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李桢章伍国华
(广东省建筑设计争辩院,广州510010)
,楼盖为预应里混凝土构造,,也是中国目前规模最大的相贯焊接空心管构造工程,其中16米~37米搞的三角形变截面人字形柱、12米及14米跨度的屋面箱形压型钢板是首次在中国应用。
关键词岩溶地区预应力混凝土相贯焊缝钢管桁架 人字形柱 压型钢板一、总述
广州白云国际机场是国家重点工程,首期建设规模为年旅客吞吐量2500万人次,航站楼首期工程的建筑面积约35万M2。,根本设防烈度为6度,抗震措施设防烈度为7度。航站楼建设方案及初步设计由美国PARSONS公司和URSGreiner公司设计,:主楼、东西共两栋连接楼、东西共四条指廊、东西共四条高架连廊,航站楼总平面图见图1。
二、根底工程概况
1、根底工程概况
广州白云国际机场位于广州市白云去人和镇与花都区花东镇之间,距广州市中心海珠广场的直线距离为28千米,地处珠江三角洲北部,为亚热带复盖型岩溶地区,水文地质条件极为简单。混凝土楼盖的柱网为18M×18M,,单柱的最大轴力约25000KN。在设计阶段完成了1052个地质勘察钻探孔,在施工阶段完成了3146个超前钻探孔及施工检验孔依据地质资料提醒自上而下的土〔岩〕层为:〔1〕松散杂填土、耕土;〔2〕可塑粉质粘土;〔3〕松散粗沙;〔4〕可塑――软塑粉质粘土;〔5〕松散砾砂;〔6〕软塑――流塑粉质粘土;〔7〕灰岩。约有1/4的钻孔觉察有土洞、溶洞或溶沟、溶槽越深,软土积存约厚。场区内最高
的土洞高29米,最高的溶洞高22米,基岩的埋深为15~60米,大局部基岩的埋深为25~35米,基岩为微风化石灰岩,岩石单轴饱和和抗压强度为26~178Mpa。石灰岩岩溶发育,石芽、石柱、石墩、溶沟、溶槽、溶洞、落水洞等纵横穿插,布满全区,岩石面之上,分布着能形成土洞的软一流塑形软土。地下水主要为上部砂层的孔隙水和基岩裂隙水,富水性中等,两含水层之间有众多的水力联系。地基条件存在多方面影响根底稳定性的因素。
2、浅根底的可行性及摩擦桩试验
初步设计时鼓励多种根底方案选择,分别是自然低级浅根底、中等深度摩擦桩根底以及端承桩深根底。自然低级的根底持力层为软土层,这些脆弱土层的强度低,厚度大,工程性质差,需要对土层进展广泛的加固,并需探明根底持力层范围内的土洞、溶洞及溶沟槽,再对这些岩溶进展填充加固。摩擦桩的根底持力层也是在较软土层,为了检验各种摩擦桩的承载力,先后进展了多种摩擦桩的静载荷破坏试验。图2A是有钢桩靴的Φ500预应力管桩,用35#柴油锤锤击沉桩,桩长14米,桩底以下4米有土洞,桩端持力层为可塑粉质粘土,1#试桩单桩竖向抗压极限承载力为300KN,#试桩,距离1#试桩2米处用35#柴油锤打下一根没有桩靴的开口Φ500预应力管桩,桩长同样为14米,沉桩后在桩端压入约
#试桩的单桩竖向抗压极限承载力为900KN,破坏荷载为1023KN。
图3是桩侧压浆的6桩承台,同样为14米桩长的Φ500预应力管桩,用35#柴油锤沉桩,6桩承台一共压入14m3水泥浆静载试验过程中沉降均匀,,6桩承台的竖向极限承载力≥15000KN。
综合这些试验,我们认为:在石灰岩岩溶地区,摩擦桩是一种可行的根底形式,一般的摩擦桩承载力低,不经济摩擦桩可用后压水泥浆加固,单桩宜用桩底压浆,多桩承台用桩侧压浆的效果很好。为了防止沉桩过程土洞倒塌及验证桩的承载力,沉桩机械宜承受静压桩机。承受自然地基或摩擦桩根底的主要缺点是地基的长期稳定性差,假设四周发生长期的大规模取水,或者深层抽水,势必转变场区的水文地质状况,影响浅根底的安全于稳定。
3、嵌岩桩设计
嵌岩端承桩是穿过土洞、溶洞及溶沟槽,桩嵌入微风化岩层。嵌岩桩的主要优点是:桩嵌入微风化岩层,受力牢靠,沉降小,受其他因素影响小。场地微风化岩层埋深一般为30米左右,岩层埋藏不深对嵌岩桩的施工有利场区内岩溶大局部是岩溶裂缝以及高度小于1米的溶洞,连同的大溶洞不多,施工嵌岩混凝土灌注桩是可行的。航站楼的主体构造打算承受嵌岩端承桩。在本工程,灌注桩的混凝土浇注并无太大问题,主要的困难是如何确定桩终孔标高及如何穿越土洞、溶洞、溶沟槽。桩终孔标高由地质勘察孔、超前钻孔以及施工验孔打算。Φ1400桩每桩做3孔超前钻,Φ1200及Φ1000桩每桩做2孔超前钻,Φ800及Φ600桩每桩做1孔超前钻或利用原有的地质勘察孔,超前钻入岩6~9米,以确保桩底完全基岩厚度≥3d,假设超前钻于是时的实际状况有较大差异,则在桩施工时再做验孔检查。当灌注桩穿越土洞时,可抛填泥块或袋袋粘土填充土洞。当桩患病溶洞或溶沟槽时,在抛填泥块的同时掺
抛片石填充溶洞,假设土洞或溶洞的高度较大,可承受钢护筒。钢护筒造价高,要求施工准确在实际中应用不多。假设岩面倾斜,可反复修孔、订正无效再用抛填掺石块或片石的粘土处理。如遇塌孔,回填粘土,加大泥浆比重,反复冲击造壁后,连续冲孔。桩孔四周常备200M3以上的泥浆及50M3以上的粘土泥块、石块、片石,松散粘土用袋装好,以备应急救险使用。嵌岩桩全截面入岩1米,无遇到岩溶时,一根Φ1200桩工期约为10天,其中入岩段需要3~4天,遇到岩溶或岩面倾斜,一根桩的工期约为一个月,遇到简单的岩溶,一根桩相对浅根底来说。深根底的工期长,施工困难。除施工缘由外,影响嵌岩桩质量的不利因素是:
桩端持力层范围内假设存在洞顶厚度不大,又未被觉察的小溶洞,会对桩根底的安全构成潜在的威逼。
桩端持力层范围内的岩溶裂缝发育,岩石裂开,降低了持力层的岩石质量。
场区内存在溶沟、溶槽、石柱、石墩、落水洞的边壁,这些边壁的高度一般为
10~20米,有的在桩侧形成临空面,影响桩的稳定性。
我们响应的设计措施是:〔1〕把握嵌岩桩的轴力本工程嵌岩桩的实际受力约为桩承载力的70%。由于场地内竖向发育的溶蚀裂隙分布简单,尽管进展了屡次工程勘察,桩基施工中又实行了多项有效措施,但仍有溶蚀裂隙和细小溶洞未被觉察,在桩基抽芯检测时又被揭露。航站楼主楼冲孔灌注桩的抽芯率到达13%,抽芯的桩有4%觉察有溶蚀裂隙,岩芯呈半边溶蚀或者裂隙中可见溶痕、溶蚀或者裂隙中可见溶痕、溶蚀现象,在肯定程度上破坏了岩体完整性,使其整体的力学强度降低。溶洞、溶蚀裂隙中有流淌的地下水,溶蚀作用将使溶洞、裂隙的规模扩大,岩体进一步受损害。据推算,在100年内,石灰岩的溶洞、溶蚀裂隙将在现有的规模上扩大约30~60MM,虽然此时溶洞、溶蚀裂隙侧壁的岩体不会因桩端施压而破坏,但其整体力学强度有所降低。对这些在抽芯中觉察的桩底持力层有缺陷的桩都做了静载试压,静载试压合格周再加压注浆补强。考虑到种种的不利因素,桩的承载力留有较大富有量是必要的。〔2〕按建筑物的重要性及柱轴力的大小,我们承受了不同根底形式。主楼的屋盖构造是76米跨度的空间桁架,地面以下有一层或而层地下室〔地铁站〕,主楼柱的最大轴力为25000KN,主楼承受的是嵌岩桩--
,承受后张有粘结预应力混凝土构造,底下室的挡土构造为钢筋混凝土地下连续墙。航站楼的两翼,包括动西连接楼及东西指廊,屋盖为24~35米跨度的钢桁架,楼盖为18米及12米柱网的混凝土构造,无地下室,最大轴力的柱为15000KN,承受嵌岩桩根底。航站楼的地面比原土面搞2~3米,地面构造地下通道构造承受静压管桩根底。桩--筏根底的安全等级最好,嵌岩桩根底次之,摩擦桩的安全等级较低〔3〕非桩--筏根底的嵌岩桩,假设觉察桩侧形成较高的临空面,桩侧注浆,提高桩的稳定性。
4、航站楼桩根底工程简介
主楼最大的箱形柱截面为2500×4500mm,轴力为2500KN,柱下布置4根嵌岩桩,其余柱分别为单柱及双柱。两翼连接楼中柱的轴力为15000KN,为3根嵌岩桩的根底,其余柱为单桩及双桩根底,指廊柱为单桩及双桩根底嵌岩桩曾考虑过承受带
钢护筒及硬合金钻头的干式成孔钻孔桩,后因国内这类桩机的数量太少而改为湿式成孔泥浆护壁反循环冲孔灌注桩。航站楼工程冲孔数量约为2022根,桩混凝土量约为4万M3;静压管桩数量约3000根,两类桩的总长度为140千米,平均每根桩长度为28米,Φ1200桩承载力为10000KN实际应用时约为7000KN。静压管桩的承载力为600~1000KN。~,共约10个月。本工程岩面最陡的一根桩Φ1400冲孔桩一侧入岩21米,另一侧入岩1米,岩面倾角为86o。施工最困难的一根桩,耗时96天施工时冲锤被溶洞卡死,钢丝绳拉断,不得已的状况下派潜水员下桩底放炸药爆破,屡次作业后才将冲锤取出。相对桩来说,地下连续墙的施工要顺当得多,地下连续墙的主要功能是挡土及挡水,连续墙也承重及抗浮,连续墙入微风化石灰岩500MM,无对墙底岩体完整性提出要求,连续墙围封后,降水顺当,效果很好。
5、航站楼桩根底工程检测简介
桩根底的质量检测分别为静载试验、抽芯、动测、超声波检测、桩混凝土试压等5
种。
主楼冲孔桩共447根,静压管桩共681根。静载试压共进展4根,%,4根静载试验桩的承载力全部合格。抽芯桩59根,占冲孔桩总数的13%,抽芯桩的桩身混凝土全部合格。冲孔桩动测351根,%,检测桩全部合格。%。超声波检测38根,%,%。桩混凝土试压447组,全部合格,%Mpa。主楼冲孔桩的检测率为100%,每一根桩都经过静载、或者抽芯、或者动测、或者超声波检测。静压桩动测76根,%全部合格,%。两翼桩的检测密度少于主楼,检测全部合格。从检测结果看,桩的质量良好。
三、混凝土构造设计
1、混凝土构造工程概况
主航站楼长325M,宽235M,地下局部2层,柱网18M×18M,建筑面积约14万M2,地下局部地下局部不分缝,混凝土构造的最大长度325M,地面以上用三道伸缩缝把主楼混凝土平面分成6个构造单元,混凝土构造的最大长度为96M。东西连接楼每翼各位450M×62M,地上3层,柱网18M×18M,两翼连接楼的总建筑面积约12万M2,每翼用三道伸缩缝把混凝土平面分成4个构造单元,每个构造单元的长度为108M。东一西一指廊每翼约 360M×34M,东二西二指廊每翼约252M×34M,地上三层,柱网12M×12M,指廊的总建筑面积约9万M2。东一西一指廊用三道伸缩缝把混凝土平面分成4个构造单元长度为84M。主楼剖面图见图4
连接楼剖面图见图 5,指廊剖面图见图 6。~,~。航站楼混凝土构造的特点是构造单元长、柱网大。主框架梁的高度为1M,宽度分别为2M、、,为宽扁梁构造。,体积约9000M3,,每块的体积约13000M3,为大体积混凝土板。
在航站楼的混凝土构造中,我们全部承受了后张局部预应力混凝土构造,其中框架梁承受有粘结预应力混凝土结构,次梁承受无粘结预应力混凝土构造,楼板承受钢筋混凝土构造,主楼的根底筏板承受有粘结预应力混凝土平板构造,主楼及连接楼框架梁为沿平面加腋的宽扁梁构造,主楼及连接楼的混凝土框架及不承受水平力的框架结构。混凝土强度等级为C40,预应力筋承受低松弛高强度钢绞线,强度等级为1860Mpa。
2、后张有粘结与无粘结预应力混凝土构造
本设计在框架梁中承受了用了有粘结预应力混凝土构造〔BPCS〕,次梁承受了无粘
结预应力混凝土构造〔UPCS〕。目前,现浇预应力混凝土构造一般承受后张法,后张预应力施工分为有粘结及无粘结两种。BPCS靠灌浆实现有粘结,UPCS靠端锚建立预应力。有粘结筋的最大应力消灭在最大弯矩截面处,破坏时临界截面有粘结筋的应力。有粘结筋的应力格外接近钢筋的界限强度FPU,无粘结筋的应力沿全长几乎相等,构件破坏时,无粘结筋的英里总是低于条件屈服点FP,,预应力钢筋应力随荷载变化曲线见图7。由于无粘结筋的应力沿全长几乎保持一样,预应力钢筋的非弹性性能即构件的能量消散不能得到充分发挥,限制了UPCS在地震区矿家构造中的应用。有粘结预应力构造的极限强度高,抗震性能该,使用于框架
梁。本工程框架梁的预应力度λ=≤0。.无7粘结预应力构造施工简洁,适合数量多、
吨位不大的次梁。次梁不需要抵抗地震力,可以承受无粘结预应力构造。混凝土楼盖采用不同的预应力构造,充分发挥了有粘结构造及无粘结构造的优点。
3、单向板体系楼盖
本工程混凝土楼盖承受单向板构造。单向板方案承受18M跨度的次梁,次梁的间距为3M,沿构造单元的长向布置,利用次梁的预应力筋抵抗超长混凝土的伸缩应力。由于只有一个方向有次梁,次梁中的预应力值较大,可以有效的解决超长混凝土构造的抗裂度,主框架梁承受的是宽扁梁,一个方向的宽扁梁的梁柱接点形式比较简洁。方案设计时亦考虑过承受井字楼盖的双向板方案,双向板方案的优点是利用了两个的框架梁受力,框架梁的负担小,楼盖的两个方向都有预应力,提高了楼盖的抗裂性能。缺点是两个方面的宽扁梁节点受力简单,节点的用钢量多;沿构造单元长向的次梁需多配预应力筋以抵抗超长混凝土的伸缩应力。用钢量较单向板方案多,施工也较单向板方案简单。最终承受的是单向板方案,主框架梁截面为2022×1000MM在支座处梁宽加腋至2500×1000M或3000×1000MM,与次梁平行的框架梁为500×1000MM,次梁为300×1000MM,楼板厚120MM。
4、不承受水平力的混凝土框架梁构造
不承受水平力的混凝土框架最适合承受后张预应力混凝土构造。后张预应力混凝土梁通常将预应力筋布置成抛物线外形,这样的力筋最适合承受竖向均布荷载。由于正反方向的水平荷载会产生支座处的正负弯矩,因此抛物线外形的力筋不适合承受水平力,一般是用抛物线外形的预应力筋抵抗竖向荷载,用直线外形的上下非预应力筋抵抗水平力。在框架构造中,非预应力筋占总用钢量70%以上,假设框架不受水平力,这个构造的非预应力钢筋的用量可以降至最低力的有粘结预应力框架的用钢量格外低,有的梁甚至不配纵向非预应力钢筋,广州机场地处抗震烈度6度毒,设计中不计算地震力;风荷载是通过玻璃木强系统的桁架传至屋盖钢桁架的下弦,再传至2500×4500MM的超级混凝土箱形柱,箱形柱壁厚为500,超级混凝土箱形柱与混凝土楼盖脱离,使混凝土楼盖不承受水平力,而检举为3M的次梁集中重使垂直荷载近似于均布荷载,非常适合承受抛物线外形的手张预应、力筋,这种不承受水平力的混凝土框架构造的设计,使大跨度的混凝土框架的用钢量降至最低。
5、梁柱节点
本工程混凝土构造承受了三种梁柱节点形式,分别是:
梁柱同宽节点及柱比梁宽节点;
大局部钢绞线及纵向钢筋通过柱的宽扁梁节点;
大局部钢绞线及纵向钢筋在柱外通过的宽扁梁节点。
第〔1〕种节点梁的纵向钢筋全部通过柱,是一种传统的框架梁柱节点,受力牢靠,抗震性能好,构造简单,用钢量少。第〔2〕种节点柱载面为Φ1200,沿次梁平行方向的框架梁截面为500×1000MM,宽扁梁60%以上的钢绞线及纵向钢筋通过柱。第〔3〕种节点柱截面为Φ1200,沿次梁平行方向的框架梁截面为500×1000MM,主框架跨中截面为2022×1000MM,支座处加宽至2500×1000MM 及3000×1000MM,约40%以上的钢绞线及纵向钢筋通过柱。节点分为内外核心区,共同受力传递平衡梁柱节点弯矩。宽扁梁设计的关键是:〔A〕、内外核心区能否共同工作;〔B〕、外核心区的抗扭承载力。宽扁梁节点构造如图8。由于大局部的纵向钢筋在柱的外侧通为了削减对抗震性能不利的影响,主楼的梁柱节点处加了柱帽。
四、钢构造设计
1、钢构造工程概况
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,以期取得修长轻松的建筑效果。,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,由于主楼脊骨构造〔spinestructure〕的两侧是刚度及约束都较小的人字形铰接柱,在脊骨构造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,在根底处的截面为2500MM×4500MM,刚接于根底,承受全部水平力。主楼的屋盖为近似的几何球形,。主楼承受三角形钢管桁架构造,,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。,弦杆为508×16~25MM,腹杆为Φ245×~12MM。。主桁架之间的屋面构造是14M跨度的箱形压型钢板,主楼屋盖共设置了二道伸缩缝,伸缩缝承受悬挑结构,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构造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构造。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3Φ245×12~16MM,腹杆为Φ127×6~12MM,,上弦杆的间距为3M。主桁架一端落地,另一端支承在由3Φ168×,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,局部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。
,。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。与主楼一样,屋盖伸缩缝承受悬挑结构,在伸缩处悬挑6m指廊屋盖钢桁架承受方钢管平面桁架,主桁架跨度24m,支承于钢筋混凝土柱子上,。混凝土柱的高度为 ~。,弦杆为口250X12~16mm,腹杆为口160~180X6~8mm,
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构造,连接主航站楼和连接楼。高架连廊的宽度为 13~16m,跨度为54m,~,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,对抗水平力格外不利,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、屋盖的构造分析与荷载
大跨度的屋盖自重较轻,本工程为6度设防,构造分析中不考虑地震作用,屋盖的最主要荷载是风荷载。风荷载按中国标准取值,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构造动力计算得到。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。依据风洞试验结果,中心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,悬挑局部的负风压是主桁架的把握荷载之一,近似的球形屋面使四个角的负风压最小。
构造的整体计算承受美国构造分析与设计程序STAAD,并用同济大学空间钢构造计算程序3D3S及美国MARC公司大型通用有限元程序Marc进展验算比较,节点有限元分析及人字形柱的有限元分析承受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、腹杆承受柱单元〔考虑轴向、弯曲、剪切和扭转变形〕,宽翼缘工字钢及角钢承受梁单元〔只考虑弯曲和剪切变形〕,屋面板及人字形柱上钢板承受薄壳单元〔只考虑拉伸和剪切变形〕。承载力量的验算满足中国标准及美国标准的要求。
广州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。、、〔曹俊杰〕著《空心管构造连接设计指南》〔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〕弦杆外表塑性失效;杆外表冲剪失效;〔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〕受拉腹杆反面弦杆外表局部屈曲。承载力的计算应当保证节点不出现上述各种失效模式。