广州新白云机场航站楼钢结构设计

广州新白云国际机场航站楼钢结构设计

1、钢结构工程概况

主楼长325M，宽235M，其中平面又二片反向的圆弧形带组成，见图9。主楼南北两侧钢无该的支承构件是一排由3Φ273×16圆钢管组成的三角形变截面人字形组合柱，人字形柱的两端铰接，使柱的受力最小，以期取得修长轻巧的建筑效果。人字形柱的柱顶高度从东西二端的14.7M升高到中间的35.7M，由里向外倾斜。主楼的内部设置了二排巨形变截面混凝土箱形柱，由于主楼脊骨结构（spine structure）的两侧是刚度及约束都较小的人字形铰接柱，在脊骨结构的内部设计刚度较大的抗侧力柱是必要的。巨形柱的柱距为18M，在基础处的截面为25 00MM×4500MM，刚接于基础，承受全部水平力。主楼的屋盖为近似的几何球形，巨形柱的柱顶高度又东西二端的 21M上升到中间的41.9M。主楼采用三角形钢管桁架结构，跨度为76.9M，桁架高度为5M，两端铰接支承在人字形柱及混凝土巨形柱上，主桁架在人字形柱以外的南北方向悬挑7~23M。主桁架两上弦杆的间距从人字形柱处的 3.8M变化到巨形柱处的5.25M，弦杆为508×16~25MM，腹杆为Φ245×7.1~12MM。腹杆在下弦杆交汇点的间距为6.35M。主桁架之间的屋面结构是14M跨度的箱形压型钢板，主楼屋盖共设置了二道伸缩缝，伸缩缝采用悬挑结构，这时箱形屋面压型钢板悬挑7M，这种箱形压型钢板除了作为结构板外还兼作屋盖支撑，整个屋面简洁美观。为了增加建筑外观的造型变化以及满足采光要求，主桁架在巨形柱处上升为一个拱型桁架采光带，采光带的宽度由中间的20M变化到东西二端约50M，采光带是玻璃纤维张拉膜结构。主楼的屋盖透视图见图10。

连接楼分为东西连接楼，每翼连接楼的平面为450×62M，地上三层，用三道伸缩缝将混凝土楼盖分为四段，用二到伸缩缝将屋面分为三段。连接楼的柱距为18M，典型的钢桁架见图11。三角形圆管桁架的弦杆为3 Φ245×12~16MM，腹杆为Φ127×6~12MM，桁架的高度2.8M，上弦杆的间距为3M。主桁架一端落地，另一端支承在由3Φ168×12.5MM的钢管组成的变截面人字形组合柱上，与主楼人字形柱子不同的是，连接楼的人字形柱是从外向里倾斜的。主桁架在跨中位置支承于1M直径的钢筋混凝土圆柱上，从落地端到混凝土柱的跨度约25M，从混凝土柱到人字形柱的跨度约30M，再悬挑约7M。连接楼的屋面是有檩体系。屋面板是层压型钢板，部分屋面为玻璃纤维张拉膜。整个屋面沿纵向设置了5道次桁架，次桁架即支承檩条也是屋盖的支撑，在屋盖伸缩缝处设有X形的支撑。

东一西一指廊的平面为360mX38.8m，东二及西二指廊的平面为252mX38.8m。指廊为三层建筑，柱距为 12m。混凝土楼盖的伸缩缝间距为96m。钢屋盖的伸缩缝间距为126m。与主楼相同，屋盖伸缩缝采用悬挑结构，在伸缩处悬挑6m指廊屋盖钢桁架采用方钢管平面桁架，主桁架跨度24m，支承于钢筋混凝土柱子上，两端各悬挑7.4m。混凝土柱的高度为23.6~12.6m。主桁架高2.2m，弦杆为口250X12~16mm，腹杆为口160~180 X6~8mm，屋面为1.6mm及2.0mm 厚和箱形压型钢板。指廊屋盖在混凝土柱顶设有2道纵向支撑。东西高架连廊为二层钢结构，连接主航站楼和连接楼。高架连廊的宽度为13~16m，跨度为54m，两端带有4.5m~7.0m的悬挑，屋面标高为20~40m，屋面为玻璃纤维张拉膜，楼盖为型钢梁及压型钢板――混凝土纵使组合楼板。高架连廊为口400mm及口500mm的方管钢桁架，支承于1078X461X70X125mm的焊接H型钢柱上。高架连廊的高度高，跨度大，宽度窄，对抗水平力非常不利，在航站楼的四建筑物的单位用钢量中，高架连廊的用钢量最大。高架连廊典型桁架见图12。

2、屋盖的结构分析与荷载

大跨度的屋盖自重较轻，本工程为6度设防，结构分析中不考虑地震作用，屋盖的最主要荷载是风荷载。风荷载按中国规范取值，最大风压的重现期取100年。主桁架的计算考虑风振系数，风振系数由水平风力和竖向风力作用下结构动力计算得到。屋面板的计算考虑正风压的峰值及负风压，风压的峰值及风荷载的内压力、内吸力由风洞试验确定。根据风洞试验结果，中央高四角低的近似几何球形屋面对于抗风较为有利，主楼的四角有长达23m 的悬挑，悬挑部分的负风压是主桁架的控制荷载之一，近似的球形屋面使四个角的负风压最小。

结构的整体计算采用美国结构分析与设计程序STAAD，并用同济大学空间钢结构计算程序3D3S及美国 MARC公司大型通用有限元程序Marc进行验算比较，节点有限元分析及人字形柱的有限元分析采用ANSYS程序。空间计算模型由Autocad三维模型线框图转换而成。桁架弦杆、腹杆采用柱单元（考虑轴向、弯曲、剪切和扭转变形），宽翼缘工字钢及角钢采用梁单元（只考虑弯曲和剪切变形），屋面板及人字形柱上钢板采用薄壳单元（只考虑拉伸和剪切变形）。承载能力的验算满足中国规范及美国规范的要求。

3. 节点设计

广州新白云国际机场航站楼的钢管桁架节点形式很多，主楼和连接楼主要是圆管节点，指廊和高架连廊是方管节点，节点分为支座节点及相贯连接节点。节点的设计及承载力计算主要参考了J.A.Packer、 J.E.Henderson、J.J.Cao（曹俊杰）著《空心管结构连接设计指南》（科学出版社，1997，北京）中所提供的空心管焊接接头方法及计算公式。相贯连接节点的失效模式有：（1）弦杆表面塑性失效；杆表面冲剪失效；（3）受拉腹杆拉伸破坏；（4）受压腹杆局部屈曲；（5）弦杆在间隙处剪切破坏；（6）在受压腹杆作用下弦杆侧壁局部屈曲；（7）受拉腹杆背面弦杆表面局部屈曲。承载力的计算应该保证节点不出现上述各种失效模式。

本工程相贯节点主要的构造措施是圆管采用间隙接头，方管采用搭接接头。采用间隙接头的优点是腹杆与弦杆有全周焊缝，节点的抗剪承载力高；缺点是节点有偏心弯距，降低了弦杆的轴向承载力。由于圆管为马鞍型坡口，圆管节点需整体安装焊接，如果腹杆搭接，被搭接腹杆相接于弦杆的趾部为隐藏区不能焊接，因此圆管节点应避免全搭接接头，圆管节点也应尽量避免采用KT节点或有较多杆件交于一点的节点。方管及矩形管为直线坡口，其搭接接头可先焊接一次相贯的全周焊缝，再安装焊接二次相贯的焊缝，这样的搭接接头刚并大，承载力高。当然，方管及矩形管也可以采用间隙接头，这时施工较为简单。本工程贺管腹杆在弦杆的交汇处设计有离开弦杆中心线50~70mm的正偏心和沿弦杆方向30mm的偏心，避免了双K节点的腹杆搭接。高架连廊及指廊的方管KT节点腹杆有部分搭接，施工时先焊接受力较大的斜腹杆，斜腹杆与弦杆相交处为全周焊缝，然后再焊接受力较小的直腹杆，直腹杆焊在弦杆及斜腹杆上。间隙接头及搭接接头大样见图13。主楼及连接楼下弦杆两端支座处，部位重要，相交的杆件多，受力大，设置了1m长的实心钢棒。另外，有个别的空心管接头节点承载力不足，我们分别采用了：（1）在弦杆外焊加强板，施工简单，可用于受拉或受压弦杆，但影响外观；（2）在弦杆内加穿心板，施工复杂，不影响外观，可用于受拉或受压弦杆；（30用混凝土填充节点，施工复杂，不影响外观，可用于受压较大的弦杆。

4、人字形柱的应用与试验