建筑结构丨凡尔赛！全球最美机场——深圳机场卫星厅工程钢屋盖结构设计

文/张连飞, 区 彤, 谭 坚, 林松伟, 罗赤宇

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 工程概况

深圳宝安国际机场卫星厅 位于深圳宝安区，东南临近已建深圳T3航站楼，西北临近远期T4航站楼,为超大型公共交通枢纽建筑，以满足年旅客吞吐量 2200万人次 的使用需求为目标， 助力粤港澳大湾区建设致力打造全球领先的世界级机场群 , 2023年入围了“凡尔赛建筑奖”机场类全球六强，被“凡尔赛建筑奖”授予“全球最美机场”荣誉 。卫星厅平面呈X形,占地面积约5.6万m ² ,总建筑面积约23.5万m ² ,整体外轮廓尺寸约为549m×502m。卫星厅由西南、东南、西北、东北四个指廊和中央指廊组成,四个指廊横向柱距18m,纵向柱距为40m,中央指廊最大柱距为75m。 主体结构下部采用钢筋混凝土框架结构,屋盖采用斜交拱桁架结构,其中左段中央指廊和右段中央指廊屋盖采用斜交拱桁架与三角锥网架的混合结构形式 。卫星厅实景图及建筑图如图1和图2所示。

▲ 图1   深圳机场卫星厅实景图

▲ 图2   卫星厅建筑地上各层平面图

卫星厅结构平面不规则,考虑过大温度应力的不利影响及抗震要求,通过设置6条伸缩缝(兼防震缝作用)将结构分割成7个较为规则的结构单元,中央指廊分为左段中央指廊、中段中央指廊和右段中央指廊,左段和右段平面尺寸均为145m×194m 、中段平面尺寸为94m×86m,西北指廊、东北指廊、西南指廊、东南指廊平面尺寸均约为181m×44m,屋面钢结构分缝与下部混凝土单元一致,共分为7个结构单元,如图3所示。

▲ 图3   卫星厅结构分缝图

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屋盖结构设计采用建筑结构一体化的设计理念 ^[1] ,结构布置逻辑与建筑设计逻辑一致,以建筑平面X形为基准,结合室内X形装饰效果, 屋盖结构体系采用交叉立体桁架结构方案 。指廊支撑屋盖40m跨度及75m跨度区域采用X形钢交叉桁架,桁架高度为2.5～5m,桁架之间采用H型钢次梁连接。中央指廊左段及右段三角形区域采用三角锥网架结构体系,网架跨度约72m,网架截面高度为3～5m,网架节点采用焊接空心球。钢屋盖采用万向抗震铰支座及复合阻尼支座支承在80°倾斜椭圆形变截面预应力混凝土柱上,材料采用Q355B钢材,结构布置如图4～6所示。

▲ 图4   卫星厅整体结构轴测图

▲ 图5   东南指廊屋盖布置图

▲ 图6   中央指廊屋盖布置图

屋面斜交桁架构件主要截面为 φ 114×6、 φ 219×10、 φ 351×16、 φ 402×16,中央指廊三角区网架主要杆件截面为 φ 89×5、 φ 114×6、 φ 219×10、 φ 325×12、 φ 351×16,焊接球直径为300～500mm。

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  屋盖结构分析与设计

3.1 基于建筑结构装修一体化逻辑的结构方案推演

卫星厅下部主体结构采用钢筋混凝土框架结构，屋盖结构采用钢结构，支撑屋盖柱采用铰接支座从而形成框排架体系。结构方案构思过程中需充分考虑建筑构型需求，了解建筑形体语言，结构布置逻辑与建筑设计逻辑一致，结构成就建筑之美。因此 本工程设计过程中，坚持践行建筑结构一体化的设计思路，整个方案的推演中不断向一体化设计靠拢 。

▲ 图7   卫星厅建筑室内外X型装饰效果图

3.1.1 原始方案推演

结构推演方案一：主桁架+钢梁

▲ 图8   卫星厅方案一：中央指廊和分指廊结构方案

结构推演方案二：单层斜交网

▲ 图9  卫星厅方案二：中央指廊和分指廊单层网壳结构方案

方案一结构布置简洁，拱桁架高度2~2.5m，大跨度区域控制在2.5m，传力路径明确，用钢量合理，方案是可行的；方案二结构布置简洁，结构高度0.6~1.2m，对建筑净空非常好，但是用钢量不太合理，初步估计在250kg/m ² ，结构方案是可行的但需要业主在建筑效果与经济上做权衡考虑。上述两种结构方案中，都是从结构专业本身考虑，没有过多考虑建筑构型与建筑装饰，没有达到建筑结构一体化设计的效果。

3.1.2 基于建筑结构一体化逻辑方案推演

由于 建筑方案以“X”为构型，三角梅为元素为拓展手法 ，因而结合建筑理念采用 建筑结构一体化的设计思路 ，采用X型交叉拱桁架的结构形式与建筑造型及室内装修进行呼应，同时中央指廊80m无柱空间大跨度区域采用X型交叉拱桁架+空间三角锥网架组合体系。

▲ 图10  卫星厅方案推演过程

▲ 图11  卫星厅X型交叉桁架方案

本方案中采用了 X型交叉桁架布置 ，增加桁架平面外刚度，减少次桁架布置及减少面外杆件安装。X型交叉桁架的结构布置逻辑与建筑整体X构型形体一致，与室内X型装修效果遥相呼应。X型交叉桁架方案，既能达到建筑与结构的统一，又能使斜交桁架下弦与建筑装修分割面对应，方便装修安装定位，同时简化了装修龙骨的布置及安装，避免龙骨的二次转换，降低了安装难度，节约龙骨材料及安装措施费用，更好地精准实现建筑内部装修造型效果。本方案在用钢量相对合理的基础上，充分体现了建筑结构一体化的设计理念。

3.2 支撑屋盖异形变截面缓粘结预应力混凝土斜柱等效设计

深圳机场卫星厅支撑钢屋盖共布置有132根斜柱，从三层楼板开始倾斜，倾斜角度为80度。斜柱作为大跨度钢桁架屋盖的支撑构件，其形状为“下大上小”变截面异形造型，柱顶和柱底截面分别1000×950和1500×950的异形截面。如图11所示。

▲ 图11  卫星厅异形预应力斜柱

3.2.1 设计思路

斜柱顶部受到了钢屋盖作用的竖向力H和水平力V，在恒荷载与活荷载作用下，由于斜柱造型的原因，H自然是竖直向下的，而V的主要作用方向总是水平指向幕墙外，也就是斜柱的倾斜方向，因此因为倾斜产生的柱底附加弯矩Mh=H*d和因为柱底水平剪力产生的柱底附加弯矩Mv=V*h总是方向相同的，其中d为柱顶和柱底截面形心偏心距，h为柱子高度。倾角越大，偏心距d也就越大，Mh也随之增大。同时由于考虑风荷载对倾斜柱底产生与竖向荷载相反的弯矩及施工过程中单侧预应力筋布置张拉产生的不利影响，因此在柱子倾斜方向两侧配置不同数量的纵向预应力筋，即图中的3、4号筋，受拉侧预应力筋和受压侧预应力筋面积基本按2:1确定。对柱子作用了预应力附加弯矩，与柱子倾斜产生的附加弯矩方向相反，起到了减少柱顶变形、控制结构裂缝、增大截面承载能力的作用。

▲ 图12   异形预应力斜柱配筋示意

3.2.2 等效设计方法

在受拉侧与受压侧配置不同数量的通长预应力筋，如图13所示，当受拉侧的总预拉力Fp大于受压侧Fp’时，其合力对柱子产生的附加弯矩Mp将与Mh和Mv反向，因此不对称设置预应力筋在控制裂缝的同时，也可以减少斜柱的柱顶位移，增大斜柱的承载能力。考虑异形截面无法整段计算配筋，因而采用分段等效为矩形截面验算，等效原则为弯矩方向抗弯刚度和截面面积相等的原则，计算流程如图14所示。

▲ 图13   异形预应力斜柱受力及分段示意

▲ 图14   异形预应力斜柱计算流程

3.3 结构静动力分析

3.3.1 结构计算模型

采用MIDAS/Gen、YJK、3D3S多种结构计算软件进行分析和相互校核。通过整体建模的方式进行分析计算 , MIDAS/Gen中考虑复合阻尼比计算方式,对混凝土构件阻尼比取0.05,钢构件取0.02。

3.3.2 结构静力性能分析

(1)标准荷载组合下竖向位移

以东南指廊、左段中央指廊为例,考虑恒载、活载作用,进行结构在正常使用极限状态荷载组合下的竖向挠度分析。在恒载及活载作用下,东南指廊交叉桁架跨中挠度为87mm,满足规范L1/250的变形限值,其中L1为40m柱间纵向跨度;左段中央指廊三角网架跨中挠度为169mm,满足规范L2/250的变形限值,其中L2为68m柱间纵向跨度,计算结果如图15所示。

▲ 图15  东南指廊及左段中央指廊标准荷载组合下竖向位移/mm

(2)柱顶水平位移

以东南指廊和左段中央指廊为例,考虑最不利风向角作用,进行结构在正常使用极限状态下的柱顶侧移分析。东南指廊在最不利风向角0°风向角作用下柱顶最大位移为17mm,最大层间位移角为1/396;左段中央指廊在最不利风向角320°风向角作用下柱顶最大位移为11mm,最大层间位移角为1/647,各风向角作用下层间位移角均满足不大于1/350的要求(图16)。

▲ 图16   东南指廊及左段中央指廊柱顶位移/mm

3.3.3 结构动力性能分析

(1)周期与振型

卫星厅分为7个结构单元,相对独立,因而结构计算分块进行,考虑多点多向地震计算时将各区组装成整体计算模型进行分析。限于篇幅,只列出东南指廊模型、左段中央指廊模型计算结果。

由于大跨度屋面结构刚度较柔,局部振型较多,采用Ritz向量法对整体计算模型的前90阶模态进行分析,保证振型质量参与系数不小于90%。东南指廊部分主要振型如图17所示(T ₁ =1.1353s,T ₂ =0.9957s,T ₃ =0.9221s,T ₄ =0.7847s)。左段中央指廊部分主要振型如图18所示(T ₁ =0.928 8s,T ₂ =0.903 2s,T ₃ =0.8871s,T ₇ =0.507 3s)。

▲ 图17   东南指廊结构部分振型

▲ 图18   左段中央指廊结构部分振型

通过结构分析,结构各阶振型主要特点表现为: 1 )结构频谱较为密集; 2 )前两阶振型表现为平动振型,第 3 阶振型表现为整体扭转振型; 3 )东南指廊第17阶振型、左段中央指廊第7阶振型表现为竖向振动,结构竖向频率大于1.0Hz,屋面钢结构整体竖向刚度较好。

(2)地震作用下变形分析

限于篇幅,只列出左段中央指廊模型计算结果。 X 向地震作用下柱顶最大水平相对位移为10mm,最大层间位移角为1/680; Y 向地震作用下柱顶最大水平相对位移为15mm,最大层间位移角为1/453; Z 向地震作用下屋盖最大竖向位移为10mm,各向地震作用下层间位移角及挠跨比均满足设计要求(图19)。

▲ 图19  地震作用下结构位移/mm

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结构稳定性分析

为进一步验证屋盖结构稳定的可靠性,对结构进行线性屈曲分析。以东南指廊为例,取屋盖线性稳定分析跨中最大位移点作为监控位移点,对结构在1.0恒载+1.0活载下的极限稳定承载力进行分析。

屋盖结构进行几何非线性和几何材料双非线性分析并考虑第1阶屈曲模态为初始缺陷的影响,荷载系数如图20所示,进行几何非线性分析时荷载系数为14.01,远大于4.2的要求,几何材料双非线性分析时荷载系数为3.82,大于2.0的要求,均满足规范设计的要求,可以看出由于交叉形成相互支撑作用,交叉桁架在不设置侧向次桁架的情况下桁架面外仍具有较高的稳定承载力,结构稳定承载力较高有足够的安全储备,此类结构免除了次桁架设置的需求。

▲ 图20   荷载-位移曲线

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大震弹塑性分析

采用MIDAS/Gen有限元软件进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析,地震波加速度峰值为220cm/s ^2, 沿总坐标系 X 、 Y 、 Z 三向一致输入,峰值加速度比值分别为1.0∶0.85∶0.65。结构构件的塑性损伤采用塑性铰来模拟,上部钢结构桁架弦杆设置 PMM 铰,桁架腹杆与网架设置轴力 P 铰,下部混凝土梁设置 MM 塑性铰,混凝土柱设置 PMM 铰。钢结构滞回模型采用常用的双折线模型,混凝土滞回模型采用随动强化模型。结构构件的评价从构件的塑性变形与塑性变形限制值的大小关系、关键部位构件的塑性变形等方面进行分析,本文以塑性铰的状态来描述构件的破坏状态 ^[6-7] ,塑性铰级别(延性系数 D / D 1)与破坏极限状态定性描述见表1。

以中央指廊为例进行大震动力弹塑性时程分析,计算结果表明支撑屋盖的混凝土斜柱(图21)未出现较大的损伤,塑性铰最高等级均为Level 3,作为关键构件的屋盖斜交钢桁架弦杆损伤级别均为Level 1,处于不需修复可继续使用状态。三角区网架腹杆在地震作用下受力变化敏感,网架腹杆局部进入轻微损伤状态,网架腹杆仍处于不需修理可继续使用状态,计算结果如图21所示。

▲ 图21  构件塑性铰分布

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施工模拟分

左段中央指廊与右段中央指廊屋盖结构体系为交叉桁架与三角锥网架混合结构体系,且三角锥网架结构跨度较大,网架施工受场地限制条件较多,施工方案及施工的先后顺序对施工过程中结构的稳定性及施工完毕后结构的内力和位移有较大的影响 ^[8] 。为指导现场施工,对屋盖结构进行施工模拟。

6.1 屋面钢结构施工方案

结合本项目实际场地条件,左段中央指廊采用先进行交叉桁架的分段吊装和拼接施工后再进行网架的拼装和整体提升的方案,具体安装流程为: 1 )支撑胎架及柱顶活动支座安装; 2 )安装内圈两榀倒三角桁架; 3 )安装内圈连接桁架及钢梁; 4 )安装两侧倒挑檐段桁架; 5 )安装内外圈连接桁架及钢梁; 6 )安装挑檐间桁架及联系钢梁; 7 )安装延伸桁架单元; 8 )按步骤 2 )～ 7 )安装相邻桁架结构; 9 )完成屋盖桁架结构安装; 10 )在三层和四层楼面分别拼装部分网架; 11 )三层拼装网架提升至四层并与四层拼装网架进行嵌补; 12 )在四层嵌补完成后网架整体提升至屋面设计标高; 13 )嵌补网架与周边桁架之间构件; 14 ) 卸载桁架胎架及网架提升架完成施工安装。

6.2 施工模拟结果及分析

施工模拟的关注点在施工过程中构件的内力和位移是否在正常范围,尤其是网架的整体提升过程由于提升点边界条件与原设计的边界条件不同,需复核构件的承载力及网架构件的替换。同时关注最后网架与桁架嵌补阶段,嵌补段两侧构件的内力及位移,为实际施工预起拱提供数据支撑,最后复核成形后结构是否满足正常使用阶段的受力要求。

采用MIDAS/Gen有限元软件进行施工模拟分析,施工阶段仅考虑结构自重和施工活荷载,考虑到吊装过程中的动力作用,乘以1.4放大系数。选取桁架分段相对较重的挑檐段桁架段和中间倒三角桁架分段进行计算,重量分别为15.3t和11.2t,桁架吊装施工过程中最大吊点反力分别为140kN和72kN(图22、23),构件最大应力比和位移都较小,最大应力比为0.15,吊装过程结构本身满足强度和刚度的要求。

▲ 图22   中间倒三角桁架施工验

▲ 图23   挑檐段桁架施工验算

根据施工安装方案,屋面网架采用整体提升的形式,为保证提升过程中结构安全及变形控制,需对该过程进行模拟计算,共有5个提升点,如图24所示。

▲ 图24   中间三角锥网架提升点示意

网架进行两次提升,第一次提升为三层拼装网架后提升至四层后再拼装,第二次提升为四层拼装完后整体提升至屋面标高,提升过程中提升点处最大提升反力为1 434kN,提升过程最大挠度为61mm,跨中最大挠度为43mm,提升结果见图25、26。

▲ 图25   三层拼装网架提升至四层平台施工验算

▲ 图26   四层平台拼装网架提升至屋面标高施工验算

网架施工模拟卸载后最大挠度为 61mm (图27),由于边界条件的改变,提升点处部分杆件超过应力比限值要求,需要在提升前进行换杆处理。同时对关键节点和构件进行施工模拟过程监测,可以看出卸载后部分部位的杆件内力发生变化,计算结果如图28、29所示。

▲ 图27   整体结构合拢卸载后挠度/m

▲ 图28   关键节点施工模拟位移曲线

▲ 图29   关键构件施工模拟应力曲线

综合以上施工阶段的施工模拟分析过程,各施工阶段应力和变形均在允许范围内,结构施工方案可行,由于边界条件的改变,在提升后嵌补剩余网架的过程中需考虑嵌补两端位移的不同,提升前需做好起拱的准备工作。

6.3 施工模拟与一次性加载设计对比分析

施工模拟分析的目的不仅包括施工阶段的分析,同时需验算合拢后结构的受力是否满足使用阶段各荷载工况的要求。由于施工过程中胎架支撑边界条件与结构设计的边界条件不同,从结构跨中变形挠度分布来看,整体结构合拢卸载后变形与一次性加载设计相比,网架跨中的位移增大11mm。从构件应力比分布可以看出施工模拟与一次性加载设计的结果分布也不同,计算结果如图30、31所示。

▲ 图30   设计一次性加载结构自重下挠度/mm

▲ 图31   卸载合拢后与一次性加载自重下构件应力

因而需考虑施工合拢后使用阶段各荷载工况(附加恒载、使用活载、温度荷载等)组合下结构的承载力,由卸载后使用阶段计算结果(图32)可以看出在使用阶段构件的应力水平和位移变形满足原设计要求。本工程在场地条件受限的情况下采用两次提升网架和两次嵌补构件的施工方案是可行的。

▲ 图32   卸载后使用阶段整体结构挠度与构件应力比

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节点分析与复合阻尼支座设计

结构节点为结构中的关键部位,应满足计算假定并具有足够的安全储备。左段中央指廊和右段中央指廊三角锥网架与立体桁架交接部位支座杆件交汇较多,此处采用铸钢件的形式。图33为支座节点铸钢件节点三维模型。从有限元分析结果(图34)可以看出,节点应力小于材料许可屈服强度,节点位移值也较低,满足设计要求。

▲ 图33   支座铸钢节点三维模型及网格划分

▲ 图34   支座铸钢节点应力与位移云图

由于卫星厅屋盖为超长结构,虽然设置伸缩缝,但每个分指廊结构单元长度均超过180m,对于抗震及温度作用较为不利,为达到减小温度应力、消能减震目的,采取“抗与放”相结合的设计思路 ^[9] ,在伸缩缝两侧及端头边跨柱顶设置复合阻尼支座。复合阻尼支座的布置方式为沿结构长度方向为限位滑动方式,以减小温度应力作用;沿结构短向跨度方向设置可沿支座滑动的黏滞阻尼器,以减小地震作用,复合阻尼支座布置示意如图35所示。

▲ 图35   复合阻尼支座布置示意

复合阻尼支座节点形式如图36所示,支座参数设置如下 ^[4] :沿 Y 向(结构长向)释放水平约束,可以自由滑动,允许滑动位移±50mm;在 X 向(结构短向)设有2个黏滞阻尼器,阻尼器外径为80mm,允许产生位移±120mm。单个复合阻尼支座的技术参数为:输出阻尼力200kN,阻尼系数 C 取250kN·(S/m),阻尼指数取0.3。为检验复合阻尼支座的质量和可靠性,为工程质量验收、改进制作和设计提供依据,进行了复合阻尼支座在承受极限拉剪、压剪及阻尼器的力学性能、耐久性及加载频率等相关性能的力学试验 ^[10] ,试验结果表明复合阻尼支座具有良好的可靠性,满足设计要求。

▲ 图36   复合阻尼支座

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 结论

(1)深圳机场卫星厅工程屋盖结构在选型上基于建筑结构一体化设计思路，从建筑整体构型入手，将建筑构型、建筑装修与结构体系融为一体,实现了结构成就建筑之美的理念。

(2)对结构体系进行各项受力性能分析并对关键节点进行有限元分析，计算结果满足预设性能目标，结构安全可靠,交叉立体桁架作为屋盖结构平面内的天然稳定支撑，结构稳定承载力较高，此类结构可以减少次桁架设置的需求。

(3)根据现场施工方案,对左段中央指廊和右段中央指廊的交叉立体桁架与三角锥网架这种混合结构体系进行了施工模拟,施工模拟过程在进行施工阶段的验算同时,还进行卸载合拢后的使用阶段验算,通过与原设计的一次性加载设计对比,结果表明在场地施工受限的情况下采用两次提升并拼装的施工方案是可行的,结构变形与内力满足设计要求。

参考文献

项目信息

项目名称 ： 深圳宝安国际机场卫星厅

业主 ： 深圳市机场（集团）有限公司

设计单位 ： 广东省建筑设计研究院有限公司

合作单位： Aedas，兰德隆与布朗（美国）

建筑设计： 陈雄，周昶，罗志伟，陈艺然，林建康，李琦真，黄亦彬，李滔，伍思迪，吴杰明，赵一飞

结构设计： 区彤、谭坚、罗赤宇、张连飞、戴朋森、张艳辉、林松伟、石煦阳、李文生、鲁恒

电气设计： 黄日带，李村晓，曾祥，汤志标，邝伟民，陈坚荣，郭永杰，罗程，郭鹏飞

暖通设计： 何花，郭林文，许杰，何宝宏，张翔，屈永强，廖捷，郑瑞，向宇，邹永胜

给排水设计： 梁景晖，赖振贵，戴力，李东海，钟可华，曹杰，张爱洵，刘雅琴

建筑面积： 23.5万m ²

项目设计时间： 2016年5月—2018年7月

项目状态： 已运营