萧山国际机场T4航站楼钢结构屋盖连续倒塌分析*

潘钧俊，安东亚，王瑞峰，余少乐，陈 华，黄沛林，陈新喜，武念铎

(1.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200112； 2.华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002)

1 工程概况

杭州萧山国际机场三期项目新建航站楼及陆侧交通中心工程旅客航站楼及北三指廊工程将新建建筑物面积达150万m2以上，总投资规模在270亿元以上，超过杭州机场一期、二期扩建工程，主要工程计划在2022年杭州亚运会前建成投运。

其中，三期项目新建航站楼(T4)及陆侧交通中心工程是三期工程的核心项目，是浙江省大通道建设十大标志性项目，也是2022年杭州亚运会重要基础配套项目。T4航站楼主楼屋盖投影尺寸为466m×291m，投影面积为11.5万m2，屋盖上弦最高点标高为42.050m，最低点标高为32.260m，整体最大高差9.79m。屋盖沿南北方向高差变化起伏较大，整体呈波浪形；东西方向同一横断面高差变化较小，高差约2m。屋盖最大跨度为54m，屋盖南北两侧悬挑长度为44m，东西方向悬挑最大长度为44m(见图1)。

图1 萧山机场T4航站楼示意

主楼屋盖支撑体系包括标准支撑柱、摇摆柱。其中，标准支撑柱由支撑柱+分叉节点+分叉柱组成，共计40组，顶部分叉柱与屋盖封边桁架相贯焊接，支撑柱内灌注C60混凝土。摇摆柱为梭形钢管柱，共计10组，顶部与屋盖下弦通过球支座连接(见图2)。

图2 钢结构屋盖示意

结构连续倒塌是指由于结构局部构件的损坏，引起结构构件连续性破坏，最后导致结构的大部分或整体发生坍塌[1-2]。造成结构连续倒塌的原因很多，如施工工艺不当、设计不合理、撞击荷载、爆炸荷载、地震作用和结构材料性能不合格等[3-5]。研究极端条件引起结构局部关键构件失效条件下的整体稳定性，对重要结构的抗灾害及保护人员的安全能力具有重要意义。萧山机场作为浙江的门户，客流量巨大，结构具有抗极端破坏能力具有重要现实意义[6-7]。基于此，本文对萧山机场航站楼主楼钢结构屋盖进行连续倒塌分析。

表1 屋盖连续性倒塌性能评价水准及设计措施

2 施工难点分析

分析不同支撑柱失效后是否会造成结构的连续倒塌，采用瞬态动力时程分析方法，充分考虑抽柱后结构状态改变的惯性效应。采用ABAQUS软件进行计算，动力积分方式为显式积分。初始荷载状态为：1.0恒荷载+1.0活荷载。

综合支撑跨度、受荷情况、所处不利位置等因素，确定4种柱失效的工况，分别命名为1号柱失效、2号柱失效、3号柱失效、4号柱失效，具体失效柱编号如图3所示。钢结构屋盖三维分析模型如图4所示。

图3 屋盖支撑柱布置及失效柱编号

图4 钢结构屋盖三维分析模型

根据本工程特点，暂将屋盖结构在关键构件失效后的性能水平分为5个等级，并根据不同的等级采取相应的技术措施，具体如表1所示。

除属于性能等级4，5，可能引起局部或整体连续性倒塌的重点构件建议调整方案或重新设计外，建议在不改变建筑设计表现意图的前提下，对重点构件进行截面加强，通过降低构件受力应力比来提高安全余度；或通过排查和隔离危险源，降低构件受损概率，从而提高结构安全性。

3 抗连续倒塌分析

3.1 1号柱失效

1号柱失效后，屋盖局部区域出现挠度增大现象，悬挑边缘振荡稳定后的挠度约为5.49m，1号柱失效后，屋盖支撑柱间的跨度变为约108m，挠跨比约1/20，如图5所示。

图5 荷花谷柱施工流程示意

1号柱失效后，上方屋盖局部区域出现塑性，杆件最大塑性应变达到5.6×10-2，钢材伸长率>5%，可认为杆件进入较严重的破坏水平(见图6)。除了失效柱外，其他支撑柱均未进入塑性，说明1号柱的失效不会导致局部区域的连续性倒塌。屋盖总体水平处于表1中性能3，需进行局部加强或针对1号柱设置保护措施。

图6 1号柱失效后塑性发展

3.2 2号柱失效

2号柱位于角部，失效后2个方向的悬挑跨度均>100m，上方屋盖较大区域出现变形的瞬间增大，悬挑边缘竖向变形持续增大，无法继续承载，最终形成局部较大面积坍塌，如图7所示。

图7 2号柱抗倒塌分析结果

2号柱失效后，上方屋盖较大区域出现塑性，杆件最大塑性应变达0.356，钢材伸长率>30%，已超过拉断水平。除了失效柱外，其他周边的3根支撑柱进入塑性，发生严重破坏。这说明除失效柱上方严重破坏无法承载外，周围一定范围内相关区域柱也发生较严重破坏，部分丧失承载力。屋盖总体水平处于表1中的性能4，需进行局部加强或针对2号柱设置保护措施，避免发生失效(见图8)。

图8 2号柱失效后塑性发展

3.3 3号柱失效

3号柱位于角部，失效后2个方向的悬挑跨度均>100m，上方屋盖较大区域出现变形的瞬间增大，悬挑边缘竖向变形持续增大，无法继续承载，最终形成局部较大面积的坍塌，如图9所示。

图9 3号柱抗倒塌分析结果

3号柱失效后，上方屋盖较大区域出现塑性，杆件最大塑性应变达0.168，钢材伸长率>16%，已超过拉断水平。除了失效柱外，其他周边的3根支撑柱进入塑性，发生严重破坏。这说明除失效柱上方严重破坏无法承载外，周围一定范围内相关区域柱也发生较严重破坏，部分丧失承载力。屋盖总体水平处于表1中的性能4，需进行局部加强或针对3号柱设置保护措施，避免发生失效(见图10)。

图10 3号柱失效后塑性发展

3.4 4号柱失效

4号柱失效后，屋盖局部区域出现挠度增大现象，悬挑边缘振荡稳定后的挠度约为4.34m，如图11所示。

图11 4号柱抗倒塌分析结果

4号柱为摇摆柱，失效后，上方屋盖局部区域出现塑性，杆件最大塑性应变达7.7×10-2，钢材伸长率>7%，可认为杆件进入较严重的破坏水平(见图12)。

图12 4号柱失效后塑性发展

除了失效柱外，与其相邻的花形支撑柱受荷增大，局部进入塑性，最大塑性应变约1%，为较严重破坏，柱顶最大竖向变形约2.2m，除此之外的支撑柱均未进入塑性，说明4号柱的失效不会导致局部区域的连续性倒塌。屋盖总体水平处于表1中的性能3，需进行局部加强或针对4号柱设置保护措施(见图13)。

图13 4号柱失效后花形支撑柱顶竖向变形

4 结语

对萧山机场新建航站楼主楼钢结构屋盖抗连续倒塌分析，假定了7种不同位置柱的失效工况，除了角部柱失效后上方屋盖无法继续承载，且周边相邻柱相继发生严重破坏，最终形成局部倒塌外，其他几种工况均未出现连续性倒塌，但上方屋盖变形较大，且局部杆件产生较严重的塑性变形。