榆林榆阳国际机场二期扩建工程南指廊索结构施工技术

【摘要】榆阳国际机场是陕西省榆林市的一个4D级的民用支线机场，是陕西省第二大航空港。新建的T2航站楼主要包括3万㎡的航站楼主楼和1.25万㎡的南指廊，以及配套的广场、停车场等辅助生产、生活设施，主楼和南指廊均采用张弦梁结构。本文根据南指廊索结构的特点，对索力确定、节点形式、索结构施工流程、索结构计算分析等进行分析研究，可对同类项目的施工分析提供技术指导。

【关键词】张弦梁；铸钢节点；撑杆；索结构仿真分析

1 工程概况

榆阳国际机场是陕西省榆林市的一个4D级的民用支线机场，是陕西省第二大航空港。新建的T2航站楼主要包括3万㎡的航站楼主楼和1.25万㎡的南指廊，以及配套的广场、停车场等辅助生产、生活设施。

机场航站楼、指廊结构类型为框架结构+张弦梁屋盖结构，航站楼前雨棚为钢结构。主楼长172.2m，宽93.2米，指廊长162m，宽33m，楼层包括ETC通道，地上一层，地上二层，房中房。

建筑物屋盖高28m，一层高7.35m，房中房高5m，屋盖高22.4m。建筑结构的安全等级为二级，框架抗震等级四级，本工程耐火极限为一级。结构设计年限为50年，整体夜景鸟瞰图如图1所示。

图1 夜景鸟瞰图

2 结构屋盖体系类型

主楼屋盖采用张弦梁结构体系，共8榀张弦梁；张弦梁上弦为平面桁架+“Y”形梁的组合截面形式，整个上弦呈优美的曲线形式，如同一条随风飘扬的丝带，下弦设置预应力钢拉索；张弦梁最大跨度40m，矢高约4.5m，矢跨比0.1125，端部最大悬挑8.6m。

上弦杆件采用箱型截面，截面尺寸400X300X14X14~B800X300X16X24，上弦杆局部内灌C30自密实混凝土作为压重。下部采用P180X12钢拉杆连接上弦杆与下弦拉索，预应力高钒索分D68和D63两种规格，通过端头索夹和销轴与下弦杆连接。箱型梁材质Q345B，结构如图2所示。

图2 主楼结构类型图

南指廊也采用张弦梁结构，由上弦变截面箱型杆件、撑杆及预应力高钒索组成,共15榀。撑杆规格为P180×12，高钒索采用D68、D50两种规格。张弦梁上弦杆局部内灌C30自密实混凝土作为配重。结构如图3所示。

图3 南指廊结构类型图

3 目标索力确定

索结构施工过程中，结构荷载有：结构自重D1、檩条荷载D2、预应力荷载PS。故索结构施工时，目标索力为标准组合1.0D1+1.0D2+1.0PS工况下拉索索力，目标索力确定流程如下：

其中，结构自重D1，根据已深化模型实际重量与计算模型中结构重量进行对比，求得自重系数为1.17；檩条荷载根据施工图中檩条布置，求得线荷载，以线荷载形式施加于屋盖梁上；预应力荷载PS，为上述调整后施加的初始预拉力。

由以上计算可知，张拉时，张弦梁跨中起拱72mm左右，支撑架会自动脱架。目标索力两端相差较大，根据实际情况，本工程拟在左侧（低端）进行张拉。对于D68直径拉索，目标索力约为735KN、初拉力为800KN，对于D50直径拉索，目标索力约为450KN，初拉力500KN。张拉时的实际索力，还需根据张拉施工过程模拟具体确定。由于张拉时不是所有索同时张拉，其最终索力与目标索力会有一定偏差，误差一般不超过5%。

图4 结果位移分析结果（mm）

图5 索力分析结果（mm）

4 拉索相连节点及张拉端处理方式 4.1 拉型索夹详图

由于本项目采用双撑杆形式，拉索球形索夹与撑杆连接采用铸钢件过度铸钢件仅限制索夹的竖向位移，索夹、索夹与铸钢件、撑杆与铸钢件的连接及外形如图6所示。

图6 索夹、铸钢件及撑杆连接示意图

4.2拉索形式及连接耳板

本项目拉索采用一端固定、另一端可调的连接节点形式，拉索整体如图7所示。拉索通过销轴与焊接与箱梁的耳板铰接，大样图如图8所示。

图8 拉索大样图

图9 耳板大样图

5 拉索张拉及分析 5.1 拉索张拉流程

预应力总体施工顺序为：放索、张拉平台搭设、安装撑杆、挂索、拉索固定、安装工装、拉索初步张拉、分级张拉、起拱、支撑架拆除，最终张拉、张拉平台拆除，完成结构张拉成形。

施工过程中及时监测结构的受力和变形。待预应力全部施工完毕后再在上弦箱型钢梁局部范围内灌C30自密实混凝土作为配重。

5.2 拉索张拉过程计算分析

本次计算采用Midas进行施工仿真计算模拟分析，按照设计提出的累积加载法，进行预应力施加过程计算。利用Midas/gen有限元分析软件进行施工阶段模拟计算，获得各施工阶段不同节点的位移值，对位移值进行数据分析，进而获得不同施工阶段结构位移随张拉力变化而变化的规律。

同时，将现场实测数据与仿真模拟数据进行对比，一方面可以为现场施工提供理论指导，另一方面可确保施工结束后结构外形状态与设计要求相一致，将施工误差控制在最小范围内。

具体计算边界及其它条件如下：

（1）按照设计图纸建立Midas有限元计算模型，支座约束形式按照设计图纸及设计要求进行建立；

（2）计算过程中使用累积加载方法[5]进行施工过程计算分析：采用软件自带施工阶段分析，每步计算过程都是在前一步计算基础上进行的，即每步都考虑了前一步计算的影响；

（3）计算模型跟实际情况相同，在拉索两张拉端施加初张力，计算模型考虑节点摩擦等预应力损失（按照2％预应力损失）。

具体有限元计算模型如图10所示。通过有限元建模与仿真分析，得到结构在分级张拉过程中的竖向位移变化云图。

图10 有限元计算模型

根据有限元仿真分析结果，整理得到各张拉施工阶段梁应力变化图11、竖向撑杆应力变化图12、拉索的应力变化图13。

图12 施工阶段梁应力变化图

图13 施工阶段撑杆应力变化图

图14 施工阶段拉索应力变化图

从施工阶段梁应力变化图中可以看出，短跨梁段所受应力为拉应力，预应力的施加对短跨梁段应力的影响很小。待结构施工完毕（屋面板安装完成）后，应力增长为最大值。

结构长跨梁段应力经历了由拉应力转变为压应力的过程，在自重工况下（胎架拆除前）拉索还未施加预拉力，长跨上弦梁受力为拉应力。待拉索施加初拉力后，上弦梁受力状态由受拉改为受压，但上弦梁段所受压应力与预拉力的大小不成比例。

竖向撑杆作为受压构件，所受压应力随预拉力的增加呈折线变化，在预应力张拉30%时所受压应力最大。撑杆G4在预应力张拉30%阶段后，随着预拉力的增加压应力呈线性减小趋势，分析其原因为结构不均匀起拱所致（撑杆G4所对应的梁段为起拱最大处）。

通过对比撑杆G2与撑杆G4应力变化过程，说明G4撑杆所对应梁段的竖向位移与撑杆所提供的支撑力关系并不大。在屋面板安装施工时，所有撑杆受到的轴压力都有所减小，撑杆G2应力减小了61%，撑杆G4应力减小了21%。

拉索应力变化图中的索应力呈直线上升状态，随着预拉力的增加而增大，屋面板安装施工完成后，拉索应力达到最大值。

6 总结

榆阳国际机场是是陕西省第二大航空港。新建的T2航站楼主要包括3万㎡的航站楼主楼和1.25万㎡的南指廊。主楼屋盖采用张弦梁结构体系，共8榀张弦梁；南指廊也采用张弦梁结构，共15榀。

本文根据索结构的特点，对索力确定、节点形式、索结构施工流程、索结构计算分析等进行分析研究，对同类项目的施工分析提供技术指导。

航站楼东立面

航站区鸟瞰

航站楼南立面

航站楼车道边透视

航站楼车道边透视夜景

航站楼出发大厅

细部

本文转自《陕西建筑》——榆阳国际机场二期扩建工程南指廊索结构施工技术，作者#冯永柏，周春娟等；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！