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昆明新机场航站楼工程结构设计介绍.pdf

昆明新机场航站楼工程结构设计介绍

dindin2003
2013-05-22 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《昆明新机场航站楼工程结构设计介绍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工程结构设计介绍束伟农,朱忠义,柯长华,王春华,祁 跃,黄 嘉,秦 凯,王 毅(北京市建筑设计研究院,北京)摘要 昆明新机场为大型枢纽机场,国家重点工程。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,支撑屋顶的结构采用“彩带”形钢结构,航站楼一期总建筑面积约万m。建设场地位于世界上活动级别最高的小江断裂带附近,属高地震烈度区,跨越多个地貌单元,地形起伏,岩溶非常发育,多条断层从场区穿过,场地填筑厚度差异大,地基极不均匀。航站楼的结构复杂,针对特殊的地震和地质条件,在航站楼的前中心区(m×m)采用了隔震技术。航站楼工程属于超长型结构、屋架支承结构采用形式独特的钢彩带结构,围护结构采用了不规则索幕墙结构等,针对以上关键问题,设计中采取了有效的结构措施,解决了工程中的各种困难。关键词 航站楼钢彩带结构超长型结构基础隔震索幕墙结构多点多维地震输入IntroductionofstructuraldesignoftheKunmingnewairportterminalbuildingShuWeinong,ZhuZhongyi,KeChanghua,WangChunhua,QiYue,HuangJia,QinKai,WangYi(BeijingInstituteofArchitectureDesignandResearch,Beijing,China)Abstract:KunmingnewairportisanationalkeyprojectandwillbeoneofthelargestterminalsinChinaThebasicstructuralsystemoftheterminalbuildingisareinforcedconcreteframewithtopsteelribbon,mlonginnorthsouth,mwideineastwestThegrossfloorareaofphaseⅠisaboutmThedistancefromtheairportsitetotheXiaojiangfaultinsouthwestChina,oneofthemostactivefaultsworldwide,isaboutkmandthesiteislocatedinhighseismicintensityregionThesitespansmultiplelandformunitswithterrainfluctuationandkarstdevelopmentWithseveralfaultsacrossthesite,thebackfillthicknessoffoundationvariessignificantlyandthebaseisdistributedunevenlySeismicisolationtechniquesareappliedatthefrontcenterarea(m×m)oftheterminalduetostructuralcomplexityanduniqueseismicandgeologicalconditionsDesignmeasureshadbeenappliedtosolvetheproblemsencounteredduringtheproject,whichwerecausedbythesuperlengthofthestructure,steelribbonsupportingstructuresandtheirregularityofthecablestructureofthecurtainwallKeywords:airportterminalbuildingssteelribbonsupportingstructuresuperlongstructuresseismicisolationoffoundationcablestructurescurtainwallmultiplesupportandmultipledimensionalexcitation作者简介:束伟农,副总工程师。 工程概况昆明新机场是国家“十一五”期间批准新建的大型机场,项目总体定位为“面向东南亚、南亚,连接欧亚的国家门户枢纽机场”,属于国家重点工程。航站楼由前中心区(A区)、前端东西两侧指廊、中央指廊、远端东西Y型指廊等几部分组成。其建筑总平面、立面及局部如图~所示。航站楼工程地上三层,局部四层,地下三层,建筑面积m,航站楼南北长m,东西宽m,中轴屋脊最高点相对标高m。航站楼下部结构采用钢筋混凝土框架结构,屋顶及支承屋顶的结构为钢结构,屋顶形状为双曲面,采用正放四角锥网架结构,屋顶支承结构为钢彩带、锥形钢管柱、变截面箱形摇摆柱。工程的结构设计基准期为年,结构安全等级为一级,抗震设防烈度为度,基本地震加速度为g,建筑场地类别为Ⅱ类,抗震设防类别为乙类,设计地震分组为第二组。图 航站楼平面图  关键问题昆明新机场航站楼面临复杂的场地环境根据中国建筑西南勘察设计研究院提供的《昆明新机场新航站区岩土工程勘察报告》,拟建场地跨越多图 建筑立面图 图 航站楼局部表现图 个地貌单元,地形起伏不平,场区岩溶非常发育,多条断层从场区穿过,属高地震烈度区(见图)。图 场地断层分布图场地岩土种类多,包括不同地质时代的灰岩、白云岩、白云质灰岩、砂岩、泥岩、红粘土等。挖填方后地基极不均匀,为土岩组合地基。航站区地形在浑水塘油库南面较为平坦,地形起伏不大,总体上向西南倾斜,高程逐渐降低,该区域钻孔的孔口标高在~m之间,高差m。场区地貌总体以岩溶地貌为主,其次为构造剥蚀丘陵地貌。根据地貌的成因与形态,昆明新机场工程可划分为三个地貌单元区:岩溶地貌、构造剥蚀地貌及冲洪积地貌。场地地下水总体上可划分为南北两个水文地质单元,南侧地下水丰水期埋深~m,标高~m左右,北侧丰水期地下水埋深~m,标高~m左右,水位季节变化幅度约在~m,地下水位对降雨(特别是强降雨)反应迅速,降雨后水位快速提高。昆明新机场航站楼面临严峻的地震形势根据云南省地震工程研究院提供的《昆明新机场新航站区场地地震安全性评价报告》,工程场地位于近南北向小江地震带中段西缘,历史上场地主要受小江地震带的影响,场地周边其他的地震带影响是次要的。近场区为历史强震多发地段,自公元年有破坏性地震记载以来,至今共计有M≥级地震次,其中~级次,~级次,级次,主要集中在场地东侧,为小江地震带内强震。所以,场地受本地强震的影响是主要的。距机场只有km的小江断裂带为世界上活动级别最高的断裂带之一,年来,平均年发生一次近级地震,至今年没有级以上地震,形势愈来愈严峻。昆明新机场航站楼结构复杂结构超长下部钢筋混凝土框架结构分为段上部屋顶钢结构分为段,分别如图,所示。图 混凝土结构分段示意图 图 屋顶钢结构分段示意图 航站楼A区(核心区)结构平面为m×mE区、F区下部混凝土结构分段,屋顶钢结构连成整体,结构计算长度超过了m。根据规范要求,此部分结构需进行多点多维地震输入。屋顶支承结构为钢彩带结构航站楼A区(核心区)屋顶支承结构为钢彩带结构,见图。钢彩带结构的设计难度很大,如平面外计算长度取值(规范没有规定)、彩带的稳定、节点构造、钢结构制作问题等。图为钢彩带的轴测图。图 屋顶钢结构示意图 图 钢彩带轴测图 索幕墙结构A区(核心区)#钢彩带为满足建筑要求,采用了索幕墙结构。航站楼的主入口正立面,其内部是航站楼中最为重要的出发、到达大厅等公共空间,其立面效果对于航站楼整体建筑形象和内部空间来讲都是最为重要的环节。采用悬索幕墙系统(图),可以取得最大的通透效果,体现钢结构彩带的立面特色,表现出作为昆明重点形象工程所应具有的建筑形象。图 索幕墙布置图 昆明新机场航站楼工程索结构有以下几个方面的特点:)幕墙的受力索穿过钢彩带结构)索网结构不规则)支撑索结构的为钢彩带结构,钢彩带与索结构的变形会相互影响)索节点的构造复杂)索的张拉施工难度很大。 采取的措施基础结构针对本工程复杂的地质条件,航站楼地基基础的选型时考虑岩溶、断裂带、高填方和地震作用等不利因素的影响:)地基基础根据场地情况分区分段处理,分为天然地基和桩基,见图)在挖方区采用天然地基,填方区采用桩基)桩基采用人工挖孔大直径图 基础形式示意图灌注桩基础)桩端持力层为中风化岩层)桩基础施工前进行了详细的施工勘查,查明持力层岩性、破碎程度、岩溶等不利情况)场区大面积回填部分,回填土采用土石比∶的混合土,采用kN·m能级强夯分层回填,局部回填采用分层碾压回填)根据施工勘查结果,对地下溶洞根据埋深、顶盖厚度、洞口大小、是否为充填溶洞等因素,确定下述具体的处理办法:对地表岩溶采用碎石垫层或土石比∶的混合土强夯进行处理航站楼内落水洞,不宜对其进行堵塞,先清理洞底虚土,下部用粒径较大的石料回填,上部采用级配砂石回填,采用kN·m能级强夯进行处理)回填土的压实系数控制在)在平整场地过程中测定剪切波速,保证场地回填土的剪切波速达到mΠs以上。超长型结构航站楼最大分块单元为核心区(A区),平面两个方向的尺寸分别为m和m,其它分块区域E区、F区的长度超过m,属于超长型结构,应当对该结构进行多点输入地震反应分析。特别是对于平面尺寸最大的A区,采用隔震结构。对于如此大的区域,采取多点地震输入对其结构性能的影响,目前还缺乏深入详细的研究。工程选用时程分析法作为多维多点输入地震反应分析的主要方法,多点地震输入分析主要考虑行波效应。地震波在基岩中传播速度很快,在软土层中传播速度较慢,近似取为剪切波速。针对本工程不同的区域回填情况,在分析时各区域按照不同的波速分析,见图,。多维多点输入时考虑回填区与非回填区场地剪切波速的差别,回填区采用mΠs,非回填区mΠs,X与Y向地震加速度峰值比例为∶。根据计算结果,针对本工程得出如下结论:)由于地震动输入存在相位差,多点输入对结构的扭转影响较大)多点输入对隔震结构隔震层的位移影响较小,多点输入的位移较单点输入的位移稍小)多点输入对隔震结构的内力影响较小,柱的剪力较单点输入的剪力稍小)对非隔震区,多点输入对不同部位柱子的剪力影响不同,在小震承载力设计时,需要对柱的内力进行调整。图 A区地震波传播波速分布示意图 图 E区地震波输入示意图(波速为mΠs) 钢彩带结构核心区彩带和钢柱结构的抗震性能见表,。隔震区(A区)彩带和钢柱结构的抗震性能表抗震设防水准,ax第一水准(小震,gal)第二水准(中震,gal)第三水准(大震,gal)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(隔震后度)(隔震后度)(安评、罕遇地震)分析模型没有隔震没有隔震带隔震层整体模型分析方法反应谱法时程法补算反应谱法时程法补算时程法计算设计控制标准按弹性设计层间位移角≤Π钢柱和彩带宜按弹性层间位移角≤Π彩带、钢管柱和节点弹性隔震区(A区)屋顶结构的抗震性能表抗震设防水准,ax第一水准(小震,gal)第二水准(中震,gal)第三水准(大震,gal)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)分析模型没有隔震没有隔震带隔震层整体模型分析方法反应谱法时程法补算反应谱法时程法补算时程法计算控制标准按照弹性设计构件弹性支座构件和节点弹性  设计控制标准()总体控制参数:结构设计基准期(可靠度)年结构设计使用年限(耐久性)年建筑结构安全等级一级(γ=)建筑抗震设防等级乙类。()钢管柱和彩带设计控制参数:在多遇地震作用下弹性层间相对侧移≤hΠ在风荷载作用下弹性层间相对侧移≤hΠ在罕遇地震作用下弹塑性层间相对侧移≤hΠ(非隔震区域),≤hΠ(隔震区域)彩带部分不考虑地震作用时,结构强度、稳定应力≤材料设计强度钢柱部分不考虑地震作用时,结构强度、稳定应力≤材料设计强度彩带部分在多遇地震作用下,结构强度、稳定应力≤材料设计强度(考虑承载力调整系数)钢柱部分在多遇地震作用下,结构强度、稳定应力≤材料设计强度(考虑承载力调整系数)彩带在中震作用下,结构强度、稳定应力≤材料设计强度钢柱在中震作用下,结构强度、稳定应力≤材料强度标准值(不考虑承载力调整系数)彩带及悬臂钢柱的长细比≤(即Πfy)彩带及钢柱板件的宽厚比、高厚比≤(即Πfy)摇摆柱的长细比≤(即Πfy)。()屋顶网壳结构设计控制参数:网架挠度≤LΠ非抗震组合和常遇地震组合,重要杆件应力比≤(考虑承载力调整系数)非抗震组合和常遇地震组合,一般杆件应力比≤(考虑承载力调整系数)中震组合,杆件应力比≤材料强度标准值(不考虑承载力调整系数)压杆的长细比(压杆及拉力小于kN的拉杆)≤(一般压杆),或≤(重要压杆)拉杆长细比≤。彩带结构平面内、外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。《钢结构的平面内稳定》(童根树)、《钢结构基本原理》(沈祖炎等)等教材、文献都对拱状结构的平面内稳定问题进行了探讨。利用MIDAS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,见图,。求解后,依次读取各模态,提取各临界力,进而可求得各榀彩带每拱的计算长度系数,详见表。彩带非线性稳定分析彩带为拱型结构,在竖向荷载下有较大的压力,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。图为#彩带关键点有无缺陷时的图 彩带模型(局部) 图 #彩带受单位荷载情况 各彩带的计算长度Π弧长表计算长度 平面内平面外平面主彩带空间彩带 次彩带    注:()主彩带的弧长为下约束点与彩带顶支撑屋面点之间的弧长()次彩带的弧长为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。图 #彩带关键点荷载位移曲线 荷载位移计算曲线。隔震结构工程采用隔震结构的主要原因为:)昆明新机场为国家重大建设项目)工程建设场地位于近南北向小江地震带中段西缘,距小江断裂带约km)据云南省地震部门预测,昆明新机场位于云南省年前级地震危险区内)建设场地环境复杂)航站楼结构复杂)采用钢彩带间嵌入式玻璃幕墙,幕墙玻璃网格尺寸为m×m)航站楼A区有许多重要、先进的电子仪器设备)国际上在地震高烈度区建设的大跨建筑,有许多采取隔震设计的成功经验。昆明新机场航站楼隔震设计的总体思路:)组合隔震)在隔震层布置一定数量的阻尼器来控制大震位移)中心区叠层橡胶隔震支座,外围采用铅芯橡胶隔震的组合来提高隔震效率,同时限制隔震层的偏心率,避免隔震结构的扭转)为解决柱轴力过大,采用了在一个柱下并联多个隔震支座的做法,见图。结构隔震共采用mm的铅芯橡胶垫个,mm的叠层橡胶垫个,共计个,隔震垫布置示意、构造及安装情形见图。阻尼器类型为粘滞性阻尼器,数量为个。图 橡胶垫排列形式示意图 隔震后的上部结构的设防烈度确定为度,提高了关键部位的节点和构件抗震性能目标。采用时程方法进行隔震计算分析,使用的地震波考虑地震动的输入方向、行波和场地效应的影响。针对结构计算的不同目的和要解决的问题,采用不同的输入方式:)确定减震系数时,采用单方向水平输入)大震位移计算时,按双向水平输入(X∶Y=∶或∶))计算隔震垫极限拉、压应力时,按三向输入(X∶Y∶Z=∶∶或∶∶)。通过计算分析,均可以达到预定的隔震目标。虽然工程为混凝土结构和钢结构组成的复杂结构体系,特别是屋顶支承结构相对混凝土结构刚度较小,但是屋顶支承结构仍然可以取得预期的隔震效果。在图 隔震垫布置及构造示意图温度荷载和风荷载下,隔震层的位移均很小。隔震层以上的结构,采用隔震后的设防烈度进行小震设计,能够须满足抗震规范条的要求。地震模拟振动台试验试验的目的:)掌握结构在不同水准地震作用下的动力特性(自振频率、振型和阻尼比等)变化情况)量测结构在多遇、基本、罕遇地震作用下的位移和加速度反应,检验结构是否满足规范要求,验证其隔震效果)考察结构在不同水准地震作用下的破坏形态,隔震层的受力变形状况,整体结构的扭转反应和薄弱环节等,研究其破坏机理)在综合分析振动台试验结果的基础上,提出相应的设计建议或改进措施。根据试验研究的目的,试验工况按照隔震和非隔震两类分别进行,激励选用了ElCentro波、Taft波和人工波(多遇Π基本烈度采用Wave,罕遇烈度采用Wave)作为振动台输入的台面激励。试验地震水准按照地震安全性评价进行模拟。隔震模型试验加载工况按照度多遇,度基本和度罕遇的顺序分个阶段进行上述试验完成后,拆除隔震层的阻尼器后进行度多遇和度罕遇烈度ElCentro波激励下的模型试验。振动台试验照片见图。试验工况按照XY或XY进行双向输入,天然波采用三向地震记录,人工波采用单向记录(或对人工波仅进行单向地震激励)。在度多遇工况中进行XYZ三向输入试验。通过振动台试验,得出以下结论:从整体上看,该航站楼结构设计基本合理,隔震效果明显,可满足“小图 地震模拟振动台试验照片 震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防水准和度的设计设防要求。 结语昆明新机场航站楼工程为超长、超大型建筑,结构复杂、工程地质条件复杂、面临严峻的地震形势,通过采取有效的技术措施,解决了结构设计中遇到的各种问题,并进行了地震模拟振动台试验验证。昆明新机场航站楼建成后,将成为世界上最大、最复杂的隔震建筑,其工程意义和科技意义深远,对其相关技术的详细介绍将在后续文章中予以介绍。参考文献唐家祥,刘再华建筑结构基础隔震M武汉:华中理工大学出版社,周福霖工程结构减震控制M北京:地震出版社,周锡元,阎维明,杨润林建筑结构的隔震、减震和振动控制J建筑结构学报,,():,(上接第页)的控制连梁、檩条与斜撑等连结构件对各榀张弦梁的竖向变形起到不同程度的约束作用,其中以靠近屋盖边缘的两榀张弦梁最为显著在整个施工过程中,预应力张弦梁的强度和稳定性均是可以保证的。()进行了两榀预应力张弦梁的施工模拟试验,试验结果表明:在预应力张拉过程中,张弦梁的跨中反拱对张拉力的增大较为敏感,预应力的张拉宜以跨中反拱作为控制指标适当地增大预应力张弦梁的矢跨比,可以有效地改善结构在施工过程中的受力性能。()试验结果和理论分析的对比表明,采用的基于ANSYS的非线性有限元分析方法可以较好地实现预应力张弦梁施工全过程的模拟。上述研究结论已成功地应用于上海源深体育馆预应力张弦梁屋盖的施工控制中。工程自年月竣工以来,使用效果良好。参考文献MASAOSAITOHStudyonmechanicalcharacteristicscomplexstructurecomposedofamembraneandabeamofalightweightstringstructureCΠΠIASSSymposiumonSpatial,Lattice,TensionStructures,:陈德伟,郑信光,项海帆混凝土斜拉桥的施工控制J土木工程学报,,():KATOS,NAKAZAWAS,MATSUEY,etalActivecontrolofaxialforcesinbeamstringspaceframesCΠΠIASSSymposiumonSpatial,Lattice,TensionStructures,:陈以一,汪大绥上海浦东国际机场候机楼R钢屋架足尺试验研究J建筑结构学报,,():陈荣毅,董石麟,吴欣之大跨度预应力张弦桁架的滑移施工J空间结构,,():刘凯,高维成,刘宗仁大跨张弦桁架新型施工工艺的理论与现场实测的研究J建筑结构学报,,():黄明鑫大型张弦梁结构的设计与施工M济南:山东科学技术出版社,郭海山,郭剑云,李盛举全国农展馆新馆m跨张弦桁架钢结构技术J建设科技,,(),薛伟辰现代预应力结构设计M北京:中国建筑工业出版社,SAITOHM,OKASAATheroleofstringinhybridstringstructureJEngineeringStructures,,():刘晟,苏旭霖,陆平,等上海源深体育馆预应力张弦梁设计计算CΠΠ首届全国建筑结构技术交流会专辑,建筑结构,,(S)

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