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重慶江北國際機場新建T2A航站樓預應力單索幕墻設計

來源:2019年會論文集  作者:劉長龍  日期:2019-4-11
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  摘要:本文介紹了重慶江北國際機場新建T2A航站樓預應力單索幕墻結構設計,從方案設計到施工圖階段,分析了其四面圍護預應力單索幕墻這新的幕墻支撐結構體系。
  關鍵詞:預應力單索幕墻、單索結構、結構計算。

  一.工程概況

  1.整體工程概況

  重慶江北國際機場新建T2A航站樓及交通換乘中心位于重慶江北國際機場內,在現有航站樓(T2B)南側,建筑面積約84000㎡,層數為三層半(其中主樓設有8000㎡的地下室),在新老航站樓主樓之間設聯廊,該聯廊一二層為綜合交通換乘中心、三層為新老航站樓主樓之間的連接廊,聯廊層數為三層,建筑面積9000平方米;整個建筑基礎為獨立柱基礎(部分為人工挖孔柱基礎),結構上除屋蓋為大型鋼結構屋蓋外,其余均為鋼筋框架結構(詞條“框架結構”由行業大百科提供)(圖1)。

圖1 新建T2A航站樓及交通換乘中心鳥瞰效果

  新建T2A航站樓主樓部分建筑平面為90米×180米長方形,地下一層,地上兩層,局部夾層三層,建筑標高7.500米以下為混凝土框架(詞條“框架”由行業大百科提供)結構,建筑標高7.500米以上為大跨度空間鋼結構,建筑最高點約30.7米。屋面鋼結構采用四角支撐鋼柱每36米均勻布置;兩側山墻部分屋面鋼結構采用單鋼管支撐鋼柱沿建筑軸線每9米均勻布置。正立面(陸側部分)的外墻檐口呈波浪形,最低點為24.175米,最高點為28.874米;背立面(空側部分)的外墻檐口也呈波浪形,最低點為20.411米,最高點為26.852米;兩側山墻頂端為一光滑曲線,最低點為23.072米,最高點為30.608米(如圖2)。

圖2 新建T2A航站樓立面效果

  2.幕墻工程概況

  重慶江北國際機場新建T2A航站樓及交通換乘中心幕墻工程包括主樓、連廊、指廊、交通換乘中心及登機橋固定端的所有建筑外裝飾幕墻工程,其中以不銹鋼點駁接平面單拉索玻璃幕墻鋁合金玻璃幕墻、鋁板蜂窩鋁板幕墻石材幕墻為主,其它幕墻類型為輔,幕墻總面積約5.0萬平方米。航站樓幕墻系統主要由鋁合金窗全玻璃幕墻、單索點式玻璃幕墻鋁板幕墻(詞條“鋁”由行業大百科提供)合金金屬百葉、石材幕墻等組成。其中航站樓建筑標高7.500以上陸側、空側及兩側山墻大面積采用單索點式玻璃幕墻,幕墻面積約8500平方米(圖3)。航站樓單索幕墻由北京江河幕墻股份有限公司負責施工,江蘇合發集團有限責任公司為施工圖設計和施工階段的顧問單位。

圖3 航站樓陸側室內外效果

  二.設計荷載取值

  1.一般自然條件

  a.氣溫:常年絕對最高氣溫為45℃,常年絕對最低氣溫為-2.8℃;最熱月的相對溫度平均值為35℃;

  b.平均年降水量:1210.9mm;暴雨量:最大降雨量220.0mm,持續時間為24小時;

  c.最大風速:1989~1999年2分鐘平均最大風速25米/秒,出現時間為1991年6月24日18:55;

  d.建筑耐火等級:Ⅰ級;

  e.場地類別:Ⅱ類。

  2.設計荷載條件

  a.屋面活載;0.3KN/㎡;

  b.屋面檢修荷載:0.60KN/㎡;

  c.基本風壓:0.40KN/㎡(n=50);

  d.懸掛荷載:主樓0.3KN/㎡;指廊0.8KN/㎡;連廊0.8KN/㎡;

  e.屋面系統荷載:檁條面板保溫材料自重:0.45KN/㎡。

  3.屋面、墻體保溫設計四季參數

  3.1室外設計參數

  a.夏季空調干球溫度:36.5℃,夏季空調濕球溫度:27.3℃,夏季通風溫度:33.0℃,冬季空調干球溫度2.0℃,空調相對濕度(詞條“相對濕度”由行業大百科提供):82%;

  b.冬季通風溫度:7℃,夏季室外風速:1.4m/s,冬季室外風速:1.2m/s;

  c.設計地震分組:第一組,按 7度采取抗震措施,根據《建筑工程抗震設防分類標準(GB50223-2008)》,為重點設防類建筑,應按高于本地區抗震設防烈度一度的要求加強其抗震措施。

  時程分析所用地震加速度時程曲線的最大值取為: 18cm/s2(Gal),標準反應譜法(水平地震影響系數最大值αmax)取為:0.04。

  3.2室內設計參數

  3.2.1出港大廳

  a.夏季溫度:24~26℃,冬季溫度:20~22℃;

  b.夏季相對濕度:50~70%,冬季相對濕度:≥35%。

  3.2.2到港大廳

  a.夏季溫度:24~26℃,冬季溫度:20~22℃;

  b.夏季相對濕度:50~70%,冬季相對濕度:≥35%。

  4.特別說明

  a.鋼結構:相對撓度L/250(L=跨度);

  b.絕對撓度:20mm(L≤4500mm),30mm(L>4500mm);

  c.鋁型材:相對撓度L/180(L=跨度);

  d.絕對撓度:20mm(L≤4500mm),30mm(L>4500mm);

  e.在自重標準值的作用下,水平受力構件在單塊面板兩端跨距內得最大撓度不應超過該面板兩端跨距得1/500,且不應超過3mm;

  f.預應力拉索幕墻系統使用階段溫差按最低-15℃,最高50℃執行,撓度按照1/50L控制;

  g.雙層玻璃其撓曲允許值不得超過15mm或其平面正常方向凈跨得1/175,值小者為先。

  三.航站樓單索幕墻方案設計

  依據建筑設計和建筑效果的要求,為使新建T2A航站樓和老航站樓T2B在建筑形態上相互協調和統一,新建T2A航站樓在外立面上大面積的采用了單拉索點式玻璃幕墻系統。依據建筑模數和主體鋼結構布置的原則,玻璃分格尺寸為3000mm×2000mm,玻璃基本配置為12+12A+10+1.90PVB(詞條“PVB”由行業大百科提供)+10鋼化夾膠中空LOW-E玻璃。

  1.結構支撐體系設計

  由于航站樓陸側、空側及山墻兩側幕墻立面較長,必須在中間設置鋼結構支撐結構;由于屋面鋼結構整體剛度較柔,不能承受任何豎向荷載,所以必須在支撐鋼結構頂部設置支撐結構來承擔豎向拉索的拉力和幕墻自重。航站樓陸側結構支撐體系布置如圖4,山墻側結構支撐體系布置如圖5。

圖4航站樓陸側結構支撐體系布置圖

圖5航站樓山墻側結構支撐體系布置圖

  航站樓陸側、空側幕墻抗風柱(詞條“抗風柱”由行業大百科提供)沿主體四角支撐鋼結構左右每9米各設置一個,幕墻抗風柱間距18米,山墻側幕墻抗風柱在主體鋼屋蓋斜向撐桿(詞條“撐桿”由行業大百科提供)后布置,幕墻抗風柱間距9米,在山墻與陸側、空側拐角處設置三角形空間鋼構架,來承擔水平拉索的拉力。在幕墻抗風柱和三角形空間鋼構架頂部設置箱型鋼梁,承擔豎向拉索的拉力和幕墻自重(圖6)。

圖6航站樓鋼結構支撐體系三維布置圖

  2.單拉索索網體系設計

  在航站樓陸側、空側及山墻兩側,沿玻璃面板豎向分格縫處后設置豎向拉索,一端與頂部箱型鋼梁連接,一端與底部混凝土梁進行連接,考慮施工方便的原則,將豎向拉索的張拉端設置在底部;沿玻璃面板水平分格縫處后設置水平拉索,豎向拉索的直徑有Φ36mm、Φ24mm二種規格,水平拉索配置有Φ24mm、Φ28mm、Φ32mm三種規格。考慮到拉索彈性伸長和其它施工因素,陸側、空側水平拉索分成四段,山墻兩側水平拉索分成二段,張拉端頂真布置(圖7)。在水平拉索與主體四角支撐鋼結構橫腹桿及豎向拉索與主體四角支撐鋼結構斜拉桿干涉處,需要進行特殊構造設計,設計應遵循等強設計的原則。

圖7航站樓鋼結構及索網支撐體系三維布置圖

  3.幕墻結構傳力途徑

  水平荷載由玻璃面板通過駁接爪(詞條“駁接爪”由行業大百科提供)件傳遞給豎向及水平不銹鋼拉索,水平不銹鋼拉索承受的水平荷載由幕墻抗風柱傳遞給抗風柱頂部箱型鋼梁及底部混凝土梁;豎向拉索承受的水平荷載一部分傳遞給底部混凝土梁,一部分由豎索頂部箱型鋼梁通過其兩側幕墻抗風柱傳遞給底部混凝土梁。幕墻自重由豎向拉索通過頂部箱型鋼梁和幕墻抗風柱傳遞給混凝土梁。

  4.細部節點(詞條“節點”由行業大百科提供)設計

  4.1幕墻鋼結構適應主體結構(詞條“主體結構”由行業大百科提供)變形設計

  屋面鋼結構僅對幕墻抗風柱作垂直于玻璃面向的水平約束,幕墻抗風柱在重力方向和平行于玻璃面的水平向約束均為放松,屋面鋼結構在重力方向(Z向)的變形位移量為:陸側:-40mm~+40mm,空側-25mm~+25mm,山墻側-50mm~+65mm。抗風柱頂部鉸接連桿設計可承受的豎向位移為±80mm, 滿足屋面變形及鋼結構自身變形的位移吸收要求(圖8)。鉸接連桿采用螺紋套管連接,端部由鎖緊螺母鎖緊,可以實現抗風柱在垂直于玻璃面方向上±30mm的誤差調節。

  抗風柱底部及頂部耳板連接位置設置專業加工的轉動軸承構件,可以實現抗風柱平面內水平方向的轉動變形,變形量±7°(圖9)。

圖8抗風柱頂部鉸接連桿重力方向位移吸收示意圖

圖9抗風柱平面內水平方向調節變形構造

  4.2水平與豎向拉索標準節點設計

  新建T2A航站樓主樓單層索網玻璃幕墻水平與豎向拉索標準節點,采用了駁接爪連接的構造措施(圖10),駁接爪根部開凹槽,豎向及水平不銹鋼拉索采用2根φ18不銹鋼螺栓通過不銹鋼壓塊將其與駁接爪相連,利用豎向拉索與內壓塊及駁接爪間的摩擦力來承擔幕墻玻璃及不銹鋼拉索、爪具等結構件的自重。

  玻璃面板通過不銹鋼駁接頭與不銹鋼駁接爪連接固定,不銹鋼駁接爪通過不銹鋼壓塊與橫豎不銹鋼拉索連接固定。為滿足抗震變形、溫度變形等要求,并實現玻璃面板收拉的受力狀態,不銹鋼駁接爪開孔形式為上排兩個孔位為大圓孔,以放松玻璃面板平面內變形位移,下排兩個孔位為橫向長圓孔,以承受玻璃的自重,并放送平面內水平向的玻璃變形位移。

 

圖10單索幕墻標準節點構造示意圖

  4.3航站樓山墻位置玻璃百葉節點設計

  航站樓兩側山墻立面局部玻璃分格處,為滿足室內設備用房等空間通風要求,需設置百葉窗。考慮百葉與立面單索玻璃幕墻裝飾效果的協調統一,設計采用玻璃百葉窗,百葉片采用10+1.52PVB+10鋼化夾膠透明玻璃,百葉片長3000mm,寬200mm,間距150mm(圖11)。

圖11玻璃百葉內、外視節點效果

  為滿足其在自重荷載及風荷載作用下的結構安全性能,在玻璃百葉的中部位置采用不銹鋼拉索將百葉片吊掛在鋁合金百葉框上,鋁合金百葉框的表面采用灰白色氟碳噴涂處理,百葉片的外表面與大面玻璃面齊平,以滿足幕墻立面外飾效果的要求。

  玻璃百葉通過不銹鋼夾板與鋁合金框連接,玻璃百葉整體單元安裝完畢后,與單索幕墻不銹鋼點爪通過4個M12的不銹鋼裝飾螺栓固定。

  4.4航站樓山墻及空側立面通風開啟扇節點設計

  航站樓兩側山墻及空側立面位置設置了38樘電動開啟窗以供航站樓室內通風所用,開啟窗采用上懸外開的形式,電動裝置采用推桿式電動開窗器(圖12)。

圖12單索幕墻電動開啟構造示意圖

  為保證開啟扇與固定玻璃外立面效果的統一,開啟窗玻璃不設鋁合金窗框,而設計采用大小片玻璃相互咬合的形式,開啟窗的氣密性能和通過隱藏在玻璃間三元乙丙密封膠條實現。

  開啟窗上邊與點玻駁接爪連接采用專用的不銹鋼抓點轉軸五金配件,并且將此轉軸件置于室內側,以避免傳統的外置掛軸外露室外影響立面效果的情況發生。電動開啟裝置采用全封閉式內螺紋驅動結構,具有更好的封閉性,特別適于粉塵風沙等空氣顆粒污染較大的環境使用。

  4.5水平拉索與鋼橫管干涉解決方案

  航站樓陸側與空側水平拉索與主體鋼結構四角支撐鋼柱橫腹桿存在干涉現象,干涉的處理采用環形鋼轉接件,轉接件采用Q345鋼(圖13)。轉接件在設計時應該考慮拉索的變形、拉索在施工張拉時的伸長量,在水平拉索施工張拉時,對此轉接件在充分進行理論計算的基礎上還應該進行結構的拉伸試驗,確保整個結構體系的安全。

圖13水平拉索與鋼橫管干涉處構造示意

  4.6豎向拉索與主體鋼結構干涉解決方案

  航站樓陸側與空側豎向拉索與主體鋼結構軸四角支撐鋼柱連桿存在干涉,因為此處豎索在荷載作用下的正常變形量達到200mm左右,而此處玻璃面距鋼結構節點外側邊緣線的距離只有125mm左右,采用鋼套管及轉接件將豎索與鋼結構節點連接,此處鋼節點對豎索僅僅約束垂直于玻璃平面方向的水平位移,拉索軸向位移放松,對建筑立面(詞條“建筑立面”由行業大百科提供)整體分格造型沒有影響(圖14)。

圖14 豎向拉索與主體鋼結構干涉處理示意圖

  四.航站樓單索幕墻結構計算分析

  1.荷載分項及組合系數

  荷載分項系數永久荷載1.2,風荷載1.4,地震作用1.3,拉索預拉力1.0,溫度荷載1.2;

  荷載組合系數:永久荷載1.0,風荷載1.0,地震作用0.6/0.2,拉索預拉力1.0,溫度荷載0.6/0.2。

  2.計算工況

  風荷載在幕墻結構的計算中起主要控制作用,故以此為基礎進行荷載工況的組合,D代表恒載(整體結構自重)標準值;SD代表不含玻璃面板的結構自重標準值;W代表風荷載標準值;T(+)代表升溫 50℃;T(-)代表降溫 15℃;P代表預應力作用;E代表地震作用。

  正常使用極限狀態計算:

  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(+)。

  承載能力極限狀態計算:

  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(詞條“有限元”由行業大百科提供)計算模型的建立

  3.1拉索參數

  拉索材料:拉索材質為316不銹鋼,彈性模量(詞條“彈性模量”由行業大百科提供)1.4E5Mpa,泊松比為0.3;

  拉索截面及破斷力:采用公稱直徑為24mm、28mm、32mm、36mm拉索,其相應的破斷力分別為:363.55kN、484.0 kN、628.98 kN、821.53 kN;

  拉索的線膨脹系數:1.2 ×10-5(1/℃);

  索端為鉸接。

  3.2玻璃參數

  玻璃配置為:12(LOW-E)+12A+10+2.28PVB+10中空鋼化夾膠玻璃,重力密度為25.6 KN/mm3;

  玻璃彈性模量(詞條“模量”由行業大百科提供) 0.72E5Mpa,泊松比為0.2;

  玻璃的線膨脹系數:1.0 ×10-5(1/℃)。

  3.3鋼材參數

  本工程所用鋼材主要采用Q235B牌號鋼材,部分鋼材根據設計需要采用Q345B牌號鋼材。

  鋼材機械性能Q235B(d≤16):

  抗拉抗壓和抗彎強度f=215N/mm2;

  抗剪強度fv=125N/mm2;

  延伸率δ≥26%。

  鋼材機械性能 (d≤16):

  抗拉抗壓和抗彎強度f=310N/mm2;

  抗剪強度fv=180N/mm2;

  延伸率δ≥26%。

  3.4荷載計算

  a.恒載(整體結構自重)

  在ANSYS11.0模型中,拉索及鋼結構的自重由程序自動計算,玻璃面板自重按點荷載進行施加,具體計算如下所示:

  玻璃采用12(LOW-E)+12A+10+2.28PVB+10中空鋼化夾膠玻璃,每平米自重:標準值25.6×0.032 =0.8192 KN/m2(豎向),考慮附屬結構的自重, 取0.85KN/m2(豎向)。

  b.地震作用

  地震作用按點荷載進行施加,幕墻自重約0.85 KN/m2,抗震等級6度,水平地震影響系數最大值0.04,標準值: 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.風荷載

  風荷載的取值以《建筑結構荷載規范GB50009-2001(2006年版)、《玻璃幕墻工程技術規范》(JGJ102-2003)、風洞試驗報告三者中較嚴格者控制。根據荷載規范基本風壓(詞條“風壓”由行業大百科提供)W0取為0.40KN/m2,根據結構物表面的風壓基本上是以風吸力為主,在設計時,考慮對結構不利的工況,適當取內部風壓體型系數為-0.2,正壓區μsl =1.3,負壓區對墻面μsl = -1.0,對墻角邊μsl = -1.8,考慮到封閉結構內表面的影響,實際取對墻面μsl = -1.2,對墻角邊μsl = -2.0。

  d.溫度荷載

  拉索幕墻結構溫度作用按降溫-15℃,升溫+50℃考慮,程序設定參考溫度為0℃。

  e.預應力作用

  拉索的預應力作用以施加初應變的方式在模型中實現。

  f.鋼筋混凝土層間位移作用

  鋼筋混凝土層間位移對拉索的作用以施加應變的方式在模型中實現。

  3.5計算模型圖

  整體計算模型示意如圖15。

圖15整體計算模型示意圖

  4.計算結果

  4.1幕墻支撐鋼結構計算結果

  幕墻支撐鋼結構計算結果如下表所示。

  4.2幕墻索網體系計算結果

  幕墻索網體系計算結果如下表所示。

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專家介紹

 劉長龍

鋁門窗幕墻委員會專家組

工作單位:江蘇合發集團有限責任公司

技術職稱:總工程師、常務副總經理

專業:建筑幕墻設計、研發與管理

專長:索結構點支撐玻璃幕墻、大跨度空間玻璃幕墻體系、金屬屋面系統的設計與研究。

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2019-4-11/45874-1.htm
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