呼和浩特盛乐机场：钢屋盖的力与美，斜拉索承托雕花马鞍的奇观

ECADI机场航站楼

编者按

华东建筑设计研究院有限公司(ECADI)与机场航站楼设计的结缘始于1960年代的上海虹桥机场,机场设计板块从1996年的上海浦东机场T1航站楼起开始发展壮大,并凭借2004年浦东国际机场T2航站楼的设计进入了方案自主原创的阶段,设计项目的地域也由上海、长三角地区逐渐拓展至全国各地,至今已完成了包括上海浦东、上海虹桥、南京禄口、杭州萧山、乌鲁木齐、呼和浩特、合肥新桥、太原武宿、昆明长水等机场的共20余座航站楼的新建和改造设计工作。

本期专题呈现的是ECADI机场团队近年完成的几个代表性航站楼的结构设计,文中对航站楼与地铁高铁的合建、航站楼结构与复杂场地条件的结合、大跨度屋盖结构与建筑的融合、减隔震技术的应用、既有航站楼的改造等热点问题进行了探讨,以期与广大读者交流。

呼和浩特盛乐国际机场局部斜拉钢屋盖结构设计

文/周 健， 李彦鹏，弓宁宁，丁生根，王洪军，刘海霞

摘要

呼和浩特盛乐国际机场的建筑设计融入了蒙古包的元素,主楼钢屋盖采用局部斜拉斜交平面桁架的结构形式强化了这一建筑意向。为了解这一新型结构形式的受力特点和验证其可靠性,首先对该屋盖体系的形成逻辑、结构组成和总体受力特点进行了阐述;然后介绍了屋盖结构整体计算指标、温度对该超长屋盖的影响和下部结构分缝对跨缝整体屋盖影响的情况;并基于数值分析研究了与斜拉结构特点密切相关的几个问题,包括梭形摇摆柱的整体稳定、斜拉索索力影响因素、索节点的设计、梭形柱和斜拉索失效对屋盖结构抗连续倒塌的影响等,论证了该新型结构体系的安全可靠性;最后对索的施工张拉顺序和施工模拟分析提出了细化要求。

#1

工程概况

呼和浩特盛乐国际机场航站区工程(图1)总体包括航站楼、交通换乘中心、停车楼、南北旅客过夜用房及预留地下轨交结构等子项工程(图2)。航站楼(图2)年旅客吞吐量2 800万人次,建筑面积32万m2,包含1个主楼和4条位于角部的延伸指廊,地下1层、地上4层(含夹层),自上而下分别是出发商业夹层、10.00m标高的值机大厅及国际出发大厅层、5.00m标高的国内混流及国际到达层、0.00m标高的国际到达检查区及国际国内行李提取厅、地下设备机房及公共沟层。

▲ 图1 航站楼鸟瞰效果图

▲ 图2 总体平面示意图

航站楼主楼平面呈不规则四边形,下部主体结构采用设置屈曲约束支撑的钢筋混凝土框架结构,由防震缝分为3个结构单元(A1～A3);屋盖造型为双向自由曲面,采用一个完整的钢结构单元(图3、4),下部3个支承结构单元与完整钢屋盖间的相互影响情况通过整体建模分析得以体现。钢屋盖结构构件被作为建筑效果表达的重要部分进行设计[1-2]。

▲ 图3 主楼结构单元划分

▲ 图4 主楼剖面示意图

本工程结构设计使用年限50年,建筑安全等级一级,抗震设防类别为重点设防类(乙类建筑)。抗震设防烈度8度,设计基本地震加速度0.21g,设计地震分组第二组,场地类别Ⅲ类 [3]。

#2

主楼屋盖结构体系选型

2.1 结合空间需求的高低屋盖布置

主楼屋盖南北长约495m,东西宽约287m,屋面最高点标高约44m。屋盖中部及下方对应高大空间的办票大厅区域,办票大厅两边和上方分别为对空间高度要求相对较小的商业、贵宾休息区和候机区,因此将屋盖分为高低两个区域(图5),高低屋盖间通过两者共用的支承柱或两者间侧天窗的竖向钢构件连接:低屋盖与支承柱上部侧面刚接,高屋盖铰接于支承柱顶;兼作侧天窗幕墙主骨架的竖向钢构件与高低屋盖分别铰接连接(图5(b))。

▲ 图5 主楼高低屋盖分布

2.2 高屋盖

高屋盖建筑造型采用中间高两侧低的自由曲面,寓意为“雕花的马鞍”;正立面设飘带状延伸的线条,寓意为“吉祥的哈达”(图6)。

▲ 图6 主楼屋盖建筑造型意向

2.2.1 竖向传力体系

高屋盖所覆盖的办票大厅的室内设计融合了蒙古包的建筑意向(图7),从蒙古包的结构骨架抽象出菱形网格、放射状线条、上凸天窗等元素用于屋盖结构设计:基于扇形布置的下部结构基本柱网沿径向以斐波那契数列进行变换,从而形成变密度菱形网格的屋盖建筑肌理,结构契合建筑肌理采用交叉布置的平面桁架体系;桁架间设置了4个菱形大天窗和4组(每组2个)菱形小天窗(图8)。大天窗支承结构为主体结构的一部分,小天窗由次结构支承。

▲ 图7 蒙古包基本构成

▲ 图8 高屋盖结构平面布置

支承屋盖的柱网采用了环向约60m、径向36m+45m+36m的中等尺度柱网。跨度36m的悬挑桁架为控制结构高度的关键位置,结构设计中利用“哈达”建筑造型,通过在“哈达”两端设置落地的V形支撑(图9),使之具有一定的拱作用,分担了部分原来由悬挑桁架承受的荷载,从而可将悬挑桁架的截面高度控制在3.5m。

▲ 图9 立面“哈达”结构及V形支撑

设于柱顶位置的菱形大天窗是本工程室内空间表达的焦点,建筑希望天窗实现最大程度的通透,同时要求将柱顶位置的结构杆件做到最小以表现举重若轻的效果。常规受力条件下,柱顶桁架连续处的弯矩是最大的,构件截面也最大,对天窗的遮蔽效果最大;如果将桁架在柱顶断开分别与柱铰接,可以一定程度减小连接处的构件截面尺寸,但非节点处又需要加大构件截面。最终,借鉴斜拉桥[4]的概念,在西侧的4个大天窗处选择了斜拉索悬吊屋盖桁架结构的做法,通过将柱顶抬高伸出屋面形成“桅杆”,利用斜拉索吊住屋面结构(图10),从而彻底释放柱顶天窗范围的弯矩。放射状布置的斜拉索也应和了蒙古包“乌尼”的放射状线条元素。

▲ 图10 斜拉索悬吊屋盖实景照片

2.2.2 水平传力体系

受斜拉索水平向刚度的限制,“桅杆”柱无法为屋盖提供有效的抗侧刚度,将其设计成底部铰接、只承受竖向荷载的摇摆柱,从而可以采用更为纤细的梭形截面。4个大天窗下的柱截面为:中部最大处直径1 300m、上下两端直径600mm。为了从形式上与其匹配,4组小天窗对应位置的柱也采用了支承在桁架下弦的两端铰接的梭形摇摆柱。

由于中部8根常规柱改为摇摆柱所导致的抗侧刚度损失需要由其他的措施来补偿,设计中对布置在高屋盖两条长边的支承屋盖钢柱进行了加密布置:除中部大通道区域仍保持54～60m大柱距外,其余均加密至18m。除摇摆柱外,其余柱均采用底部刚接、顶部铰接的约束形式(图11)。结合屋面菱形布置的桁架,通过增置上弦系杆使屋盖结构形成平面内刚度很大的三角形单元,从而确保中部天窗区域的水平力能够有效传递至周边柱。

▲ 图11 摇摆柱与周边加密柱

2.3 低屋盖

与高屋盖贴邻的低屋盖结构跨度36m,该区域全部设置吊顶,因此采用经济性高的网架结构体系(图5)。低屋盖其余柱网更小的区域采用更简洁的钢梁结构。两侧商业区中心各设有60m(高)×68m(底)的三角形天窗(图12),为保证轻盈通透的效果,天窗采用单层网壳结构[5],周边坐落于网架或框架

▲ 图12 单层网壳结构天窗

2.4 ETFE膜天窗结构

大天窗整体呈四棱锥体,长、短轴长分别约为39m和12m,矢高约8m。四个锥面均采用ETFE气枕膜[6],锥体顶部采用铝板包覆。气枕支承于斜拉索,结合斜拉索位置和气枕跨越能力,每个锥面划分成5个异形气枕(图13)。小天窗也为四棱锥体,每个锥面为一个气枕,边界为搭设于主桁架上的次级钢结构。部分气枕设置熔断装置以满足消防的要求,所有气枕都通过充气管道进行充气以维持气压。

▲ 图13 大天窗气枕膜划分

由于项目位于冬寒夏热地区,极端气温范围为-32～38℃,为满足气枕的保温、隔热、降噪等建筑环境要求,气枕均采用两腔构造形式。气枕的上层膜和下层膜受力需求大,市面上无满足厚度要求的单层ETFE膜材产品,因此采用双层膜叠加方式:大天窗上层膜厚2×300μm,下层膜厚2×250μm;小天窗上、下层膜厚均为2×250μm;中层膜为保温的构造膜,均采用单层,厚200μm。

#3

屋盖结构抗震性能目标

根据本屋盖结构特点及不同构件的重要性,确定了屋盖结构的抗震性能目标,具体如表1所示。

表1 屋盖结构抗震性能目标

#4

屋盖结构整体计算情况

4.1 整体指标

屋盖结构的整体分析采用3D3S和SAP2000软件进行,斜拉索按只受拉不受压单元模拟,计算模型包含下部混凝土结构[7]。

结构前四阶振型分别为沿短向平动、沿长向平动、扭转和悬臂端的竖向振型。与柱底全刚接、柱顶全铰接的柱均匀布置的结构相比,采用摇摆柱结合两边加密柱布置的结构前三周期由2.09、1.62、1.46s缩短为1.64、1.34、1.27s,结构的侧向和抗扭刚度都得到了提高,这是抗侧柱数量的增加和其布置由均匀布置往沿周边布置带来的有利影响所致。

多遇地震下结构X向和Y向的剪重比分别为13.3%和12.7%,最大层间位移角分别为1/257和1/312,扭转位移比为1.15,风荷载下结构最大层间位移角分别为1/434和1/402。竖向荷载下中部桁架的挠度为1/344,悬臂桁架的挠度为1/110。

4.2 温度效应分析

高低屋盖总长475m,对温度作用具有一定的敏感性[8]。呼和浩特市50年一遇的月平均最高气温为33℃,月平均最低气温为-23℃,钢结构合拢温度按10～20℃考虑;偏保守地正常使用阶段室内区域冬季最低温度按10℃、夏季最高温度按30℃考虑;温度效应分析时,室内按升温20℃、降温20℃及室外区域按升温23℃、降温43℃考虑,荷载组合时温度作用的分项系数取1.5;施工阶段考虑阳光辐射作用,按升温45℃,、降温43℃考虑,不与其他荷载组合。温度效应分析时,均采用带下部结构的整体模型。

正常使用阶段,在温度作用下屋盖结构最大位移为43.6mm,发生在高屋盖长向两端;位于屋盖最外侧的低屋盖由于与高屋盖长向间没有刚性连接,位移传递效应小,因而最大位移仅28mm,小于高屋盖的最大位移43.6m 。考虑温度作用组合下,除个别构件应力比相较不考虑温度作用组合时增大0.1～0.4,其余构件应力比增大基本在0.1以内。

4.3 下部结构分缝对跨缝整体屋盖影响

主楼区域钢屋盖为单一整体结构,对应下部混凝土结构设缝分为3个结构单体。地震作用下,下部各结构单体的不协同变形趋势会通过支承屋盖柱传递至钢屋盖,并在下部结构分缝对应的屋盖跨间范围产生一定的面内附加内力;同时,整体屋盖结构也通过支承屋盖柱对下部各独立结构单体的变形起到了一定的协同作用。计算时采用包含下部结构和屋盖结构的整体模型。为安全起见,另补充了将小震作用下下部各结构单体在无屋盖相连情况下的位移作为支承屋盖柱柱底强制位移施加于单独屋盖结构模型的屋盖内力计算,并将该内力与整体模型地震组合计算结果进行叠加,用于屋盖构件的强度验算。屋盖支承柱底所在楼层最高标高10.0m,小震作用下各结构单体在无屋盖相连情况下的位移最大仅13mm,由此导致的屋盖构件内力较小,仅有个别构件需进行加强。

#5

关键构件与节点的设计分析

5.1 摇摆柱

摇摆柱仅承受竖向轴力,因此采用了梭形截面以匹配受压稳定杆的形态。为便于制作,梭形截面由两端的分级锥形段和中部的等截面圆管段近似拟合,最长的摇摆柱长35.27m,中部截面为φ1 300×60,两端截面为φ600×60。柱底通过成品球铰钢支座与楼面预埋件连接,柱顶通过带耳板的铸钢件与斜拉索相连(图14)。

▲ 图14 摇摆柱底、顶节点

梭形柱的长细比:按中部截面等截面杆计算时为80.4,按端部截面等截面杆计算时则大至183.6,无法简单进行判断。因此采用了按实际几何尺寸的模型,对最长摇摆柱进行了非线性极限承载能力分析,分析按柱长的1/300考虑了初始缺陷。结果显示,该摇摆柱极限承载力为35000kN(图15),为其实际工况组合下的最大内力11600kN的3倍,为1.0恒荷载+1.0活荷载组合工况下的4.5倍,大于《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)[9]“不小于2倍”的要求。摇摆柱截面有进一步减小余地,考虑到柱尺寸在空间中的建筑视觉比例关系,其截面未作进一步减小。

▲ 图15 摇摆柱承载力曲线

5.2 斜拉索

斜拉索在吊挂屋面桁架的同时也为摇摆柱顶提供了侧向约束。索体选用1 770MPa强度的高钒镀层密闭索[10],根据受力需求采用了φ70和φ90两种截面,天窗短轴方向索1的受力最大,采用了φ90截面双索布置,其余索均为φ70截面单索布置(图16)。

▲ 图16 斜拉索的布置

斜拉索除了承受由屋盖桁架传至索端的重力和地震作用以外,还会承受由天窗传来垂直于索体的风荷载和天窗自重,该面外力会导致索轴力一定程度的增加。对于短轴向较短索,原屋盖重量引起的索力大,通过天窗传来的垂直于索的风荷载导致的索力增加值占比很小;对于长轴向较长的索,原索轴力较小,垂直于索的风荷载引起的索力甚至远大于轴向恒载引起的拉力。

为深入了解斜拉索在各工况下的索受力情况,按多节点杆模型进行分析后提取出单工况索内力,结果见表2,其中天窗面外荷载导致的索力为单独索模型计算得到。由表2可见,斜拉索在屋盖自重下的拉力明显大于各种工况下的索受压,可以确保在所有工况组合下索处于张紧状态。最不利组合(1.3屋盖自重+1.5风荷载+1.5天窗面外荷载)下,索的拉力约为其极限承载力的42%。索的性能目标可以轻易满足。

表2 各工况的索力

考虑到斜拉索对屋盖结构的重要性,对其进行了安全度冗余设计[11],即在拆除任意一根斜拉索的情况下,结构可仍处于弹性状态。

斜拉索上端采用叉耳式索头通过销轴与柱顶的铸钢件连接,斜拉索下端采用螺杆式索头直接穿过上弦杆与桁架连接(图17)。柱顶的铸钢件牌号为G20Mn5QT,经调质处理后的材料设计强度为300MPa。

▲ 图17 斜拉索索端节点

#6

抗连续倒塌分析

根据竖向构件的负荷范围大小以及失效后引起倒塌可能性的大小,选择了5根摇摆柱和1根斜拉索分别进行失效情况下屋盖的抗连续倒塌分析。分析采用瞬态动力时程分析法,充分考虑关键杆件失效后结构状态改变的惯性效应[12]。采用 ABAQUS程序进行显式动力积分计算,初始荷载状态为1.0恒荷载+1.0活荷载。下面给出中间位置摇摆柱和斜拉索失效分析结果。

6.1 摇摆柱失效

中摇摆柱失效后,失效位置上方屋盖竖向位移瞬间达到最大值0.78m,然后振荡收敛至0.58m左右(图18、19);失效柱上方的高屋盖部分杆件进入塑性,最大塑性应变为1.5×10-2(图20),约8.7倍屈服应变。虽然中摇摆柱失效仅引起了局部区域构件严重破坏,但未导致结构连续倒塌。

▲ 图18 中摇摆柱失效后上方屋盖竖向位移

▲ 图19 中摇摆柱失效后结构竖向变形云图/m

▲ 图20 中摇摆柱失效后柱顶区域屋盖塑性应变

6.2 斜拉索失效

中摇摆柱顶受力最大的短轴向的两根斜拉索同时失效后,与其相连的屋盖桁架处竖向变形最大值为0.057m,失效钢索附近的高屋盖部分杆件进入塑性,最大塑性应变为5.4×10-3,约3.1倍屈服应变,属中度破坏,远未导致结构连续倒塌。

#7

施工要求及施工模拟分析要点

在设计中,所有的斜拉索都是按理论长度反映在分析模型中的,整个结构的内力也都是基于这个理论长度的。而实际施工中,由于各种误差的累积,本工程的斜拉索无法按一个理论的定长去进行安装,而需要通过调节索的长度,即索的张拉来确定其初始状态。当每根索都达到与计算模型中对应初始状态的相同索力时,可以认为实际结构与设计模型完全相符,后续工况的结构受力与计算分析可以对应。

每一个大天窗的周边桁架有14根斜拉索吊挂,张拉过程中各索之间的索力必然产生相互影响,任一个大天窗索的张拉也会对相邻天窗索的索力产生一定影响。因此,为了实现全部索同时达到理论模型初始索力的目的,可采用56个千斤顶对所有索同步进行张拉这种代价较大的方式;也可根据现场的约束条件,包括工作面情况、千斤顶数量等,确定可行的总体施工方案和张拉顺序,通过数次的张拉达到设定的初始索力值。

本工程钢屋盖施工的主要约束条件是:结构从中轴线位置附近划分为两个标段,由两家不同的单位施工;“哈达”对应的悬挑桁架区域由于楼前高架施工的原因,其开始安装时高屋盖其余区域已经拼接完成;从施工成本考虑,每个标段投入的千斤顶数量不超过8个。

基于上述约束条件,对钢屋盖施工提出如下要求:1)斜拉索正式张拉要在高屋盖结构全部拼装完成后方可进行,即两个标段屋盖结构连成整体、悬挑端桁架安装完成后方可进行;此时用于屋盖施工的临时支撑应已全部卸载或在第一步张拉过程中同时实现全部卸载;正式张拉前索的张紧以索不出现明显松弛为标准,不需严格控制索力。2)基于千斤顶数量的限制,先同步张拉对称位置的两个天窗(简称天窗A)各8根索力较大的索,后张拉该两个天窗余下各6根索。第一步的张拉力按施工模拟分析的结果取值,第二步的张拉力按目标初始索力取值。3)同2),分两步张拉另外对称位置的两个天窗(简称天窗B)斜拉索。4)返回天窗A,对张拉天窗B斜拉索时导致的天窗A斜拉索索力偏移分两步进行张拉修正,再同样修正天窗B的斜拉索索力。5)如果在4)修正过程中发现,索力值与模拟计算的最终索力偏差小于5%,则不需再次修正,张拉结束;如索力偏差超过5%,则再进行一轮修正;直至索力偏差均小于5%。

对于索以外的其他构件,由于设计时是按结构整体刚度一次形成进行分析的,与实际过程中先分块后连成整体存在差异,会导致在结构自重工况下构件内力差异,差异部分可由设计中预留的应力比富余度去覆盖,部分则需要通过对构件截面的加强来补偿。本项目要求施工单位将施工模拟的与刚度一次成形设计的杆件应力比差异大于15MPa的杆件提交给设计单位,设计单位基于构件实际最大应力比判断是否需要施工单位进行杆件加强。

#8

结论

呼和浩特盛乐国际机场主楼钢屋盖采用局部斜拉的斜交平面桁架结构形式,结合ETFE气枕膜天窗,很好地契合了建筑对地域特色表达的意向。通过结构分析得出以下结论:

(1)摇摆柱具有足够的整体稳定性,其损失的抗侧刚度由周边增设的底部刚接、顶部铰接钢柱补偿,可以保证屋盖结构的整体刚度需求。

(2)斜拉索在各种工况组合下都能够保持受拉状态,结构的非线性性能不明显。

(3)在抽柱和断索工况下,屋盖结构都表现出足够的冗余度,不会发生连续性倒塌。

(4)斜拉索的张拉过程对整体屋盖结构的刚度形成和内力分布有明显影响,应结合现场条件确定张拉步骤,并通过施工模拟分析确定张拉力。

参考文献

[1] 周健,张耀康,李彦鹏,等. 航站楼建筑的不同尺度结构表达[J]. 建筑结构,2022,52(10):96-103.

[2] 周健,汪大绥. 结构师视角的“结构建筑学”[J]. 建筑学报,2017(4):28-31.

[3] 呼和浩特新机场巧儿什营场址工程场地地震安全性评价报告[R]. 呼和浩特:内蒙古鼎宸地震工程勘察有限公司,2013.

[4] 杨怀宇,李建中．斜拉桥纵漂频率概念简化计算及影响因素讨论[J]．建筑结构,2015,45(3):93-96,52.

[5] 周健,李彦鹏,崔家春. G60科创云廊单层铝合金网壳结构设计关键问题分析[J]. 建筑结构,2022,52(9):74-80.

[6] 巫燕贞,崔家春,吴明儿,等. 某ETFE气枕膜结构工程方案选型分析[C]//第十四届全国现代结构工程学术研讨会论文集. 天津,2014.

[7] 呼和浩特新机场项目航站区工程(建设工程)T1航站楼系列工程超限高层建筑结构抗震设计可行性论证报告[R]. 上海:华东建筑设计研究院有限公司,2019.

[8] 周健,王瑞峰,林晓宇,等．杭州萧山国际机场T4航站楼主楼结构设计[J]．建筑结构,2022,52(9):104-112.

[9] 空间网格结构技术规程:JGJ 7—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[10] 张英杰．密闭索及高钒索端头热铸锚具力学性能研究[D]．天津:天津大学,2020.

[11] ALI K,KATSUCHI H ,YAMADA H . 基于拉索安全评估的普通斜拉桥和矮塔斜拉桥结构冗余度对比研究[J]. Engineering,2021,7(1):236-261.

[12] 周健,陈素文,苏骏,等．虹桥综合交通枢纽结构连续倒塌分析研究[J]．建筑结构学报,2010,31(5):174-180.

作者简介

周健，华东建筑设计研究院有限公司结构总工程师，首届上海市工程勘察设计大师，上海市领军人才，《建筑结构》杂志编委，长期从事大跨空间结构、超高层建筑以及各类复杂结构体系的设计与研究。主持完成的大型机场航站楼和综合交通枢纽类设计项目包括浦东国际机场T1/T2/T3航站楼及卫星厅、虹桥机场T2航站楼及T1改造、南京禄口T2、杭州萧山T4、乌鲁木齐天山、呼和浩特盛乐、太原武宿T3、合肥新桥T2、昆明长水T2、港珠澳大桥珠海口岸、上海东站等二十余座。

李彦鹏，华东建筑设计研究院有限公司高级工程师，原从事大跨度和复杂结构设计，曾负责呼和浩特机场、宁波枥社国际机场、上海久事国际马术中心、G60科创云廊的结构设计。2022年转型建筑AI产品研发，任智慧设计研发所所长，负责大模型训练、AI设计赋能、AI产品开发等工作，复旦大学人工智能专业博士在读，上海市建筑学会数字化分会委员，同济大学、上海交通大学校外导师。

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