重庆江北国际机场T2A航站楼屋盖钢结构设计

艾治勇

（上海民航新时代机场设计研究院有限公司，上海 200335）

重庆江北国际机场T2A航站楼屋盖钢结构设计

艾治勇

（上海民航新时代机场设计研究院有限公司，上海 200335）

1 工程概况

该工程为重庆江北国际机场新建T2A航站楼工程，紧邻江北国际机场原有T2B航站楼南侧。工程鸟瞰图如图1所示。

图1 江北国际机场新建T2A航站楼鸟瞰图

新建T2A航站楼工程分主楼、新建A指廊和南北连廊。航站楼总建筑面积8.3万m2。主楼屋面投影尺寸为205m×120m，A指廊屋面投影尺寸为226.5m×36m，南北连廊屋面投影尺寸分别为56m×18m和69m×18m。

工程下部主体结构为现浇混凝土框架结构。上部屋盖结构为波浪式双向弧形曲面形的单层正交空间网格结构，由3排5列共15个空腹格构柱支承。支承柱分上下部分，下部分为钢管混凝土格构柱，上部分为四支梭形钢管支柱，空腹格构柱柱网尺寸为36m×45m。屋面单层正交空间网格结构主次梁为焊接矩形钢梁。

2 屋盖钢结构体系

该工程屋盖钢结构整体形态有以下特点：屋面为波浪式的双向弧形曲面，四周挑檐呈荷叶边形；空腹格构柱分肢柱脚与下部混凝土框架柱网不一致，柱脚在出港层混凝土框架梁板高度内由暗牛腿支承；左右山墙侧大跨度屋盖采用简支摇摆柱支承；空侧、陆侧格构柱一半外露于立面幕墙。

2.1 屋盖钢结构形式

该工程紧临原有T2B航站楼南侧，通过新建北连廊与之连为一体，原有T2B航站楼屋面为波浪形自由曲面。考虑到新建T2A航站楼须与T2B航站楼建筑风格一致，在屋盖结构方案的选择中，选择了波浪式的双向弧形单层曲面结构，四周挑檐呈荷叶边形。屋盖钢结构布置图如图2所示。

图2 钢屋盖结构布置图

屋盖纵向布置10榀弧形主梁，为多点连续简支钢梁，间距18m，最大跨度30m。横向布置13道弧形次梁，间距9（10）m，跨度18m。主次梁节点为刚性节点，形成一个单元尺寸为9m（10m）×18m的整体单层正交空间网格结构。同时在屋面纵向布置5道刚性支撑，横向布置3道刚性支撑，以增强屋盖结构的整体性。刚性支撑采用弧形杆件，与屋盖曲面的曲率半径保持一致。

在结构支承柱的布置中，考虑到经济性，由原T2B航站楼的2排4列倒放四角锥柱，调整为上部为正放四角锥支柱的3排5列空腹格构柱。柱网尺寸由48m×90m相应调整为36m× 45m。

2.2 连续梁截面选择

由于建筑要求在屋面结构的构件汇交节点区域保持平滑过渡，以保证屋面在整体和局部均为光滑弧面，所以每榀主、次钢梁轴线均为不同半径的弧形曲线。

在屋面单层正交空间网格结构梁截面的选择中，对圆形和矩形钢管截面进行了比较。相比于圆形钢管的易于加工、连接节点平滑、矩形钢管存在构件截面方位向量不同、正交钢梁翼缘均不共面、构件间存在空间扭转偏差并难以处理的缺点，但是矩形钢管截面比圆形钢管截面的面外刚度大，力学性能更好，而且矩形钢管存在四边棱线，能很好地体现建筑形态和结构的线条美。

正是由于矩形钢管在力学性能和外观两个方面的优点，该工程屋盖选择了矩形钢管进行设计。纵向10榀主梁截面尺寸为□900×450，为矩形截面，中间设置通长纵隔板。横向13榀次梁截面尺寸为□600×350，中间1榀为矩形截面，随着屋面纵向弧形曲面的变化，其余12榀向两侧逐渐过渡为腹板垂直，翼缘倾斜的棱形截面，翼缘最大倾斜角达到15°。

2.3 格构柱设计

该工程屋盖共由15个空腹格构柱支承，格构柱截面尺寸为3.6m×3.6m。因建筑要求，格构柱不能布置斜腹杆，因此采取了空腹形式。

为增强空腹格构柱整体刚度，设计中采取了以下措施：（1）增大格构柱分肢柱外露式刚接柱脚尺寸，以提高柱脚刚度。（2）下部格构柱分肢柱与上部正放四角锥支柱之间采用整体铸钢件刚性连接。（3）铸钢节点以下分肢柱为钢管混凝土柱，采用泵送顶升法灌注高强微收缩细实混凝土。（4）上部正放四角锥支柱顶布置4道高强钢索，汇聚于下部格构柱顶中心铸钢节点处。（5）格构柱分肢柱与横腹杆刚接节点内增设加强套管，以提高节点刚度。

3 屋盖钢结构设计与分析

3.1 分析模型与荷载、作用

该工程屋盖钢结构采用结构分析与设计软件SAP2000进行分析与设计。为了比较准确、全面地分析下部混凝土框架结构与上部屋盖钢结构之间的相互影响，特别是地震作用下整体结构的抗震性能，建立了包括下部混凝土框架结构的整体模型。在SAP2000的计算及设计模型中，屋盖主次钢梁及檩条为梁单元，格构柱构件为柱单元，刚性支撑为支撑杆单元，拉索为忽略自重的支撑杆单元。

工程设计安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，设计使用年限为50年，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为6度。

根据国家设计规范[1-2]，钢屋盖的主要设计荷载和作用取值如下：

（1）屋面恒载：采用铝合金保温屋面系统+次檩、龙骨+穿孔铝板吊顶，其设计荷载取0.65kN/m2，结构自重由程序自动计算。

（2）屋面活荷载：为不上人屋面，取值为0.3kN/m2。

（3）风荷载：标准值按照下式计算：

wk=βzμzμsw0

取：w0=0.40kN/m2。μz=1.42（B类地貌，屋面高度按32m计算）。风振系数βz：按照《重庆江北国际机场第二跑道及配套设施扩建工程新建航站楼数值风洞试验与结构风振分析报告》[3]选取，屋面中部取2.0，四周挑檐部分取2.5。风压系数μs：按照上述报告中风压体形系数分布图选取，取0°、90°、180°、270°四个风向风压系数进行组合。

（4）地震作用：6度抗震设防，地震作用加速度0.05g，第一组设计地震分组，Ⅱ类场地，阻尼比取0.035（整体模型）。采用振型分解反应谱法计算水平双向地震作用和竖向地震作用。

（5）温度作用：考虑年平均最高及最低温差变化，计算温度作用时取温差+30℃、-15℃，作为可变荷载参与工况组合计算。

按照国家设计规范[1-2]，采取了包括标准组合和基本组合在内的52组组合工况进行计算和设计。

3.2 自振特性

采用Ritz向量法对整体结构模型的前36阶模态进行分析，保证其各向振型质量参与系数≥99%。相比于特征向量法，采用与荷载相关的Ritz向量法进行计算，避免了不参与动态响应的对于结构精度没有帮助的振型的计算，能够更快地得到精确的振型计算结果，得到规范要求的更高的结构质量参与系数。

整体结构模型的前4阶振型及周期如图3所示。

图3 结构前四阶主要振型及周期

结构振型存在以下3个主要特点：（1）结构的前36阶振型均以屋盖结构振型为主，说明屋盖结构的刚度远小于下部混凝土框架结构刚度。（2）在一阶振型中，屋盖的X向平动主要体现在沿横向波浪形伸缩变形。这与屋盖形式为波浪式的单层双向弧形曲面是一致的。（3）局部振型明显，多数振型出现在屋盖刚度薄弱处，如四周荷叶边挑檐、左右山墙侧摇摆柱支承屋面。

3.3 构件设计及变形

构件的强度设计控制值为：非抗震组合和多遇地震组合下重要构件的强度、稳定应力比≤0.7，一般构件的强度、稳定盈利比≤0.85。具体构件设计见表1。

表1 结构构件设计

恒活标准组合工况下，屋盖主梁跨中竖向变形值为65mm，其计算跨度为30m，挠跨比为1/450，小于《钢结构设计规范》[4]附录A规定的允许挠度值1/400。

计算表明，水平位移由风载控制。风载作用下，中间格构柱顶水平位移为30mm，对应计算高度为10m，位移角为1/ 300，满足规范中允许位移角1/150的要求。

3.4 索预张力设计

为提高空腹格构柱的整体刚度，在格构柱上部正放四角锥支柱顶处布置有4道高强钢索，汇聚于下部格构柱顶中心铸钢节点处。

钢拉索需施加一定的预张力，才能有效地提高其整体刚度。而预应张力的施加值需要通过计算确定，如果施加值过小，则不能提供作用；反之施加值过大，则会增加支柱的附加轴力，对结构起负作用。

经过计算分析，该工程按照恒活标准组合工况下，索不失效为施加预张力大小的控制原则，其具体值为250kN。

3.5 结构整体稳定

由于该工程屋盖为单层正交空间网格结构，整体刚度较弱，确保结构的整体稳定性具有十分重要的意义。设计中采用SAP2000分析软件的非线性屈曲分析功能对整体结构模型进行了稳定分析。

首先采用特征值屈曲模态分析，得到结构模型的第一阶屈曲模态。然后，采用一阶屈曲模态作为结构的初始缺陷分布，对整体结构计算模型进行荷载-位移全过程几何非线性分析。计算假定在整个过程中结构始终处于弹性状态。

上述分析过程中求得的临界点的荷载值可以作为整体结构的稳定极限承载力。将整体结构的稳定极限承载力与结构设计荷载效应的设计值相比，可以得到结构的稳定系数K。

为简化计算，计算模型省略下部混凝土框架结构和屋面支撑系统。取0.5kN/m2的活荷载为屈曲施加荷载，对应的一阶屈曲模态特征值荷载因子为，经换算其特征值屈曲荷载为62kN/m2。

在几何非线性分析中，采用荷载控制方式来施加荷载。随着荷载的增加，屋盖结构位移增加，当结构发生屈曲时，其刚度矩阵出现奇异，计算结果不再收敛，此时，荷载－位移曲线接近平行于位移横轴，即荷载不再增加而位移无限增大。计算求得的荷载-位移曲线则如图4所示。

图4 荷载-位移曲线

图4中定义横轴为屋面曲面拱顶处的竖向位移（位移沿-Z轴，故数值为负）。纵轴为Z方向的基底竖向反力合值（由于基底竖向反力合值与施加的竖向力合值平衡，故以此来间接反应施加荷载的变化），从而得到荷载-位移曲线。图4中显示基底竖向反力合值为640×103kN，经过换算，结构非线性屈曲荷载为26.7kN/m2。采恒活基本组合为设计控制工况时，对应的荷载因子（稳定系数）K＝10.4。

从荷载-位移曲线可以看出，结构的荷载-位移曲线呈极值型，在达到极限承载力时，荷载因子为10.4。需要指出的是，上述结果是在材料始终保持弹性假定的条件下得到的，实际上，当荷载因子为1.85左右时，屋面单层空间网格结构的部分主、次梁构件开始达到屈服强度，故整体结构为强度极限状态控制。

同时，计算模型是在考虑了初始缺陷后，荷载-位移曲线为极值型，表明整体结构对初始缺陷不敏感。

4 节点设计

航站楼作为重要的公共交通建筑，其建筑细部要求很高，特别是钢结构节点，很多处于外露状态。在节点刚度和强度满足计算要求的同时，其构造尺寸要小、细部构造简洁、接触面清晰平整，耐久可靠、造型美观。该工程设计中有以下典型的节点设计。

4.1 格构柱柱脚节点

由于建筑功能要求，格构柱柱脚必须在出港层混凝土框架梁板高度内设置，并且与下部混凝土框架柱网节点不重合。经过仔细分析，设计采用了外露式刚接柱脚。格构柱分肢柱截面为直径600mm的钢管混凝土柱，在保证柱脚刚度及符合下部混凝土框架暗牛腿允许埋植深度的前提下，柱脚底板及顶板直径尺寸为1150mm。12根预埋锚栓采用了锚板机械连接的锚固形式，锚栓直径为56mm和80mm两种。

由于采用空腹格构柱形式，在不同工况组合下，其分肢柱反力有较大的不均匀性。特别是中排格构柱，在工况组合4（1.2恒载+0.98活载+1.4正温度作用）的计算中，其山墙侧边肢柱脚竖向反力为+1355kN（受压），而其对角肢柱脚竖向反力为-501kN（受拉）。

在柱脚的设计中，充分考虑了分肢柱受力的不均匀性，选取了组合工况受力最大的组合，分别进行设计。

4.2 铸钢节点

设计中主要采用了2种铸钢节点，一是下部格构柱分肢柱与上部正放四角锥支柱之间采用的弯管连接节点，二是拉索节点。铸钢材质为GS-20Mn5（DIN17182），其力学性能见表2，并采用有限元分析软件ANSYS（V10.0）对该节点进行弹性分析。

表2 铸钢材质

考虑该工程格构柱弯管连接位置受力大，且由于加工制作工艺所限，对直径600mm的钢管，采用冷弯加工难以加工出半径为600mm的弯弧，采用热弯加工，则对钢管的化学性能和力学性能造成较大的改变和损失，因此设计时采用了铸钢连接节点。

节点分析中选取了可以适应于发展塑性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变的SOLID92单元进行有限元分析。根据《建筑用铸钢节点技术规程》[5]有关有限元分析规定，本铸钢件有限元模型约束其主管下端，其余管端均按整体模型中所提取力施加，得到节点Von Mises应力分布如图5（a）所示。

格构柱顶拉索铸钢节点的有限元分析，同样采用了SOLID92单元，根据整体模型所提取构件内力值，对四个耳板孔施加了600kN拉力包络值。施加位置和区域为拉力方向的半个耳板孔壁圆周。通过计算，得出节点单元Von Mises应力云图如图5（b）所示。

图5 铸钢节点Von Mises应力云图

经过节点有限元分析得知，弯管连接节点应力最大值为46.2MPa，拉索节点铸钢最大应力值为165.6MPa。最大应力沿节点厚度方向发展不深，仅停留在表面位置。可知铸钢件内部应力在规范要求范围内，该应力值能够满足《建筑用铸钢节点技术规程》[5]第4.3.9条“用有限元分析结果确定铸钢节点的承载力设计值时，承载力设计值不宜大于极限承载力的1/3”的条文要求。

综上所述，铸钢件节点设计满足相关规范要求，是安全的。

4.3 主次梁刚接节点

典型的主次钢梁刚接节点如图6所示。

图6 主次钢梁节点图

由于屋面为波浪式的双向弧形曲面，当屋盖单层正交空间网格结构主次钢梁截面均为矩形截面时，构件间将不可避免地存在空间扭转偏差的情况，体现在主次梁刚接节点上则为翼缘连接的不连续、不平齐。虽然在次梁的截面形状上进行了一定的棱形处理，以保证所有次梁上翼缘与屋面弧形曲面一致，但由于主梁保持为矩形截面，这样在主次梁连接节点处，将存在次梁翼缘与主梁翼缘的横向倾斜偏差。设计中采取了次梁截面横贯主梁腹板，主梁截面内与次梁同方向处增设纵横隔板加强的处理措施，同时次梁翼缘进行加腋处理。

经过以上处理的刚接节点加工制作简单，传力明确、受力合理。

5 结论

重庆江北国际机场新建T2A航站楼工程造型新颖，其建筑外形与原有T2B航站楼主楼风格一致、互补。工程已完工并投入使用。总结该工程的结构设计，有如下结论：

（1）屋盖采用单层正交空间网格结构体系，既满足了结构性能要求，又实现了波浪式的双向弧形曲面屋面的建筑形态要求，使两者得以协调统一。

（2）经过深入分析空腹格构柱的刚度及受力形态，在满足建筑功能及外观要求的前提下，采取多道技术措施，有效提高空腹格构柱的整体刚度。

（3）结构整体稳定分析表明，对于空腹格构柱+单层正交空间网格结构的屋盖结构形式，其整体结构为强度极限状态控制。并且荷载-位移曲线为极值型，整体结构对初始缺陷不敏感。

（4）在铸钢件的设计使用上，结合工程特点进行设计，所采用节点受力性能合理，制作简洁。

[1]中国建筑科学研究院.GB50009-2001建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[2]中华人民共和国建设部.GB50011-2001建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]重庆江北国际机场第二跑道及配套设施扩建工程新建航站楼数值风洞试验与结构风振分析报告[R].上海：上海交通大学空间结构研究中心，2008.

[4]中华人民共和国建设部.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[5]同济大学，等.CECS235-2008建筑用铸钢节点应用技术规程[S].北京：中国计划出版社，2008.

责任编辑：孙苏

Structural design of Steel roof of Terminal T2A of Chongqing Jiangbei International Airport

重庆江北国际机场新建T2A航站楼主楼屋盖为波浪式的双向弧形曲面。屋盖钢结构采用空腹格构柱+单层正交空间网格（双向弧形）的结构体系。结构设计包括动力特性和静力分析，以及非线性屈曲稳定分析。结构体系稳定，选用的构件截面、连接节点形式合理、美观，很好地体现了建筑形态和设计理念。

屋盖钢结构；单层正交空间网格；空腹格构柱；铸钢节点

The main building roof of terminal T2A newly established in Chonqing Jiangbei international airport is of wavelike hyperbolic steel.The structural system of vierendeel laced columns and single-layered orthogonal space grid is applied in the roof steel structure.Dynamic and static characteristics and non-linear buckling are analyzed in structural design.The results show that the steel roof is stable with reasonable and aesthetic cross section and connection mode and well reflects architectural form and design concept.

steel roof structure;single-layered orthogonal space grid;vierendeel laced columns;cast steel joint

TU393.3

：A

：1671-9107（2013）01-0025-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.01.025

2012-11-25

艾治勇（1976-），男，重庆人，研究生，工程师，主要从事大跨钢结构设计及研究。