿纵向设置了一排直径为1.4m的钢筋混凝土圆柱,桁架通过球铰支座支承在柱上;c.在EA(WA)轴处(空侧)为主桁架的落地支承端,主桁架弦杆经弯曲后直接支承在基础上。但在E19(W19)和E20(W20)轴处,由于建筑需要加宽指廊入口的宽度,需将主桁架空侧的落地部分截去架空,因此,每侧有两榀主桁架的空侧端需要利用指廊入口门顶的大跨度巨型混凝土转换梁(截面为2.5m×3m(h))来支承(图3)。连接楼的主桁架是由圆钢管相贯焊接而成的双跨倒三角形截面立体桁架(图4),桁架截面宽3m,高2.5m,弦杆截面尺寸为ϕ245mm×(12～22)mm,腹杆为ϕ(102～168)mm×(5～12)mm。两根上弦杆间距保持为等距离。主桁架间距约为18m,沿径向布置。主桁架的弦杆为分段圆弧,采用冷弯成形,弦杆分段变厚度。侧面斜腹杆与弦杆的连接采用有偏心带间隙的K型连接节点,腹杆之间无搭接。个别节点难以设计成无间隙型,则加相贯板或采用铸钢节点。支承张拉膜采光天窗的钢骨架(图5)是由一榀拱形平面桁架(a)和两条弯曲的边桁架(b)组成。拱形桁架的上边框采用两段ϕ324圆管对称拼接而成,下边为起支承作用的纵向次桁架(c),为了稳定拱形桁架,采用两根稳定拉索(d)和一组脊索(e)对桁架的顶点进行固定,脊索兼支承采光天窗张拉膜,稳定索为ϕ45(尺寸不包括护套)双层PE护套半平行钢丝索;拱型桁架的腹杆为纵横分隔的矩形管,腹杆兼作玻璃幕墙的边框。边桁架的做法不同于一期,原设计是单根的空间曲线矩形钢管边梁,现改成了三角形截面立体边桁架,其弦杆是平面二次曲线。为保证主桁架的平面外稳定,沿屋盖的纵向设置了3道纵向桁架,分别位于EB(WB)轴、EC(WC)轴、EF(WF)轴附近。主桁架在陆侧部分分叉成两个较小的三角形桁架,分叉部分同时也是采光天窗的边桁架,沿纵向形成“之”字形平面布置,使屋盖在采光天窗开口处的平面刚度得以增强。另外,为了平衡采光天窗张拉膜的侧向张拉力,在采光天窗之间的屋盖部分设置了水平支撑。1.4箱形压型钢板的设计屋面结构采用压型钢板承重,在没有吊顶的EC～EF(WC～WF)轴部分,为了使室内建筑效果简洁,采用了无需檩条的箱形组合压型钢板。这期工程采用的箱形压型钢板,主要是用于指廊,连接楼只用了一部分,规格与指廊一致。由于指廊的柱距由一期的12m加大到了18m,风压也比较大,所以箱形压型钢板的高度也从一期的310mm加高到380mm(图6),但形状与一期基本一样。箱形压型钢板加高后,侧边的现场连接变得更困难了,工具难以伸进狭窄且深的间隙中,所以对板间间隙的宽度予以适当加大。在有吊顶的EB～EF(WB～WF)轴及EF～EG(WF～WG)轴部分,连接楼屋面板采用单层压型钢板,板型同一期,为76mm高的压型钢板,钢板厚1.2～2.0mm(图7)。与一期不同的是,板跨沿连接楼的横向,跨度3m左右,其优点是檩条可将屋面荷载直接传至主桁架的各个上弦节点上,传力较为均匀,且檩条无需冷弯。檩条采用500mm高焊接H型钢。为了使单层压型钢板与箱形压型钢板的板面平齐,檩条的顶面需要高出主桁架上弦钢管顶面300mm左右,在EF～EG(WF～WG)轴部分,屋面较为陡峭,在EB～EF(WB～WF)轴,虽然坡度不大,但考虑到檩条的跨度都较大,达到15m左右,故每跨梁均设置了3道双层拉条,纵向檐口处设置了斜拉条和刚性拉条,以保证檩条的侧向稳定性。2发展铸钢节点人字形柱下端支座设计为铰支座(图8),主要的转动方向是绕垂直于主桁架平面的轴转动,故设计成圆柱形铰支座,使得钢屋盖沿径向的水平约束释放。支座的底座为整体铸造的铸钢件,人字柱柱端的铸钢件分两段:一段是3根分肢柱相贯部位铸钢件,一段是柱脚(此段见图8d),两段都是整铸的铸钢件。支座通过锚栓固定在基础上,支座的水平力通过设置在支座底板的18ϕ30抗剪钉传递给基础。主桁架中柱支座设计为球铰支座(图9),为抵抗上拔力,设置了4M60带压缩弹簧的抗拔螺栓。支座通过锚栓与钢筋混凝土支承柱连接,水平力通过3块矩形抗剪板传给支承柱。位于中柱支座处的桁架节点是一个12管汇交的铸钢节点。目前,铸钢技术属于新技术,有关规范正在编制中,铸钢节点通常用于重大工程的重要和复杂部位。为确保可靠,设计中采取了以下措施:1)选择性能良好,加工质量有保证的材质;2)注意铸造工艺构造,设计合理的壁厚、适当的倒圆角、必要的起模斜度;3)对探伤、修补提出明确的要求;4)对节点进行非线性有限元分析;5)对重要的复杂节点进行试验。3ht-qp3张拉膜结构设计钢桁架计算软件采用STAAD/CHINA2004和SAP2000。整体稳定计算、节点分析、人字形柱非线性分析软件采用ANSYS。整体计算时,所有弦杆、腹杆、梁、柱均采用普通梁单元。管桁架的弦杆在中间节点处连续,曲线的弦杆通过分段的直线来模拟,而腹杆与弦杆的连接节点按铰接点考虑,计算时模拟节点的偏心。连接楼人字形柱的承载力需要通过试验确定,根据一期工程的试验和非线性FEM分析成果,保证了人字形柱设计可靠。张拉膜根据《膜结构设计规范》(CECS158∶2004)分两步进行设计:1)张拉膜的找形分析。一方面确定膜外形以满足建筑要求,另一方面确定适当的张拉力以满足膜材强度、膜材防皱要求。经过反复的找形分析,确定了张拉膜布的张拉控制值应为4.4kN/m(双向)左右。找形分析需要考虑大变位、大转角几何非线性影响以及膜材的正交异性。找形分析最合适的计算软件是EASY、TENSYS等专业软件,但价格昂贵,或为大型专业公司自行开发。近年来,有很多学者在探索使用通用FEM软件求解张拉膜结构的计算方法,本设计张拉膜计算采用ANSYS软件,张拉力的计算采用降温法。为了便于收敛,找形时使用较小的弹性模量计算;2)张拉膜平衡态的受荷分析。采用实际的材料弹性模量,分别计算活载、风作用下的工况内力,并验算荷载组合下的强度、挠度,此时的受力问题为平衡态下的线性扰动分析,可以按线性结构进行分析。4钢结构、防腐、防火1底漆和钢板的施工该工程的防腐耐久年限为30年。直接暴露室外的钢构件的防腐采用电弧喷锌铝合金150μm,钢结构室内部分采用无机富锌涂料。在室内外交界处靠室内1m(沿杆件长度)区段为室内外两种底层防腐材料的搭接区段,该区段的底漆先按室外配套做防腐底层再按室内配套做底漆。室内钢结构的面漆采用可覆涂聚氨酯面漆2×30μm,室外钢结构的面漆采用耐候性较好的丙稀酸改性聚硅氧烷。对于屋面压型钢板,板材是采用双面镀锌量为275g/m2热浸镀锌钢板,为了延长防腐年限,另外涂装了100μm的环氧云铁。由于焊接、打孔、切割、运输、吊装等原因引起镀锌层的损坏,采用等量的冷镀锌进行修补。2内钢结构消极影响离楼板、地面8m以内的室内钢桁架、钢柱、钢梁均做防火保护。防火涂料均采用室内厚型,干膜厚度为20～30mm。钢桁架耐火极限为2h,钢柱耐火极限为2.5h,钢梁耐火极限为1.5h。外露钢结构的防火涂料表面需抹光滑,以求表面质量美观。要求施工单位施工前提供样板,待设计单位及业主认可后方可施工。防火涂料涂于中间漆之上,底漆、封闭漆、中间漆、面漆仍需按要求进行防腐涂装,面漆采用与防火涂料相容的材料。5tfe涂层的力学参数圆管采用满足《结构用无缝钢管》(GB8162-1999)要求的Q345-B热轧无缝钢管,方钢管采用热成型方管或满足《冷弯型钢》(GB/T6725-2002)要求的一条直缝的冷成型方管(但节点区要求热处理)。张拉膜膜材为PTFE涂层的玻璃纤维布,其力学参数见表2。连接楼张拉膜采光天窗拉索采用满足《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》(GB/T18365-2001)、《建筑缆索用钢丝》(CJ3077-1998)、《建筑缆索用高密度聚乙烯塑料》(CJ/T3078-1998)的单层或双层(双层用于外露部位)PE护套高强度镀锌半平行钢丝索缆索(fptk=1670MPa)。这种索钢丝扭角小,在悬索桥梁上广泛运用,具有弹性模量大、承载力高、低松弛等优点,力学性能优于钢丝绳。而且钢丝一般