[分享]航站楼的预应力单索幕墙设计案例分析

时间: 2020-07-30 18:18 阅读: 次大中小

　　一.工程概况

　　1.整体工程概况

　　重庆江北国际机场新建T2A航站楼及交通换乘中心位于重庆江北国际机场内，在现有航站楼(T2B)南侧，建筑面积约84000㎡，层数为三层半(其中主楼设有8000㎡的地下室)，在新老航站楼主楼之间设联廊，该联廊一二层为综合交通换乘中心、三层为新老航站楼主楼之间的连接廊，联廊层数为三层，建筑面积9000平方米;整个建筑基础为独立柱基础(部分为人工挖孔柱基础)，结构上除屋盖为大型钢结构屋盖外，其余均为钢筋砼框架结构(图1)。

图1 新建T2A航站楼及交通换乘中心鸟瞰效果

　　新建T2A航站楼主楼部分建筑平面为90米×180米长方形，地下一层,地上两层,局部夹层三层,建筑标高7.500米以下为混凝土框架结构,建筑标高7.500米以上为大跨度空间钢结构，建筑最高点约30.7米。屋面钢结构采用四角支撑钢柱每36米均匀布置;两侧山墙部分屋面钢结构采用单钢管支撑钢柱沿建筑轴线每9米均匀布置。正立面(陆侧部分)的外墙檐口呈波浪形，最低点为24.175米,最高点为28.874米;背立面(空侧部分)的外墙檐口也呈波浪形，最低点为20.411米，最高点为26.852米;两侧山墙顶端为一光滑曲线，最低点为23.072米，最高点为30.608米(如图2)。

图2 新建T2A航站楼立面效果

　　2.幕墙工程概况

　　重庆江北国际机场新建T2A航站楼及交通换乘中心幕墙工程包括主楼、连廊、指廊、交通换乘中心及登机桥固定端的所有建筑外装饰幕墙工程，其中以不锈钢点驳接平面单拉索玻璃幕墙、铝合金玻璃幕墙、铝板及蜂窝铝板幕墙和石材幕墙为主，其它幕墙类型为辅，幕墙总面积约5.0万平方米。航站楼幕墙系统主要由铝合金窗、全玻璃幕墙、单索点式玻璃幕墙、铝板幕墙、铝合金金属百叶、石材幕墙等组成。其中航站楼建筑标高7.500以上陆侧、空侧及两侧山墙大面积采用单索点式玻璃幕墙，幕墙面积约8500平方米(图3)。航站楼单索幕墙由北京江河幕墙股份有限公司负责施工，江苏合发集团有限责任公司为施工图设计和施工阶段的顾问单位。

图3 航站楼陆侧室内外效果

　　二.设计荷载取值

　　1.一般自然条件

　　a.气温：常年绝对最高气温为45℃,常年绝对最低气温为-2.8℃;最热月的相对温度平均值为35℃;

　　b.平均年降水量：1210.9mm;暴雨量：最大降雨量220.0mm，持续时间为24小时;

　　c.最大风速：1989～1999年2分钟平均最大风速25米/秒，出现时间为1991年6月24日18：55;

　　d.建筑耐火等级:Ⅰ级;

　　e.场地类别：Ⅱ类。

　　2.设计荷载条件

　　a.屋面活载;0.3KN/㎡;

　　b.屋面检修荷载：0.60KN/㎡;

　　c.基本风压：0.40KN/㎡(n=50);

　　d.悬挂荷载：主楼0.3KN/㎡;指廊0.8KN/㎡;连廊0.8KN/㎡;

　　e.屋面系统荷载：檩条、面板、保温材料自重：0.45KN/㎡。

　　3.屋面、墙体保温设计四季参数

　　3.1室外设计参数

　　a.夏季空调干球温度：36.5℃,夏季空调湿球温度：27.3℃,夏季通风温度：33.0℃,冬季空调干球温度2.0℃,空调相对湿度：82%;

　　b.冬季通风温度：7℃,夏季室外风速：1.4m/s,冬季室外风速：1.2m/s;

　　c.设计地震分组：第一组,按 7度采取抗震措施，根据《建筑工程抗震设防分类标准(GB50223-2008)》，为重点设防类建筑，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施。

　　时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值取为： 18cm/s2(Gal)，标准反应谱法(水平地震影响系数最大值αmax)取为：0.04。

　　3.2室内设计参数

　　3.2.1出港大厅

　　a.夏季温度：24～26℃,冬季温度：20～22℃;

　　b.夏季相对湿度：50～70%,冬季相对湿度：≥35%。

　　3.2.2到港大厅

　　a.夏季温度：24～26℃,冬季温度：20～22℃;

　　b.夏季相对湿度：50～70%,冬季相对湿度：≥35%。

　　4.特别说明

　　a.钢结构：相对挠度L/250(L=跨度);

　　b.绝对挠度：20mm(L≤4500mm)，30mm(L>4500mm);

　　c.铝型材：相对挠度L/180(L=跨度);

　　d.绝对挠度：20mm(L≤4500mm)，30mm(L>4500mm);

　　e.在自重标准值的作用下，水平受力构件在单块面板两端跨距内得最大挠度不应超过该面板两端跨距得1/500，且不应超过3mm;

　　f.预应力拉索幕墙系统使用阶段温差按最低-15℃，最高50℃执行，挠度按照1/50L控制;

　　g.双层玻璃其挠曲允许值不得超过15mm或其平面正常方向净跨得1/175，值小者为先。

　　三.航站楼单索幕墙方案设计

　　依据建筑设计和建筑效果的要求，为使新建T2A航站楼和老航站楼T2B在建筑形态上相互协调和统一，新建T2A航站楼在外立面上大面积的采用了单拉索点式玻璃幕墙系统。依据建筑模数和主体钢结构布置的原则，玻璃分格尺寸为3000mm×2000mm，玻璃基本配置为12+12A+10+1.90PVB+10钢化夹胶中空LOW-E玻璃。

　　1.结构支撑体系设计

　　由于航站楼陆侧、空侧及山墙两侧幕墙立面较长，必须在中间设置钢结构支撑结构;由于屋面钢结构整体刚度较柔，不能承受任何竖向荷载，所以必须在支撑钢结构顶部设置支撑结构来承担竖向拉索的拉力和幕墙自重。航站楼陆侧结构支撑体系布置如图4，山墙侧结构支撑体系布置如图5。

图4航站楼陆侧结构支撑体系布置图

图5航站楼山墙侧结构支撑体系布置图

　　航站楼陆侧、空侧幕墙抗风柱沿主体四角支撑钢结构左右每9米各设置一个，幕墙抗风柱间距18米，山墙侧幕墙抗风柱在主体钢屋盖斜向撑杆后布置，幕墙抗风柱间距9米，在山墙与陆侧、空侧拐角处设置三角形空间钢构架，来承担水平拉索的拉力。在幕墙抗风柱和三角形空间钢构架顶部设置箱型钢梁，承担竖向拉索的拉力和幕墙自重(图6)。

图6航站楼钢结构支撑体系三维布置图

　　2.单拉索索网体系设计

　　在航站楼陆侧、空侧及山墙两侧，沿玻璃面板竖向分格缝处后设置竖向拉索，一端与顶部箱型钢梁连接，一端与底部混凝土梁进行连接，考虑施工方便的原则，将竖向拉索的张拉端设置在底部;沿玻璃面板水平分格缝处后设置水平拉索，竖向拉索的直径有Φ36mm、Φ24mm二种规格，水平拉索配置有Φ24mm、Φ28mm、Φ32mm三种规格。考虑到拉索弹性伸长和其它施工因素，陆侧、空侧水平拉索分成四段，山墙两侧水平拉索分成二段，张拉端顶真布置(图7)。在水平拉索与主体四角支撑钢结构横腹杆及竖向拉索与主体四角支撑钢结构斜拉杆干涉处，需要进行特殊构造设计，设计应遵循等强设计的原则。

图7航站楼钢结构及索网支撑体系三维布置图

　　3.幕墙结构传力途径

　　水平荷载由玻璃面板通过驳接爪件传递给竖向及水平不锈钢拉索，水平不锈钢拉索承受的水平荷载由幕墙抗风柱传递给抗风柱顶部箱型钢梁及底部混凝土梁;竖向拉索承受的水平荷载一部分传递给底部混凝土梁，一部分由竖索顶部箱型钢梁通过其两侧幕墙抗风柱传递给底部混凝土梁。幕墙自重由竖向拉索通过顶部箱型钢梁和幕墙抗风柱传递给混凝土梁。

　　4.细部节点设计

　　4.1幕墙钢结构适应主体结构变形设计

　　屋面钢结构仅对幕墙抗风柱作垂直于玻璃面向的水平约束，幕墙抗风柱在重力方向和平行于玻璃面的水平向约束均为放松，屋面钢结构在重力方向(Z向)的变形位移量为：陆侧：-40mm～+40mm，空侧-25mm～+25mm，山墙侧-50mm～+65mm。抗风柱顶部铰接连杆设计可承受的竖向位移为±80mm，满足屋面变形及钢结构自身变形的位移吸收要求(图8)。铰接连杆采用螺纹套管连接，端部由锁紧螺母锁紧，可以实现抗风柱在垂直于玻璃面方向上±30mm的误差调节。

　　抗风柱底部及顶部耳板连接位置设置专业加工的转动轴承构件，可以实现抗风柱平面内水平方向的转动变形，变形量±7°(图9)。

图8抗风柱顶部铰接连杆重力方向位移吸收示意图

图9抗风柱平面内水平方向调节变形构造

　　4.2水平与竖向拉索标准节点设计

　　新建T2A航站楼主楼单层索网玻璃幕墙水平与竖向拉索标准节点，采用了驳接爪连接的构造措施(图10)，驳接爪根部开凹槽，竖向及水平不锈钢拉索采用2根φ18不锈钢螺栓通过不锈钢压块将其与驳接爪相连，利用竖向拉索与内压块及驳接爪间的摩擦力来承担幕墙玻璃及不锈钢拉索、爪具等结构件的自重。

　　玻璃面板通过不锈钢驳接头与不锈钢驳接爪连接固定，不锈钢驳接爪通过不锈钢压块与横竖不锈钢拉索连接固定。为满足抗震变形、温度变形等要求，并实现玻璃面板收拉的受力状态，不锈钢驳接爪开孔形式为上排两个孔位为大圆孔，以放松玻璃面板平面内变形位移，下排两个孔位为横向长圆孔，以承受玻璃的自重，并放送平面内水平向的玻璃变形位移。

图10单索幕墙标准节点构造示意图

　　4.3航站楼山墙位置玻璃百叶节点设计

　　航站楼两侧山墙立面局部玻璃分格处，为满足室内设备用房等空间通风要求，需设置百叶窗。考虑百叶窗与立面单索玻璃幕墙装饰效果的协调统一，设计采用玻璃百叶窗，百叶片采用10+1.52PVB+10钢化夹胶透明玻璃，百叶片长3000mm，宽200mm，间距150mm(图11)。

图11玻璃百叶内、外视节点效果

　　为满足其在自重荷载及风荷载作用下的结构安全性能，在玻璃百叶的中部位置采用不锈钢拉索将百叶片吊挂在铝合金百叶框上，铝合金百叶框的表面采用灰白色氟碳喷涂处理，百叶片的外表面与大面玻璃面齐平，以满足幕墙立面外饰效果的要求。

　　玻璃百叶通过不锈钢夹板与铝合金框连接，玻璃百叶整体单元安装完毕后，与单索幕墙不锈钢点爪通过4个M12的不锈钢装饰螺栓固定。

　　4.4航站楼山墙及空侧立面通风开启扇节点设计

　　航站楼两侧山墙及空侧立面位置设置了38樘电动开启窗以供航站楼室内通风所用，开启窗采用上悬外开的形式，电动装置采用推杆式电动开窗器(图12)。

图12单索幕墙电动开启构造示意图

　　为保证开启扇与固定玻璃外立面效果的统一，开启窗玻璃不设铝合金窗框，而设计采用大小片玻璃相互咬合的形式，开启窗的气密性能和通过隐藏在玻璃间三元乙丙密封胶条实现。

　　开启窗上边与点玻驳接爪连接采用专用的不锈钢抓点转轴五金配件，并且将此转轴件置于室内侧，以避免传统的外置挂轴外露室外影响立面效果的情况发生。电动开启装置采用全封闭式内螺纹驱动结构，具有更好的封闭性，特别适于粉尘风沙等空气颗粒污染较大的环境使用。

　　4.5水平拉索与钢横管干涉解决方案

　　航站楼陆侧与空侧水平拉索与主体钢结构四角支撑钢柱横腹杆存在干涉现象，干涉的处理采用环形钢转接件，转接件采用Q345钢(图13)。转接件在设计时应该考虑拉索的变形、拉索在施工张拉时的伸长量，在水平拉索施工张拉时，对此转接件在充分进行理论计算的基础上还应该进行结构的拉伸试验，确保整个结构体系的安全。

图13水平拉索与钢横管干涉处构造示意

　　4.6竖向拉索与主体钢结构干涉解决方案

　　航站楼陆侧与空侧竖向拉索与主体钢结构轴四角支撑钢柱连杆存在干涉，因为此处竖索在荷载作用下的正常变形量达到200mm左右，而此处玻璃面距钢结构节点外侧边缘线的距离只有125mm左右，采用钢套管及转接件将竖索与钢结构节点连接，此处钢节点对竖索仅仅约束垂直于玻璃平面方向的水平位移，拉索轴向位移放松，对建筑立面整体分格造型没有影响(图14)。

图14 竖向拉索与主体钢结构干涉处理示意图

　　四.航站楼单索幕墙结构计算分析

　　1.荷载分项及组合系数

　　荷载分项系数：永久荷载1.2，风荷载1.4，地震作用1.3，拉索预拉力1.0，温度荷载1.2;

　　荷载组合系数：永久荷载1.0，风荷载1.0，地震作用0.6/0.2，拉索预拉力1.0，温度荷载0.6/0.2。

　　2.计算工况

　　风荷载在幕墙结构的计算中起主要控制作用，故以此为基础进行荷载工况的组合,D代表恒载(整体结构自重)标准值;SD代表不含玻璃面板的结构自重标准值;W代表风荷载标准值;T(+)代表升温 50℃;T(-)代表降温 15℃;P代表预应力作用;E代表地震作用。

　　正常使用极限状态计算：

　　a.1.0×P+1.0×D+1.0×SD+1.0×W+0.6×E;

　　b.1.0×P+1.0×D+1.0×SD+1.0×W+0.6×T(+)。

　　承载能力极限状态计算:

　　a.1.0×P+1.2×D+1.2×SD+1.4×W+0.6×1.3×E;

　　b.1.0×P+1.2×D+1.2×SD+1.4×E+0.6×1.3×T(-)。

　　3.有限元计算模型的建立

　　3.1拉索参数

　　拉索材料：拉索材质为316不锈钢，弹性模量1.4E5Mpa，泊松比为0.3;

　　拉索截面及破断力：采用公称直径为24mm、28mm、32mm、36mm拉索，其相应的破断力分别为：363.55kN、484.0 kN、628.98 kN、821.53 kN;

　　拉索的线膨胀系数：1.2 ×10-5(1/℃);

　　索端为铰接。

　　3.2玻璃参数

　　玻璃配置为：12(LOW-E)+12A+10+2.28PVB+10中空钢化夹胶玻璃，重力密度为25.6 KN/mm3;

　　玻璃弹性模量 0.72E5Mpa，泊松比为0.2;

　　玻璃的线膨胀系数：1.0 ×10-5(1/℃)。

　　3.3钢材参数

　　本工程所用钢材主要采用Q235B牌号钢材，部分钢材根据设计需要采用Q345B牌号钢材。

　　钢材机械性能Q235B(d≤16)：

　　抗拉抗压和抗弯强度f=215N/mm2;

　　抗剪强度fv=125N/mm2;

　　延伸率δ≥26%。

　　钢材机械性能 (d≤16)：

　　抗拉抗压和抗弯强度f=310N/mm2;

　　抗剪强度fv=180N/mm2;

　　延伸率δ≥26%。

　　3.4荷载计算

　　a.恒载(整体结构自重)

　　在ANSYS11.0模型中，拉索及钢结构的自重由程序自动计算，玻璃面板自重按点荷载进行施加，具体计算如下所示：

　　玻璃采用12(LOW-E)+12A+10+2.28PVB+10中空钢化夹胶玻璃，每平米自重：标准值25.6×0.032 =0.8192 KN/m2(竖向),考虑附属结构的自重, 取0.85KN/m2(竖向)。

　　b.地震作用

　　地震作用按点荷载进行施加，幕墙自重约0.85 KN/m2，抗震等级6度，水平地震影响系数最大值0.04,标准值： EY=5×0.04×0.85=0.17 KN/m2(垂直玻璃板面),EZ=5×0.04×0.85=0.17 KN/m2(平行玻璃板面)。

　　c.风荷载

　　风荷载的取值以《建筑结构荷载规范》 GB50009-2001(2006年版)、《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)、风洞试验报告三者中较严格者控制。根据荷载规范基本风压W0取为0.40KN/m2，根据结构物表面的风压基本上是以风吸力为主，在设计时，考虑对结构不利的工况，适当取内部风压体型系数为-0.2，正压区μsl =1.3，负压区对墙面μsl = -1.0，对墙角边μsl = -1.8，考虑到封闭结构内表面的影响，实际取对墙面μsl = -1.2，对墙角边μsl = -2.0。

　　d.温度荷载

　　拉索幕墙结构温度作用按降温-15℃，升温+50℃考虑，程序设定参考温度为0℃。

　　e.预应力作用

　　拉索的预应力作用以施加初应变的方式在模型中实现。

　　f.钢筋混凝土层间位移作用

　　钢筋混凝土层间位移对拉索的作用以施加应变的方式在模型中实现。

　　3.5计算模型图

　　整体计算模型示意如图15。