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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,。~。,弦杆为口250X12~16mm,腹杆为口160~180X6~8mm,。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。
本工程相贯节点主要的构造措施是圆管承受间隙接头,方管承受搭接接头。承受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,假设腹杆搭接,被搭接腹杆相接于弦杆的趾部为隐蔽区不能焊接,因此圆管节点应避开全搭接接头,圆管节点也应尽量避开承受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。固然,方管及矩形管也可以承受间隙接头,这时施工较为简洁。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,避开了双K节点的腹杆搭接。高架连廊及指廊的方管KT节点腹杆有局部搭接,施工时先焊承受力较大的斜腹杆,斜腹杆与弦杆相交处为全周焊缝,然后再焊承受力较小的直腹杆,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缺乏,我们分别承受了:〔1〕在弦杆外焊加强板,施工简洁,可用于受拉或受压弦杆,但影响外观;〔2〕在弦杆内加穿心板,施工简单,不影响外观,可用于受拉或受压弦杆;
〔30用混凝土填充节点,施工简单,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
人字形柱是由3根圆钢管组砀三角形变截面格构式组合柱。柱的两端钢管相贯连接,在柱的中部3根钢管换汤不换药成三角形格构式柱,其三角形纵使截面设计成沿长度线性变化,各柱的变化斜率一样,柱的外形呈两头小中间大的榄核形,3根圆钢管由厚度30mm的钢缀板连接。人字形柱的准确计算很困难,柱的两端钢管截面相贯,截面减弱大,人字形柱是倾斜设置的,自重造成的初始偏心自然存在,人字形柱的长细比一般比较大,加上制作误差等因素,初始偏心对长柱的影响较大。我们请清华大学构造工程争辩所对主楼19m、23m、29m三根人字形柱用弹塑性大挠度有限元法Ansys程序分别按无初始偏心及按L/500初始偏心进展计算,并进行足尺模型破坏试验,其结果如下:
5、273X16mm人字形柱极限承载力
柱长〔m〕柱中截面处管中距〔mm〕荷载设计值〔KN〕不考虑初始偏心的极限承载力计算值〔KN〕考虑
L/500初始偏心极限承载力计算值〔KN〕足尺试验的极限承载力〔KN〕足尺试验时制作误差试验与L/500
初始偏心计算值的差值
11351344529037403820L/%
8301984594050705300L/%
6542979652064006300L/%
初步结论是:
初始偏心对短柱的影响小,对长柱的影响大,柱的承载力由整体稳定性把握;
不同长度的柱,其破坏形式相像,。柱子两端相贯截面减弱不起把握作用,超过弹性极限后,截面减弱加速承受柱荷载――位移曲线的非线性将就,最终破坏为屈折破坏;
按L/500初始偏心计算结果与试验结果吻合;
增大人字形柱的钢管中距对改善整体稳定有利,增加横隔板对改善局部稳定有利,增大钢管的外径或壁厚对改善柱子的整体稳定及局部稳定有利;
可以考虑依据荷载――位移曲线,取柱的弹性极限承载力为柱承载力设计值。6、屋面箱形压型钢板的应用与试验
钢板为Q235C镀锌钢板,、、.、。这种箱形压型钢板是冷弯薄壁构造,首次在我国制造及应用。压型钢板分上下两种轧制成型,再焊成箱形,在箱形空腔内加保温吸音材料,亦可按需要在空腔内加型钢。压型钢板的下外表按声学要求开孔,孔径3mm。开孔率约8%,孔壁复涂冷镀锌防腐。这种压型钢板集构造承重、屋盖支撑、建筑吸音、吊顶装饰等功能于一身,外观简洁美观,是目前跨度最大的屋面压型钢板。跨度14m的压型钢板在同济大学做了3组共9个试件的荷载破坏试验,跨度12m的压型钢板在天津大学做了2组共6个试件的荷载破坏试验,试验结果台下:
组合压型钢板荷载试验
跨度〔m〕板厚〔mm〕换算极限均布荷载〔KN/m2〕挠度为L/200时换算极限均布荷载〔KN/m2〕
14
14
12
结论为:
组合压型钢板的破坏形式为跨中上翼缘受压换稳破坏,破坏前刚度呈线性减小,变形增大,破坏时腹板两侧鼓出,最终换稳破坏。
箱形压型钢板的承载力及刚度均超过设计要求,是一种承载力高、刚度大的屋面大跨度构造。
破坏时腹板的剪应力及剪应变都比较小,与破坏无关。
上下板之间的电阻点焊抗剪强度满足要求,压型钢板屈服前无焊点断裂,屈服后仅微小焊点因板边变形过大而拉开。
试验结果的离散性很小,一组三个试件最大值与最小值相关不超过2%,压型钢板的质量均匀,试验牢靠。
6、材料与用钢量
〔未包玻璃幕墙桁架,未包屋面板、未包损耗,
〕,,屋面板用钢量约5500吨,整修航站楼钢构造平均用钢量约127kg/m2屋面板用钢量约为33kg/m2,二者合计约160kg/m2。其中主楼钢构造用量为135kg/m2〔包括钢柱〕,连接楼为120kg/m2〔包括钢柱〕,
指廊为85kg/m2〔包括登机桥固定端连接口的竖向构造系统〕,每条高架连廊用钢量约为900
吨。,圆钢管的用量约8千吨,方钢管用量约6千吨,轧制及焊接的
型钢约5千吨,钢板及螺栓、拉索等约2千吨。广州机场的钢材承受国际招标的方式选购,钢管及型钢主要为进口钢材。钢管承受欧洲标准EN10210的S355J2H热成型高频电焊管,原产国英国。热轧及焊接型钢承受美国标准ASTMA36钢及A572Grade50钢,原产国英国、卢森堡、日本。屋面板承受中国标准Q235C镀锌钢板,原产地上海及台湾。有局部钢管及钢板承受国产Q345B钢。
钢管承受焊接收的主要优点是:〔1〕比无缝管廉价。〔2〕焊管由50米长的钢板卷制而成,可按需要切割成各种长度尺寸,损耗少。无缝的长度一般为12米,切割成各种需要的长度时损耗较大。承受热成型方管的主要优点是:〔10热成型钢管的剩余应力较小,在受压时的
强度比冷成型管要高8%~10%。〔2〕热成型方管转角部位的弧度,对相贯焊缝的加工较简洁。
〔3〕热成型方管的截面面积及抵抗矩比冷成型方管略大。7、焊接
本工程焊接计算及要求参与了美国标准ANSI/:2022《钢构造焊接标准》。钢管拼接为全熔透对接焊缝,焊缝质量等级一级。钢管相贯焊缝承受全熔透坡口焊缝,焊缝质量等级为二级,允许局部的未熔透缺陷,允许的未熔透缺陷按《焊接球节点钢网架焊缝超声波探伤及质量分级法》〔JG/-1996〕进行超声波探测。斜腹杆小于750的趾部区的相贯焊缝为局部熔透坡口焊缝,焊缝质量等级为三级。钢管焊接承受手工电弧焊,平板件焊接承受CO2气体保护焊。
高架连廊的16根1078X461X70X125mm焊接H型钢,钢材为美标A572Grade50钢,厚度方向要求为Z25级,为了防止厚钢板由于焊接而导致的层状撕裂,削减焊接变形,主要实行了:〔1〕厚钢板的对接承受双U型坡口埋弧自动焊,厚钢板的对接只允许长度方向对接。焊前预热至1500C,焊后后热,后热温度由试验确定。〔厚钢板的T型焊接为带钝边的双面丁型坡口全熔透焊缝,焊缝质量等级为一级。焊缝承受埋弧自动焊,焊前预热至1500C,多道多层焊接,每焊完t/6厚度焊缝后,翻身焊另一侧反面焊缝,循环反复,直至焊至要求的焊缝高度,焊后进展后热及保温处理。
~,上下压型钢板之间的连接为间距50mm的电阻点焊,压型钢板与6mm厚的封土板焊接为熔化极气体保护焊,压型钢板的现场安装为手工电弧焊。
8、涂装设计
防腐设计的年限是30年,依据室内外不同环境,承受不同的防腐涂装。室外钢构造的防腐涂装配套是:→电弧喷铝150μm→环氧树脂封闭漆30μm→环氧云铁中间漆100μm→丙烯酸聚胺脂面漆60μm。室内钢构造防腐涂装配套是:→无机富锌底漆80μm→环氧树脂封漆30μm→环氧云铁中间漆100μm→丙烯酸聚胺脂面漆60μm。室内钢构造在离混凝土楼盖或地面8m以内作防火保护,耐火极限2小时,超薄型防火涂料的厚度为2mm.
9、吊装
主楼承受胎架分级滑移就位法,南北桁架就位后再拼装。楼承受半榀桁架吊机吊装,现场高空拼接。指廊承受整榀桁架吊机吊装。高架连廊承受下部桁架吊机吊装,上部桁架分单元现场拼装。航站楼的钢构造制作及吊装工期为2022年2月-2022年9月、
五、结语
广州机场是中国目前在岩溶地区兴建的规模最大的民用公共建筑,我们在所做的磨擦桩试验是一组很完整的试验,可为争辩者参考,航站楼混凝土框架构造为预应力构造及宽扁梁构造,本工程承受的不承受水平力的大跨度预应力混凝土构造,是比较独特的设计构思。广州
航站楼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米高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。广州市机场航站楼的建设规模大,科技含量高,其设计及施工阅历可为类似工程供给有益的参考及借鉴。