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昆明新机场航站楼钢结构设计.pdf

昆明新机场航站楼钢结构设计

huahua
2012-07-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《昆明新机场航站楼钢结构设计pdf》,可适用于经济金融领域

第卷第期建 筑 结 构年月昆明新机场航站楼钢结构设计束伟农,朱忠义,柯长华,黄嘉,秦凯,王毅,卜龙瑰(北京市建筑设计研究院,北京)摘要 昆明新机场为西南地区大型枢纽机场,也是国家的重点工程。航站楼南北长约m,东西宽约m,下部结构采用钢筋混凝土框架结构,支承屋顶的结构采用“彩带”形钢结构。针对钢结构设计中遇到的关键问题,采取了相应的措施,较好地解决了工程中遇到的困难。关键词 昆明新机场航站楼钢彩带结构网架结构DesignofsteelstructureforNewKunmingAirportBuildingShuWeinong,ZhuZhongyi,KeChanghua,HuangJia,QinKai,WangYi,BuLonggui(BeijingInstituteofArchitectualDesign,Beijing,China)Abstract:NewKunmingAirportisoneoflargescaletransportsandimportantprojectsinChina,anditspansmfromsouthtonorthandmfromeasttowest,Steelconcretestructurewasadoptedaslowpartstructure,steelribbonassupportstructureforsteelroofManykeyideaswereintroducedduringthedesignofsteelstructure,aswellasmanysolutionswerefoundedfordifficultproblemsinthisprojectKeywords:NewKunmingAirporttransportssteelribbonstructurespacetrussstructure云南省社会发展科技计划社会事业发展专项。项目编号CA。作者简介:束伟农,硕士,教授级高工,Email:Shuweinongvipsinacom。 工程概况昆明新机场为大型枢纽机场,也是国家重点工程,航站楼南北长约m,东西宽约m,总建筑面积约万m。主体结构采用钢筋混凝土框架结构,屋顶结构和屋顶支承结构为钢结构。其中,核心区(A区)屋顶支承结构由钢彩带、锥形钢柱、东西两侧带Ⅴ形支撑的框架及变截面箱型摇摆柱组成其余段支承结构为锥形钢管柱和变截面箱型摇摆柱。航站楼屋顶为双曲面外形,采用正放四角锥网架结构,由焊接球和钢管杆件组成。屋盖投影面积达到万m,属超大型网架结构。根据结构受力和变形要求,整个网架设置了条伸缩缝,将屋盖划分为部分,如图所示。由于核心区(A区)的钢结构比较复杂,并采用了隔震技术,上部结构按地震设防烈度度进行设计。下面重点介绍此部分的钢结构设计情况。 核心区结构布置屋顶支承结构分为四部分:)东西向彩带结构)(东西侧面)南北向钢框架结构)内部锥形钢管柱)弧形边界上的摇摆柱。图为屋顶支承结构的立面图。图为核心区(A区)屋顶支承结构的透视图。彩带钢结构钢结构彩带共榀,包括榀垂直于地面的平面彩带和两榀与地面倾斜并在空中相交构成的空间彩带。#~#彩带落在层楼面,标高m,其余彩带图 屋顶钢结构分段示意 图 屋顶支承结构的立面图 落在地下层楼面上,标高m。除空间彩带(#,#彩带)外,在榀平面彩带上,还设有次级彩带。彩图 核心区(A区)屋顶支承结构的透视图 图 彩带的轴测拆分图 带的轴测拆分图如图所示。为实现将彩带飘起来的建筑设计理念,彩带的截面高度根据建筑要求统一定为mm,各榀钢彩带的截面宽度根据结构计算确定。彩带的截面见图。彩带#,#为平面连续拱,分为上下两部分。#彩带的下彩带顶截面宽度为m,底截面宽度为m上部彩带截面宽m。#彩带下彩带顶截面宽m,底截面宽m上彩带截面宽m。彩带#与#为空间彩带,沿东西方向相互连接排列,形成三维空间拱结构。不仅承担屋顶的竖向荷载,而且还能传递南北方向和东西方向的水平荷载。截面宽度为m。空间彩带的拱脚支承在#~#彩带的下彩带顶点,如图所示。图 #~#彩带关系示意 图 下彩带成型 彩带#~#均为平面连续拱,截面宽度为m。除#彩带上的次彩带截面尺寸为m×m外,其它次彩带均为m×m。次彩带能对主拱提供支撑作用,同时还可以减小屋顶网架结构的跨度。另外,通过航站楼的进港连桥增加#彩带中下彩带平面外稳定,通过铰接链杆增加#彩带中下彩带的平面外稳定。根据建筑造型的要求,彩带曲线采用分段曲线进行拟合,在彩带的底部和顶部采用抛物线,中间段采用三次曲线,在连接位置各段曲线一阶导数连续。以下彩带的m跨为例,曲线分段方程为(如图所示):y=xΠ (~m)(x)(x)m (~m)(x)Πm (~m)三段曲线的连接位置坐标为:(,),(,),在该两点上满足光滑连接(即两端曲线在连接位置的斜率相等)。按此方法能生成整个下彩带,与建筑专业要求吻合良好。(东西侧面)南北向平面钢框架为提高屋顶层结构的抗侧刚度,在东西侧面布置南北向带支撑的平面钢框架结构,柱顶与网架铰接。柱截面为组合T形截面,如图所示。典型截面宽m,高m,其中下部箱型高m,伸出箱型高m,壁厚以mm为主。图 彩带截面示意 图 T型柱截面示意 图 摇摆柱部分截面示意图锥形钢管柱彩带以外部分为减小结构跨度,布置根锥形钢管柱,柱顶与屋顶网架固定铰接。柱截面为圆形,由固定端到屋顶钢柱截面直径线性减少,单边斜率。弧线边界上的摇摆柱为减小悬挑网架的变形,结合幕墙支承的要求,在东西弧线边界上,每隔m左右设置一根摇摆柱,摇摆柱沿弧线边界与地面倾斜°,高度在~m之间,柱截面为变高度梯形截面,根据柱高分为六种尺寸的截面,如图所示。摇摆柱上端与网架铰接、下端与混凝土结构铰接。 屋顶网架结构A区屋顶东西方向尺寸m,南北方向尺寸m,采用变厚度双曲面网架结构,网架上、下表面均为空间曲面。采用正放四角锥网架形式,大部分网格尺寸为m×m,局部区域网格尺寸为m×m,在边界部位为不规则网格。在南侧中部悬挑根部,网架结构高度最大为m,沿南北、东西方向网架高度变簿,最小高度m。网架最大跨度m,南端为悬挑结构,最大悬挑跨度m(不包括m挑檐)。屋顶网架结构采用下弦支承。为适应航站楼周边幕墙柱分格并为屋面挑檐提供较好的支承条件,沿整个屋面边界设置边桁架。屋顶曲面是由直线和圆弧线组成光滑连续的母线沿由直线和圆弧线组成的光滑连续的路径线平移或者旋转移动得来。图,为核心区(A区)屋顶曲面的成形方法。按照建筑专业提供的屋顶曲面成形方法,对结构面上下表面数值化,将已修剪好的正交正放四角锥平板网架垂直投影到数值化的结构上下表面,得到适应建筑屋面的屋盖结构。核心区(A区)屋顶结构如图所示。网架与彩带、锥形钢管柱、摇摆柱的连接节点大样如图~所示。图 核心区(A区)屋顶曲面示意 图 屋顶成形方法  荷载昆明新机场航站楼的设计基准期为年。荷载包括恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、预应力荷载、温度作用和地震作用。其中温度作用分为使用阶段和施图 核心区(A区)屋顶平面 图 网架与彩带连接节点大样示意图 图 网架与锥形钢柱连接节点大样示意图 图 网架与幕墙摇摆柱连接节点大样示意图 工阶段两种,施工阶段温度仅和结构自重等部分恒荷载组合,拉索幕墙的预应力值以满足幕墙变形为标准。根据云南省地震工程研究院提供的《昆明国际新机场工程场地地震安全性评价报告》,地震动参数见表。计算常遇地震,当仅考虑竖向地震作用时,竖向地震作用取重力荷载代表值的(非隔震区)或(对隔震区)和反应谱法计算的较大值,抗震承载力调整系数取。当同时考虑水平和竖向地震作用时,竖向地震作用采用反应谱法计算。采用反应谱法计算常遇地震下的竖向地震作用时,地震影响系数最大值取水平地震影响系数的(对A区进行隔震计算时,竖向地震影响系数最大值取按对应《抗震安评报告》提出的常遇地震的水平地震影响系数的)。计算中震时,竖向地震作用采用反应谱法计算。采用反应谱法计算中震下的竖向地震作用时,竖向地震影响系数最大值取水平地震影响系数的(对A区进行隔震计算时,竖向地震影响系数最大值取按对应《抗震安评报告》提出的设防烈度的水平地震影响系数的)。基本地震参数表地震烈度年设计基准期超越概率Π场地特征周期TgΠs地面最高加速度Πgal水平地震影响系数最大值αmax多遇地震设防烈度罕遇地震  除按照规范进行地震作用组合外,还增加了竖向地震水平地震工况。同时,考虑双向水平地震作用效应。对A区进行隔震计算时,竖向地震波加速度峰值按照《抗震安评报告》给出的各水准对应的加速度峰值。 钢结构设计的性能目标及控制标准由于核心区(A区)采用基础隔震体系,隔震计算时,地震作用分析结果应满足《建筑抗震设计规范》(GB)第条及其条文说明规定的楼层最小地震剪力要求。补充进行非隔震模型抗震验算时,宜满足规范中度地震设防烈度时的设计要求。采用隔震后,屋顶支承结构和屋顶结构的抗震性能标准如表,所示。隔震区(A区)彩带和钢柱结构的抗震性能表抗震设防水准小震中震大震抗震性能没有破坏没有破坏不产生严重破坏地震影响系数水平加速度Πgal分析模型无隔震模型无隔震模型带隔震层整体模型控制标准弹性层间位移角≤Π钢柱不屈服彩带弹性层间位移角≤Π彩带、钢管柱、节点弹性分析方法反应谱法为主,时程法补充计算时程法计算隔震区(A区)屋顶结构的抗震性能表抗震设防水准小 震中 震大 震抗震性能没有破坏没有破坏不倒塌地震影响系数(隔震后度)(隔震后度)(安评、罕遇地震)水平加速度Πgal分析模型无隔震模型无隔震模型带隔震层整体模型控制标准弹性设计构件不屈服支座构件、节点不屈服分析方法反应谱法为主,时程法补充计算时程法计算对核心区(A区),中震验算时,计算结果取下述两种计算模型的包络值:隔震计算模型按《抗震安评报告》提出的设防烈度计算地震作用非隔震计算模型按度地震设防烈度计算地震作用。钢管柱和彩带在风荷载作用下弹性层间相对侧移≤hΠ。 结构分析彩带计算长度系数规范对于典型框架柱的计算长度系数有比较明确的规定,但对于彩带拱结构并没有相关规定。为了采用规范的稳定计算公式校核彩带结构的承载力,必须对彩带结构的计算长度系数进行相关研究。对于主要承受轴力的拱结构,可以引用柱子计算长度系数的概念,用计算长度和拱截面的抗弯刚度来表示拱的临界荷载。单纯的受压拱只有在少数限定的条件下才能实现。彩带结构由于其造型的需要,在彩带中有相当成分的弯矩和剪力。图显示了彩带在竖向荷载作用下的轴力和弯矩,弯矩和轴力的数值处在同一个数量级,轴力沿拱轴线处于相对均匀的状态,弯矩在拱底和拱顶很大,拱中部有反弯点。应力最大的截面中,应力的大部分是由于弯矩产生的。对于这种拱的稳定性计算,目前还没有普遍适用的计算公式,需采用数值分析方法进行计算。图 彩带内力分布图 ()平面内计算长度系数 建立彩带模型,施加单位力,对模型进行屈曲计算,求解彩带各相应位置处的欧拉临界力。施加了单位荷载的#彩带如图所示,图是#彩带的第一阶屈曲模态。根据各模态的临界荷载,可求得彩带每个拱间的计算长度系数。图 #彩带受单位荷载情况 图 #彩带第一阶屈曲模态 ()平面外计算长度系数 屋顶网架把各彩带结构连成整体,不同刚度的彩带相互支撑,对彩带的平面外稳定影响较大,必须整体考虑。不考虑混凝土结构,将屋顶结构简化为交叉梁,以考虑屋顶对彩带的联系作用,建立如图所示的计算彩带平面外屈曲荷载和计算长度系数的模型。图 彩带平面外稳定计算模型 ()计算长度系数 根据以上分析结果,设计时各彩带的计算长度取值如表所示。各彩带的计算长度表类别平面内平面外平面主彩带弧长弧长空间彩带弧长弧长次彩带弧长弧长  注:表中弧长主彩带取下约束点与彩带顶支承屋面点之间的弧长,次彩带取与主彩带相交节点之间的弧长或主彩带相交点与彩带顶支承屋面点之间的弧长。锥形钢管柱计算长度系数除A区大部分为彩带支承屋面以外,A区的局部和其余区都是锥形钢柱和摇摆柱共同支承屋面。锥形钢柱的锥度为Π,材质为QGJC摇摆柱材质为QB。典型区域屋盖支撑见图。结构的稳定承载力和其抗侧刚度有关,A区部分区域由摇摆柱和锥形钢管柱支承屋顶结构,摇摆柱不提供抗侧刚度,这样结构的抗侧刚度就由锥形钢管柱来承担,非摇摆柱的计算长度系数就会增加。通过结构失稳模态分析,计算得到锥形钢管柱的计算长度系数为。图 典型区域屋盖支撑示意图 变截面摇摆柱计算长度的确定摇摆柱为鱼腹式箱形截面,上、下端分别与屋面网架结构和混凝土结构采用固定铰连接,承受屋盖传来的轴力以及侧向风荷载产生的弯矩。对于此类约束形式的等截面摇摆柱,其两个方向的计算长度系数都为。但本工程的摇摆柱为中间大、两头小的鱼腹式断面,其计算长度系数需通过弹性屈曲计算得到。根据计算结果,摇摆柱强轴的计算长度系数取弱轴的计算长度系数为。主要分析结果()结构动力特性 核心区屋顶支承结构基本周期见表,扭转和平动周期比值满足规范要求。()屋顶网架结构 网架m跨的最大挠度为mm,考虑其支座(#和#彩带)的挠度,则跨中最大相对挠度为mm,与跨度的比值为Π。南侧悬挑的最大挠度mm,考虑其支座(#彩带)的挠度,则悬臂端最大相对挠度为mm,与相对应跨度的比值为Π,小于限值Π。北侧伸缩缝处,网架结构有一段悬臂结构,悬臂结构的最大相对挠度为mm,跨度为m,挠度与跨度的比值为Π,小于限值Π。支承钢结构自振周期表周期Πs振动方向说明T第一个南北方向平动振型T第一个扭转振型T第一个东西方向平动振型扭转周期Π平动周期=<。()屋顶支承结构的侧移 屋顶支承结构在风荷载、地震作用下的最大层间位移角如表所示。屋顶支承结构最大层间位移角表结构彩带钢管柱钢框架风荷载ΠΠX向地震作用ΠΠΠY向地震作用ΠΠΠ()屋盖内力传递 由于采用彩带结构,X,Y两个方向的抗侧刚度相差较大,为弄清楚地震力的传递情况,在计算分析中,分别给出了在各种工况下屋盖传至彩带顶和柱顶(含锥柱和摇摆柱)的内力,如图所示。从图中可以看出,屋盖结构在Y向地震时,地震荷载主要由空间彩带承担。图 Y向地震网架支座Y向剪力分布ΠkN ()屋盖支承结构的强度 在多遇地震和风荷载作用下,彩带、钢管柱、摇摆柱的应力比均满足规范要求。在中震作用下,彩带和钢管柱的应力也满足性能标准。()罕遇地震作用下的结构反应 核心区主体为隔震结构,支承屋顶的彩带和钢管柱落在隔震体系上。对结构进行罕遇地震分析时,检查支承钢结构的位移、应力,验证结构的抗震性能。根据计算分析结果,彩带基本处于弹性状态。 彩带非线性稳定分析彩带为拱形结构,在竖向荷载下彩带有较大的压力,存在稳定问题,必须对结构进行非线性稳定分析。稳定分析时,考虑结构的大变形、材料非线性、平面内和平面外初始缺陷。其中:)材料本构关系取为理想弹塑性模型)平面内初始缺陷,按照网壳结构规范,缺陷形式为结构最低屈曲模态,缺陷大小为结构跨度的Π,在本项目中,偏安全取为彩带弧长的Π)彩带平面外缺陷为两部分:)结构整体平面外施工偏差(垂直度),《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ)规定整体偏差为min(HΠmm,),《钢结构工程施工质量验收规范》(GB)规定整体偏差为HΠ)结构构件在平面外的挠曲,最大挠曲值为构件长度的Π,如图所示。以#彩带为例说明彩带非线性承载能力。在“恒荷载活荷载”模式下,无缺陷结构以及各种缺陷下,结构的荷载位移曲线见图。从图中可以看出,在缺陷情况下,结构刚度较无缺陷结构的刚度有所减小,但缺陷结构和无缺陷结构的极限承载力相差不大,极限承载力的荷载系数均大于。其余各条彩带经验算极限承载力的荷载系数均大于,满足稳定要求。图 平面外挠曲 图 #彩带关键点荷载位移曲线  彩带关键节点承载力分析为保证结构在罕遇地震作用下的安全,彩带关键节点按照抗震性能化标准,满足大震下不屈服的要求。彩带关键节点主要有彩带支座节点、上下彩带的交接处的节点、空间彩带节点等,图为给出彩带部分典型关键节点的示意图。图 彩带部分典型关键节点示意图 以号节点为例介绍节点计算情况。节点局部板单元模型如图所示。该交叉彩带节点计算模型由板单元建立,下端连接下彩带变截面梁单元,约束下彩带底部自由度。通过沿着彩带方向建立的梁单元施加梁单元集中荷载、弯矩和扭矩来模拟彩带传递给节点的荷载。所施加的荷载为隔震结构在大震作用下时程分析的结果。图为号节点大震下的应力云图,应力均小于材料的设计强度。图 号关键节点模型图 图 号关键节点应力云图  结语昆明新机场航站楼核心区(A区)采用钢彩带支承屋顶结构,彩带不仅为建筑元素,也是屋顶结构主要的支承体系,承担屋顶的竖向荷载以及两个方向的水平荷载,结构体系比较新颖,通过采取有效的技术措施,解决了设计中遇到的困难,彩带结构是本工程的特点,具有一定的代表性。参考文献沈祖炎,等钢结构设计原理M北京:中国建筑工业出版社,童根树钢结构的平面内稳定M北京:中国建筑工业出版社,年上海世博会日本馆由日本竹中公司总承包,上海现代建筑设计集团现代都市院配合设计的日本馆为单层网壳充气膜结构。日本馆总建筑面积为m,展馆主体为地上层,局部层,整个建筑由穹顶覆盖,主体建筑地面以上高度为m。外部穹顶采用型钢空间网壳结构体系,围护材料为双层ETFE内充气膜内部采用钢结构框架支撑体系。工程的结构设计使用年限为年。工程采用混凝土搅拌桩技术加固了部分软弱土,加固后土体承载能力特征值由原来kPa提高到kPa,并通过在每个柱脚顶部设置四块沉降调节板来消除不均匀沉降对上部结构的影响。内部框架与外部网壳嵌固在±处,由此以上两者分开单独设计。内部框架支撑结构比较规则,柱距m。外部网壳分为主网壳和小网壳,两者出±互不关联。小网壳为常见的单层椭圆型网壳。主网壳主要由径向和环向H型钢组成,大部分径、环向H型钢组成的区隔里都有圆钢管支撑,同时六个双曲线呼吸井柱支撑整个主网壳,呼吸井柱不仅减小了网壳的计算跨度,同时提高了网壳的整体稳定性。工程与一般网壳的不同点在于:)主材为H型钢)有六个呼吸井柱支撑)所有圆钢管支撑铰接,环向H型钢梁隔层刚接)节点连接形式多样化。(上海现代建筑设计集团现代都市院曹发恒孙海东花炳灿)

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